Diseño de una red DWDM para la región central de Cuba

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. Diseño de una red DWDM para la región central de Cuba. Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Autor: Ing. Marcos Antonio Alfonso Sánchez. Tutor: MSc. José de las Nieves Rodríguez Sánchez Santa Clara 2013 "Año 55 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Diseño de una red DWDM para la región central de Cuba Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Autor: Ing. Marcos Antonio Alfonso Sánchez e-mail: marcos.alfonso@etecsa.cu Jefe de Unidad A Planta Interior Centro de Telecomunicaciones Santa Clara. Tutor: MSc. José de las Nieves Rodríguez Sánchez. e-mail: jose.rodriguezsanchez@etecsa.cu Especialista Principal Unidad de Transporte Planta Interior. ETECSA Villa Clara. Santa Clara 2013. "Año 55 de la Revolución”.

(3) Hago constar que la presente Tesis en Opción al Título Académicos de Máster en Ciencias Telemáticas fue realizada en la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas como parte de la culminación de los estudios de Maestría en Telemática, autorizando a que la misma sea utilizada por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentada en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. ________________. Firma del Autor. Los abajo firmantes, certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. ________________. _______________________. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Dpto. Donde se defiende el trabajo. ____________________ Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) PENSAMIENTO. “Cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia”. Arthur Clarke.

(5) DEDICATORIA. A mi familia, esposa y en especial a Amelita..

(6) AGRADECIMIENTOS. A todos los que de una forma u otra contribuyeron al desarrollo de este trabajo..

(7) Resumen. RESUMEN Debido al surgimiento y expansión de aplicaciones de voz, datos y video se hace necesario para los proveedores de servicios de telecomunicaciones explotar eficientemente los recursos de sus redes y aumentar de manera gradual la capacidad de los sistemas de transporte minimizando los gastos. Los estándares tradicionales como SONET / SDH en las redes de transporte no están aptos para hacer frente al creciente tráfico de datos basado en el protocolo IP por lo que surgen nuevas soluciones basadas en arquitecturas de redes ópticas que aprovechan la infraestructura desplegada en la actualidad. En este trabajo se propone una red de transporte basada en la tecnología DWDM para la región central de Cuba, la cual es capaz de transportar cualquier tipo de tráfico con alto grado de calidad. Para realizar esta propuesta se consideran los diferentes estándares de fibra óptica recogidos por la UIT y las características lineales y no lineales de la fibra óptica como medio de transmisión. Se analiza la evolución y tendencia de las redes de transporte ópticas y los modelos más empleados en la actualidad. Se introduce la tecnología DWDM y el estándar OTN finalizando con el diseño de la Red DWDM y su simulación..

(8) Índice. Índice INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... …I CAPÍTULO 1: LA FIBRA ÓPTICA Y SUS CARACTERÍSTICAS. EVOLUCIÓN Y TENDENCIAS DE LAS REDES DE TRANSPORTE ÓPTICAS ........................................... 1 1.1. Introducción ..................................................................................................................... 1 1.2. La fibra óptica como medio de transmisión ...................................................................... 1 1.2.1. Formas de clasificación de la fibra óptica ............................................................... 2 1.3. Fenómenos a tener en cuenta en la transmisión por fibra óptica ........................................ 3 1.3.1. Atenuación ............................................................................................................. 4 1.3.2. Dispersión .............................................................................................................. 6 1.3.3. No linealidades en la fibra óptica ............................................................................ 9 1.4. Tipos de fibra óptica especificados por la UIT ................................................................ 12 1.4.1. Fibra Monomodo Estándar (G.652) ...................................................................... 12 1.4.2. Fibra Monomodo con dispersión desplazada (G.653) ........................................... 13 1.4.3. Fibra Monomodo con corte desplazado (G.654) ................................................... 14 1.4.4. Fibra Monomodo con dispersión desplazada no nula (G.655) ............................... 14 1.4.5. Fibra Monomodo con dispersión no nula para transporte de banda ancha (G.656) 16 1.5. Emisores y filtros ópticos ............................................................................................... 16 1.5.1. LED y Láser ......................................................................................................... 16 1.5.2. Filtros ópticos....................................................................................................... 19 1.6. Evolución y tendencia de las redes de transporte ópticas................................................. 21 1.7. Conclusiones .................................................................................................................. 25 CAPÍTULO 2: ELEMENTOS DE LA TECNOLOGÍA DWDM. EL ESTÁNDAR RED DE TRANSPORTE ÓPTICA (OTN) .......................................................................................... 26 2.1. Introducción ................................................................................................................... 26 2.2. Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM) ............................................ 26.

(9) Índice. 2.2.1. Multiplexación por División Aproximada de Longitud de Onda (CWDM) ........... 27 2.2.2. Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM) ..................... 29 2.3. El estándar Red de Transporte Óptica (OTN) ................................................................. 30 2.3.1. Capas de una red de transporte óptica ................................................................... 32 2.3.1.1. Capa de canal óptico (OCh) ...................................................................... 32 2.3.1.2 Capa de sección de multiplex (OMS) ......................................................... 33 2.3.1.3 Capa de Transmisión Óptica (OTS) ........................................................... 33 2.3.2. Encapsulado de la señal cliente............................................................................. 34 2.3.3. Velocidades de las Unidades de Transporte Óptico ............................................... 36 2.4. Elementos que conforman un sistema DWDM ............................................................... 37 2.4.1. Transpondedor (OTU) .......................................................................................... 37 2.4.2. Multiplexor y Demultiplexor óptico (OMUX – ODMUX) .................................... 38 2.4.3. Cross – conectores ópticos (OXC) ........................................................................ 40 2.4.4. Amplificador Óptico (OA) ................................................................................... 41 2.4.5. El Multiplexor de Inserción / Extracción Óptico (OADM) .................................... 43 2.5. Topologías de las redes DWDM ..................................................................................... 44 2.6. Comparación entre proveedores de equipos DWDM ...................................................... 46 2.6.1 Alcatel 1625 Lambda Extrema Transport .............................................................. 46 2.6.2 Huawei OptiX OSN 6800 ...................................................................................... 48 2.6.3 Ciena 6500 Series .................................................................................................. 50 2.6.4 Cisco ONS 15454 MSTP....................................................................................... 51 2.7. Conclusiones .................................................................................................................. 53 CAPÍTULO 3: DISEÑO DE UNA RED DE TRANSPORTE DWDM PARA LA REGION CENTRAL DE CUBA .......................................................................................................... 54 3.1. Introducción ................................................................................................................... 54.

(10) Índice. 3.2. Situación actual de la red de transporte en el escenario escogido .................................... 54 3.3. Guía para el diseño de una red DWDM .......................................................................... 56 3.4. Aplicación de la guía de diseño a la red objetivo ............................................................ 64 3.5. Simulación de la red DWDM propuesta ......................................................................... 73 3.6. Valoración económica de la red DWDM propuesta ........................................................ 80 3.7. Conclusiones .................................................................................................................. 81 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 82 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 84 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................... 85 GLOSARIO .......................................................................................................................... 89 ANEXO A. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS MÁS UTILIZADAS ...................................................................................................................... 90 ANEXO B. CARACTERÍSTICAS DE LOS LED, LÁSERES Y ALGUNOS FILTROS UTILIZADOS EN LOS SISTEMAS DE TRANSMISIÓN ÓPTICOS ................................ 100 ANEXO C. PLAN ESPECTRAL PARA EL DWDM DEFINIDO EN LA RECOMENDACIÓN G.694.1 DE LA UIT......................................................................... 105 ANEXO D. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS EMPLEADOS EN LAS REDES DWDM ........................................................................... 108 ANEXO E. MÉTODO PRÁCTICO PARA EL CÁLCULO DE LA RELACIÓN SEÑAL A RUIDO ÓPTICA (OSNR) EN REDES DWDM .................................................................. 113 ANEXO F. ASIGNACIÓN DE LAS LONGITUDES DE ONDA DE TRABAJO PARA LA SIMULACIÓN DE LA RED DWDM DE LA REGION CENTRAL DE CUBA................. 115 ANEXO G. LISTADO DE PRECIO DE LAS UNIDADES FUNCIONALES DEL OPTIX OSN 6800 DE HUAWEI TECHNOLOGIES ...................................................................... 117.

(11) Introducción. INTRODUCCIÓN En los últimos años las redes de telecomunicaciones se han caracterizado por un crecimiento considerable del tráfico de datos con respecto al tráfico de voz. En gran medida esto se debe al surgimiento de una gran variedad de servicios con velocidades cada vez mayores que necesitan de mayor ancho de banda. Esto obliga a los operadores de telecomunicaciones a buscar soluciones basándose en la implementación de nuevas redes de alta capacidad con un mejor funcionamiento. Estas redes deben ser capaces de soportar el incremento constante del volumen de tráfico mediante arquitecturas de redes ópticas eficientes, flexibles e inteligentes, aprovechando la infraestructura actual. Para hacerle frente a la creciente demanda de ancho de banda y a las nuevas y variadas aplicaciones, las redes de telecomunicaciones en el mundo que se desempeñan como backbone han migrado de la tecnología SONET / SDH a redes basadas en técnicas de multiplexación en el dominio óptico. Durante los últimos años, la Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM) ha sido una de las soluciones tecnológicas que más atención ha suscitado dentro del campo de las comunicaciones ópticas. La madurez de esta tecnología y la explosión de la demanda de ancho de banda en las redes de acceso, metropolitanas y de larga distancia han propiciado su adaptación a estos entornos, presentándose como una de las alternativas más atractivas en cuanto a la relación prestaciones – costo. Por otra parte, las redes de transporte han evolucionado hacia un paradigma conocido como Redes Totalmente Ópticas (All Optical Networks, AON). Gracias al desarrollo de dispositivos ópticos, electromecánicos y los amplificadores ópticos se han podido desarrollar nodos con conmutación totalmente óptica. Estos dispositivos tienen entre sus características más importantes la escalabilidad, velocidad e independencia del protocolo utilizado [1]. Aparejado a los avances en el desarrollo del hardware han surgido nuevos estándares capaces de mitigar los desafíos existentes. Tal es el caso de la ITU G.709 comúnmente llamada la Red de Transporte Óptico (OTN) o tecnología de recubrimiento digital. La OTN combina la flexibilidad y la capacidad de gestión del estándar SDH con la transparencia y capacidad de la tecnología WDM logrando combinar múltiples redes y servicios tales como SONET / SDH I.

(12) Introducción. tradicional, Ethernet, protocolos de almacenamiento y video sobre una infraestructura común [2]. Además reduce significativamente los gastos de capital para la inversión (CapEx) y los de operación y mantenimiento (OpEx), convirtiéndose en la solución apropiada para integrar las tecnologías de redes de nueva generación. En Cuba, el backbone nacional, así como la mayoría de las redes de transporte de señales se basan en la Jerarquía Digital Síncrona (SDH). Esta tecnología alcanza su madurez en la década de los 90. Esta red nacional de fibra óptica está compuesta por cuatro anillos: 1. Anillo Occidental: comprende desde La Habana hasta Santa Clara 2. Anillo Central: abarca desde Santa Clara hasta Holguín 3. Anillo Oriental: incluye los nodos desde Holguín hasta Guantánamo 4. Anillo Metropolitano: contiene los nodos de la ciudad en la Habana Está diseñada a nivel de STM – 16 con equipos del fabricante y proveedor Huawei Technologies Co. Específicamente, se emplea el OPTIX 2500+ y los equipos OSN 7500 conectados con tarjetas a nivel de STM – 16 con diferentes tipos de protecciones. Además existe paralelamente una red de transmisión de datos bajo el protocolo IP / MPLS que interconecta los nodos del país. La red nacional de transporte por fibra óptica desplegada por la Empresa de Telecomunicaciones de Cuba SA (ETECSA) presenta un alto nivel de saturación debido a la poca cantidad de enlaces entre elementos de red y los niveles de protección de los servicios. Es poco flexible a la hora de realizar el acomodo de servicios de datos a velocidades altas y medias. Además esta red no es capaz de satisfacer de manera eficiente la demanda de ancho de banda de aplicaciones como la Televisión sobre el protocolo IP (IPTV), telefonía móvil 3G y 4G, VoIP, video en demanda (VoD), Internet y los servicios asociados a la nube computacional. Otro elemento importante a destacar es la poca disponibilidad de pares de fibras dentro de los cables desplegados en el backbone nacional. Esto se debe a la ocupación de fibras por parte de la red de transporte SDH (trayectos principales y de protección), redes paralelas de otros clientes y una gran cantidad de servicios sobre fibras oscuras.. II.

(13) Introducción. El objetivo general de este trabajo es proponer un diseño de una red de transporte basada en la tecnología DWDM en la región central de Cuba para integrar las redes de servicios de voz y datos, satisfacer la demanda de ancho de banda de los nuevos servicios y aplicaciones, hacer un uso eficiente de los recursos y aumentar la capacidad de la red existente. En este diseño se propone una configuración que brinda gran transparencia, pues en cada una de las longitudes de onda se pueden transmitir diferentes tasas de bits y protocolos de las capas superiores. Aunque los sistemas DWDM son relativamente caros debido a la necesidad de componentes ópticos muy avanzados, la reducción en equipamiento y ocupación de fibras supone una disminución de los costos en inversiones y mantenimiento. Además esta tecnología permite aumentar de una forma económica y progresiva la capacidad de transporte de la red. Además de la propuesta de diseño este trabajo tiene como objetivos: Definir una guía general para el diseño de la capa óptica de las redes DWDM Caracterizar la fibra óptica como medio de transmisión Analizar el estado actual de las redes de transporte ópticas Caracterizar la tecnología DWDM y el estándar OTN recogido en la Recomendación G.709 de la UIT Analizar y presentar las características del segmento de red de transporte nacional por fibra óptica correspondiente al anillo central Valorar las propuestas que ofrecen varios de los proveedores de tecnologías para redes ópticas a nivel mundial donde se incluyen Alcatel – Lucent, Huawei Technologies Co., Ciena y Cisco Para darle cumplimiento a estos objetivos se realiza un estudio de las características y fenómenos que se presentan en la fibra óptica como medio de transmisión además de la situación nacional e internacional de las redes de transporte ópticas. Se analiza y define las características fundamentales de la tecnología DWDM y el estándar OTN. Se consideran las propuestas de varios proveedores de sistemas DWDM incluyendo Alcatel – Lucent y Huawei Technologies principales proveedores de tecnología de telecomunicaciones a Cuba.. III.

(14) Introducción. Los principales aportes de este trabajo estriban en la propuesta de una red DWDM que permite integrar las redes de datos y de voz tradicional, así como otros servicios que se encuentran desplegados en la fibra óptica nacional sobre fibras oscuras. Además la guía conformada para el diseño de redes DWDM puede ser empleada en otros escenarios. Esta investigación se puede considerar como un material de consulta para los técnicos y especialistas de ETECSA. Los métodos de trabajo empleados para el desarrollo de esta investigación son la búsqueda de información técnica acerca del estado actual de las redes de transporte ópticas y de la tecnología de Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM). Se confecciona y aplica una guía para el diseño de redes DWDM. Además se realizó una comparación entre las propuestas tecnológicas brindada por los líderes del mercado de las redes ópticas a nivel mundial. También se utilizaron herramientas informáticas para el diseño y confección del informe. El. informe. está. compuesto. por. una. introducción,. tres. capítulos,. conclusiones,. recomendaciones, referencias bibliográficas, glosario de términos y siete anexos. El capítulo 1 se denomina “La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas”. En él se presenta la fibra óptica y las características que hacen posible su aplicación en las redes de telecomunicaciones. Se realiza un análisis de los principales fenómenos lineales y no lineales que ocurren en la transmisión por fibra óptica, así como de los emisores y los filtros ópticos más utilizados en este tipo de redes. Se presentan los principales tipos de fibra óptica a partir del análisis de las recomendaciones de la UIT. Finalmente se analiza la evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas, los modelos más empleados en la actualidad y se compara brevemente los diferentes fabricantes de sistemas ópticos en el mercado mundial de las telecomunicaciones. El capítulo 2 se titula “Elementos de la tecnología DWDM. El estándar Red de Transporte Óptica (OTN)”. En este capítulo se presentan las características de la tecnología WDM, sus diferentes clases haciendo énfasis en la DWDM, sus ventajas, elementos que la componen y posibles topologías. También se introduce el estándar Red de Transporte Óptica (OTN) recogido en la recomendación G.709 de la UIT. Al final del capítulo se analizan las plataformas sobre DWDM que presentan los fabricantes líderes del mercado mundial de las redes ópticas. IV.

(15) Introducción. En el capítulo 3, nombrado “Diseño de una red de transporte DWDM para la región central de CUBA”, se realiza un análisis de la red actual desplegada en la región central del país. Se propone una guía para diseñar una red DWDM en cualquier escenario, la cual se aplica en la red objetivo de esta investigación. Concluye este capítulo con la simulación de la red diseñada con el software OptiSystem 7.0 de Optiwave presentándose las tablas y gráficos con los resultados obtenidos, además se efectúa un breve análisis de los costos de la red a partir de los listados de precios del proveedor.. V.

(16) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. CAPÍTULO 1: LA FIBRA ÓPTICA Y SUS CARACTERÍSTICAS. EVOLUCIÓN Y TENDENCIAS DE LAS REDES DE TRANSPORTE ÓPTICAS 1.1. Introducción En este capítulo se presenta la fibra óptica y las características que hacen posible su aplicación en las redes de telecomunicaciones. Se realiza un análisis de los principales fenómenos lineales y no lineales que ocurren en la transmisión por fibra óptica, así como de los emisores y filtros ópticos más utilizados en este tipo de redes. Se hace un análisis de los distintos tipos de fibra óptica estandarizados en las recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) y sus principales aplicaciones. Finalmente se analiza la evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas, los modelos más empleados en la actualidad, así como una breve comparación entre los diferentes fabricantes a nivel mundial. 1.2. La fibra óptica como medio de transmisión La fibra óptica se considera por parte de varios autores como una guía de onda dieléctrica a través de la cual se propaga la luz. Está conformada por dos cilindros concéntricos vítreos con diferentes índices de refracción. El cilindro interior se denomina núcleo y el exterior revestimiento, a continuación aparece una capa de pintura acrílica denominada protección primaria utilizada para preservar la integridad de la superficie del revestimiento y garantizar la flexibilidad de la fibra. En la figura 1 se puede apreciar estos elementos.. Figura 1. Corte transversal de una sección de fibra óptica (Fuente: [4]). 1.

(17) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. El núcleo de la fibra presenta un índice de refracción ( n1 ) mayor que el índice del revestimiento ( n2 ) permitiendo que el haz de luz viaje confinado dentro del núcleo basado en el principio de Reflexión Interna Total. La diferencia de los índices de refracción se logra en el proceso de fabricación mediante el dopado de la fibra con elementos químicos como el Indio, el Galio, el Sulfuro de Zinc, el Fluoruro de Magnesio, entre otros. 1.2.1. Formas de clasificación de la fibra óptica Las fibras ópticas pueden clasificarse según los modos de propagación que se definen según las posibles trayectorias que puede tomar la luz en el interior de la fibra. Desde el punto de vista matemático se corresponde con las soluciones particulares de las ecuaciones de Maxwell teniendo en cuenta la geometría del medio [10]. Según el modo de propagación existen dos categorías para clasificar a las fibras ópticas: Fibra óptica multimodo Fibra óptica monomodo Las fibras multimodo son aquellas que pueden transmitir varios rayos de luz describiendo trayectorias diferentes dentro del núcleo, es decir la luz puede viajar en diferentes modos de propagación. Mientras que en las fibras ópticas monomodo el haz de luz solo puede transmitirse en una trayectoria, o sea un único modo de propagación o modo fundamental [13]. Las fibras ópticas también se pueden clasificar según el perfil del índice de refracción. Este no es más que la variación del índice de refracción a lo largo del diámetro de la fibra y se conforma en el proceso de fabricación. Según este criterio se forman dos grupos: Fibra óptica de índice escalonado Fibra óptica de índice gradual Las fibras de índice escalonado son aquellas donde el índice de refracción cambia abruptamente del revestimiento al núcleo. En este tipo de fibra los diferentes modos de propagación llegan al punto final en intervalos de tiempo distintos ocasionando un ensanchamiento del pulso que limita la velocidad de la señal a transmitir. 2.

(18) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. La fibra de índice gradual, que siempre es multimodo, tiene como característica principal el decrecimiento paulatino del índice de refracción del centro del núcleo hacia el revestimiento. Esto propicia que las trayectorias que describen los modos de propagación dentro de la fibra tengan forma sinusoidal, acortando sus diferencias de velocidades lo que reduce el ensanchamiento del pulso. En la figura 2 se muestra los diferentes tipos de fibra óptica así como los modos de propagación de la luz en función del perfil del índice de refracción.. Figura 2. Tipos de fibra óptica (Fuente: [1]). 1.3. Fenómenos a tener en cuenta en la transmisión por fibra óptica Varios son los elementos que limitan el alcance y despliegue de las redes de transporte ópticas. A la hora de realizar un diseño de este tipo de redes es de vital importancia tenerlos en consideración, estos elementos son los siguientes: Atenuación Dispersión No linealidades de la fibra óptica 3.

(19) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. 1.3.1. Atenuación De manera general se puede decir que la atenuación es la pérdida de potencia de la señal al propagarse por la fibra. La atenuación en un enlace a través de la fibra óptica está dada por factores intrínsecos, extrínsecos, defectos en el proceso de fabricación y características del entorno, esto se traduce en pérdidas por absorción, por dispersión y por las curvaturas en la fibra óptica [8]. Para una longitud de onda de trabajo λ, la potencia inicial P y la potencia final P2 , la atenuación de la señal óptica en dB se puede calcular de la siguiente forma: P A(dB )  10 log  P2.    . (1.1). Cuando una onda electromagnética se propaga a través de la fibra se pierde una parte de su energía por el movimiento que induce en las partículas del medio, esta energía se transforma en calor por el rozamiento, a este fenómeno se le denomina absorción. La atenuación por absorción se debe a las propiedades intrínsecas del material, las impurezas de la fibra absorben la energía de la señal óptica haciendo que su potencia vaya disminuyendo a lo largo de una distancia dada. Como resultado de una deficiente eliminación del agua en el proceso de fabricación se originan en la fibra óptica impurezas asociadas a los iones OH  . La acción de estos iones provoca una serie de vibraciones armónicas que generan picos máximos de atenuación en el espectro. El mayor de estos picos se encuentra alrededor de la longitud de onda correspondiente a los 1390 nm [9]. En la actualidad existen fibras comerciales donde se ha logrado reducir la atenuación debido a los iones OH  y se denominan fibras LWP (Low Water Peak). Estas se encuentran estandarizadas bajo la Recomendación G.652.C y D de la UIT. Existe un parámetro en las fibras ópticas que representa las pérdidas en decibeles que se producen por cada kilómetro de cable y se le denomina coeficiente de atenuación (α) expresándose en dB. km. . Para un enlace determinado la atenuación de la potencia de la señal. óptica en función de la distancia L se puede describir de la siguiente forma: 4.

(20) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas.   dP dL. (1.2). Si P es la potencia emitida inicialmente y L es la longitud total de la fibra óptica se puede expresar la potencia P2 como: P2  Pe L. (1.3). Despejando  de la ecuación 1.3 obtenemos la expresión:.  (dB / km)  . 1 P2 ln L P. (1.4). En la figura 3 se puede apreciar el gráfico de atenuación de la fibra óptica en función de la longitud de onda de la señal a transmitir así como las ventanas de trabajo.. Figura 3. Atenuación de la fibra óptica en función de la longitud de onda (Fuente: [27]). Los fabricantes recomiendan valores de  para las fibras monomodo de 0.25 dB tercera ventana de trabajo (1550 nm) y de 0.4 dB. km. km. en la. en la segunda ventana (1310 nm).. Las ventanas de trabajo en la fibra óptica se corresponden con los mínimos que experimenta la característica de atenuación contra longitud de onda. Además la UIT ha definido un conjunto 5.

(21) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. de bandas espectrales que se encuentran en el rango de 1260 nm a 1675 nm conocidas por las letras O, E, S, C, L y U, en la tabla 1 se muestran estas bandas. Tabla 1. Bandas espectrales definidas por la UIT (Fuente: Elaboración propia).. La atenuación es uno de los parámetros físicos de la fibra más importantes a la hora de realizar un diseño de una red de transmisión óptica. Esta limita la distancia a la que se pueden ubicar los nodos dentro de la red. Aunque en la actualidad los valores típicos de atenuación están por debajo de 0.4 dB. km. para aplicaciones de larga distancia puede ser necesario el empleo de. amplificadores ópticos basados en fibras dopadas, siendo los más conocidos los de fibra dopadas con Erbio (EDFA). 1.3.2. Dispersión Al fenómeno que provoca la deformación o ensanchamiento del pulso a medida que se propaga por la fibra óptica se le conoce como dispersión. Esta limita la razón de bits a transmitir así como la distancia entre los nodos. Se produce debido a las diferentes velocidades de propagación de la luz dentro de la fibra óptica provocando un ensanchamiento en el tiempo del pulso transmitido y se expresa en picosegundos por kilómetro. Existen varios tipos de dispersión que afectan los sistemas de transmisión por fibra óptica, las más importantes son: Dispersión Modal Dispersión cromática 6.

(22) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Dispersión por el Modo de Polarización (PMD) En la figura siguiente se muestra el fenómeno de la dispersión de forma general.. Figura 4. Dispersión en la fibra óptica (Fuente: Elaboración Propia). La dispersión modal es típica de las fibras multimodo, se evidencia en el ensanchamiento del pulso asociado a las diferentes velocidades con las que se transmiten los modos dentro de la fibra óptica. Es decir, la potencia de entrada se distribuye entre los diferentes modos y cada uno de ellos necesitará un tiempo para recorrer la longitud de la fibra óptica. No es lineal con la longitud de la fibra y depende de diversos factores como el diámetro de la fibra, la apertura numérica, el perfil del índice, la distancia o longitud del enlace y de las imperfecciones en el revestimiento que provocan variación en la dirección del haz de luz.. Figura 5. Efecto de la dispersión cromática (Fuente: [8]). La dispersión cromática y la Dispersión por el Modo de Polarización (PMD) son las que más afectan a los sistemas basados en la tecnología DWDM. La dispersión cromática es el resultado de la diferencia de velocidad con que se propagan las longitudes de onda dentro de la fibra óptica generando una expansión del pulso y adquiere mayor importancia en las fibras monomodo. En la figura 5 se puede observar el efecto de la dispersión cromática en una sección de fibra óptica. 7.

(23) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Existe un coeficiente de dispersión cromática D que se expresa en ps / nm  km y define el retardo del grupo del pulso de luz por unidad de longitud de la fibra óptica para una longitud de onda determinada. Este coeficiente se especifica para cada tipo de fibra en un rango determinado de longitudes de onda. El efecto de la dispersión cromática es una cuestión a tener en cuenta a velocidades superiores a los 10 Gbps debido al ancho de banda requerido. Este parámetro puede corregirse para alcanzar mayores distancias y aumentar las razones de bits a transmitir mediante el empleo de fibras con dispersión mínima en la banda de trabajo C, con dispersión desplazada, con dispersión desplazada no nula o con el uso de módulos compensadores de dispersión (DCM). Las fibras mencionadas anteriormente se encuentran estandarizadas bajo las Recomendaciones G.653, G.654, G.655 y G.656 de la UIT.. Figura 6. Efecto de la PMD a la señal óptica (Fuente [8]). Otro efecto de la dispersión que degrada severamente la transmisión a altas velocidades es la Dispersión por el Modo de Polarización (PMD). En la figura 6 se puede apreciar los modos de polarización de la luz en las fibras monomodo, estos son perpendiculares entre sí. La componente en uno de los ejes se mueve de manera más rápida que la del otro provocando una deformación del pulso debido a asimetrías en el núcleo de la fibra resultantes del proceso de fabricación o por tensiones externas, a este fenómeno se le conoce como Dispersión por el Modo de Polarización (PMD) y se expresa en picosegundos  ps  . Para un ancho del pulso óptico suficientemente pequeño el efecto de la PMD se puede apreciar en una separación del impulso inicial en dos con diferentes estados de polarización, a este fenómeno se le denomina PMD de primer orden. Los estados principales y el retardo de grupo 8.

(24) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. diferencial (DGD) varían de forma estadística en el tiempo. El valor medio del DGD se toma como medida de la PMD [8]. El retardo de grupo por unidad de longitud se conoce como coeficiente PMD de la fibra óptica y su unidad de medida es ps / km . La relación entre el retardo introducido por la PMD y la longitud de la fibra óptica no es lineal en enlaces de larga distancia debido al fenómeno de acoplamiento de modos. Este fenómeno se pone de manifiesto cuando la longitud del enlace óptico es mayor que la longitud de correlación o de acoplamiento. La longitud de correlación se define como la longitud en la cual la potencia media en el modo de polarización ortogonal está dentro de 1 / e 2 de la potencia de la señal de entrada [11]. El efecto del acoplamiento de modos se materializa en una dependencia de la PMD con la raíz cuadrada de la longitud de la fibra óptica. La limitación inducida por la PMD se puede estimar de la siguiente forma: B 2 L  0.02. (1.5). PMD 2. En la ecuación anterior B corresponde a la tasa binaria en Gbps, L es la longitud de la fibra óptica en kilómetros y la PMD es el valor típico para cada tipo de fibra y se expresa en ps / km .. En la actualidad las fibras ópticas tienen bajos coeficientes de dispersión por el modo de polarización (PMD). La fibra G.652, en todas sus variantes, cuenta con un valor de PMD típico de 0.2 ps / km , inferior al 0.5 ps / km que presenta la G.655, esta con mayor índice de refracción. La PMD es mucho más difícil de compensar que la dispersión cromática debido a que cambia de forma aleatoria con el tiempo y la longitud de onda. Para solucionar este problema se deben utilizar técnicas de modulación más eficientes. 1.3.3. No linealidades en la fibra óptica Además de la PMD existe otra serie de efectos no lineales en la fibra óptica que atentan contra la calidad de la transmisión y el alcance de los enlaces. A diferencia de la atenuación y la dispersión que pueden ser compensados, los efectos no lineales son acumulativos, estos son producto principalmente de los altos valores de potencia de la señal o señales ópticas y la 9.

(25) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. pequeña área efectiva de la fibra óptica. Los efectos no lineales pueden traer grandes limitaciones a los sistemas de transmisión si se incrementan los canales ópticos a transmitir por la fibra y sus niveles de potencia. Las no linealidades se dividen en la bibliografía consultada en dos categorías: las asociadas al fenómeno del índice de refracción (Efecto Kerr) y las vinculadas a la dispersión estimulada [12]. En el primer grupo están aquellas que provocan modulación de fase por la variación de los índices de refracción, estas son: Auto modulación de Fase (SPM) Modulación Cruzada de Fase (XPM) Mezclado de Cuatro Ondas (FWM) La segunda categoría está conformada por aquellas no linealidades que producen una pérdida de potencia de la señal óptica, ellas son: Dispersión estimulada Raman (SRS) Dispersión estimulada Brillouin (SBS) En los sistemas WDM las no linealidades que más incidencia tienen en su desempeño son aquellas que se producen por la variación del índice de refracción en función de la potencia de la señal óptica a transmitir, este fenómeno es conocido como efecto Kerr. Tal es el caso de la Automodulación de Fase (SPM), esta origina un ensanchamiento del pulso debido a su propia intensidad, el cual de conjunto con la dispersión material puede ampliarse o comprimirse dependiendo de la región de dispersión donde interactúen la SPM y la Dispersión de Velocidad de Grupo (GVD) [11]. Otro caso es la Modulación Cruzada de Fase (XPM), la cual se presenta cuando a través de la fibra transitan varias señales a diferentes longitudes de onda (WDM). En la XPM se produce un desplazamiento de fase en una señal óptica inducido por las otras longitudes de onda que se propagan por la fibra trayendo consigo un cambio en el espectro. El desplazamiento resultante depende de la potencia de todos los canales ópticos y de sus patrones de bits. 10.

(26) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. La no linealidad que más afecta los sistemas WDM es la Mezcla de Cuatro Ondas (FWM). Este es un fenómeno de interferencia que produce señales no deseadas a partir de tres señales o portadoras ópticas diferentes. Considerando tres portadoras con frecuencias  i ,  j y  k que se propagan por una fibra óptica, estas pueden interactuar y generar nuevas portadoras con frecuencias según la ecuación:.  ijk   i   j   k. (1.6). Para un sistema WDM de M canales el número máximo posible de portadoras resultantes N del efecto del FWM se define mediante la expresión: N. 1 2 M M  1 2. (1.7). Como los sistemas WDM tienen igual espaciamiento en frecuencia las nuevas portadoras generadas tendrán el mismo espaciamiento que las del sistema original, ocurriendo una superposición de estas provocando interferencias y diafonía que degradan la calidad de la señal, este es el principal efecto negativo de la mezcla de cuatro portadoras (FWM). Este problema se puede resolver aumentando el espaciamiento entre canales o disminuyendo la potencia de las longitudes de onda a transmitir por la fibra óptica. En la figura 7 se observa el efecto del FWM para un sistema WDM de tres longitudes de onda.. Figura 7. Efecto del FWM para tres portadoras (Fuente: [10]). 11.

(27) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. El efecto del FWM aumenta con la longitud de la fibra y es mayor en aquellas con la dispersión desplazada, a diferencia de las fibras ópticas estándar, por los bajos valores de dispersión que presentan. La dispersión cromática hace que las longitudes de onda se propaguen con velocidades diferentes reduciendo el efecto del FWM. 1.4. Tipos de fibra óptica especificados por la UIT La UIT ha definido dentro de la Serie G las recomendaciones con las características geométricas, mecánicas y los atributos de transmisión para los diferentes tipos de fibras ópticas existentes. Estas recomendaciones han evolucionado en el tiempo a la par del desarrollo tecnológico para permitir una estandarización entre los fabricantes y operadores de telecomunicaciones además de sentar las bases para el surgimiento de nuevas aplicaciones. En la recomendación G.651.1 queda recogido lo concerniente a las fibras multimodo con índice gradual para aplicaciones en las redes de acceso ópticas. Esta fibra se utiliza para la transmisión de señales de servicios de banda ancha en las regiones de 850 nm y 1300 nm a cortas distancias. 1.4.1. Fibra Monomodo Estándar (G.652) La primera recomendación que recoge las características de una fibra óptica monomodo es la G.652, a esta se le conoce como la fibra monomodo estándar (SMF). Es la más barata y fue la primera que se desplegó en las redes públicas para la transmisión de señales, representa el mayor por ciento de las fibras instaladas a nivel mundial. La G.652 es la fibra instalada en la red nacional de fibra óptica de Cuba. Sus principales aplicaciones se encuentran en las redes metropolitanas, de acceso y en los sistemas SDH / SONET tradicionales. Inicialmente no estaba optimizada para los sistemas DWDM. Esta fibra presenta dispersión nula en la región de los 1300 nm, en los inicios fue optimizada para su uso en la ventana de 1310 nm, luego se extendió su utilización hacia la ventana de los 1550 nm. En esta región la atenuación es cerca de un 40 % menor que en los 1310 nm, pero la dispersión cromática es alta (18 ps / nm  km ) por lo que en sistemas de transmisión a altas velocidades es necesario compensarla mediante el empleo de DCM.. 12.

(28) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. La fibra G.652 ha evolucionado para permitir su empleo en sistemas de transmisión con altos desempeños. La mejora de algunas características físicas y otros parámetros ha permitido su división en 4 categorías denotadas con las letras A, B, C y D. La principal diferencia entre ellas radica en los valores específicos del coeficiente de Dispersión por el Modo de Polarización Estadístico ( PMDQ ) y en la reducción de la atenuación introducida por los iones. OH  formando las fibras Low Water Peak (G.652 C y D). Este tipo de fibras permite aplicaciones en todo el espectro de la fibra óptica, ejemplo de estas es la Multiplexación por División de Longitud de Onda Aproximada (CWDM). Para los sistemas DWDM, el alto valor de dispersión cromática que presenta esta fibra en 1550 nm reduce el efecto de no linealidades como el FWM y el XPM. Por tanto la G.652 puede utilizarse en enlaces DWDM hasta 10 Gbps con un espaciado entre canales de 50 GHz y 25 GHz [18]. Para velocidades de 40 Gbps y superiores se agudizan los efectos de las no linealidades y es necesario utilizar otras técnicas avanzadas de modulación. 1.4.2. Fibra Monomodo con dispersión desplazada (G.653) La fibra G.653 tiene la longitud de onda nominal con dispersión nula cercana a los 1550 nm y un coeficiente de dispersión que se incrementa a medida que aumenta la longitud de onda [18]. Inicialmente se diseñó para transmitir un canal con alta razón de bits a largas distancias en la ventana de los 1550 nm donde la atenuación es mínima y desplazando la longitud de onda de dispersión nula de la fibra G.652 hacia esa ventana mediante la modificación geométrica del perfil del índice de refracción [9]. Se encuentra disponible comercialmente desde el año 1985 y es hasta tres veces más cara que la G.652. La fibra con dispersión desplazada está optimizada para utilizar la región de los 1550 nm aunque se puede utilizar en aplicaciones en los 1310 nm. Se divide en dos categorías A y B que se distinguen por el valor del coeficiente PMDQ , el coeficiente de dispersión cromática, los parámetros geométricos y las especificaciones sobre las pérdidas por macro curvaturas. En la G.653 A la dispersión nula se encuentra en el rango de longitudes de onda entre 1525 nm y 1575 nm, esto permite el buen desempeño de los sistemas de un solo canal óptico. Su área efectiva reducida y la dispersión nula a las longitudes de onda de emisión incrementan el 13.

(29) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. efecto perjudicial del Four Wave Mixing (FWM) por lo que no soporta los sistemas DWDM en la banda de trabajo C. Por otra parte, la G.653 B presenta mayores requerimientos de PMD permitiendo a los sistemas a 40 Gbps alcanzar distancias superiores a los 400 km. Esta categoría soporta aplicaciones CWDM entre 1460 nm y 1625 nm. Esta fibra óptica casi ha desaparecido totalmente del mercado. Su mayor despliegue fue en países como Japón, Italia y algunos de Centro y Sudamérica. Debido al pobre desempeño en los sistemas de transmisión de banda ancha y en el DWDM la mayoría de los operadores lanzaron una campaña para reemplazarla progresivamente. 1.4.3. Fibra Monomodo con corte desplazado (G.654) La fibra G.654 es un caso especial de fibra monomodo. Está optimizada para la transmisión de señales en el rango de 1530 nm a 1625 nm. Introduce poca atenuación debido a que el núcleo está constituido por sílice pura lo que hace el proceso de fabricación más caro que para las demás fibras. Es poco utilizada a nivel internacional. Debido a su mayor longitud de onda de corte las pérdidas por macro curvaturas son menores. Esto junto a los bajos valores de atenuación permiten su empleo en enlaces submarinos y en larga distancia con sistemas de un solo canal óptico. El diámetro del núcleo es mayor que en las demás fibras monomodos con valores que oscilan entre 9.5 μm y 10.5 μm. Esta fibra presenta altos valores de dispersión cromática en los 1550 nm (22 ps / nm  km ) mientras que la longitud de onda nominal con dispersión nula se encuentra alrededor de los 1300 nm. Se divide en tres categorías: A, B y C. La categoría B por tener mayor diámetro del campo modal y requerimientos de PMD reducidos puede utilizarse en sistemas submarinos WDM con amplificadores ópticos. 1.4.4. Fibra Monomodo con dispersión desplazada no nula (G.655) Este tipo de fibra monomodo tiene un valor absoluto de dispersión cromática mayor que cero desde 1530 nm hasta 1565 nm. La longitud de onda nominal con dispersión nula se encuentra fuera de la ventana de trabajo lo que reduce el impacto de los efectos no lineales, fundamentalmente el FWM, que deterioran la calidad de los sistemas DWDM. La fibra G.655 14.

(30) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. se encuentra optimizada para la operación entre los 1500 nm y los 1600 nm y es dos veces más cara que la G.652. La fibra G.655 tiene un área efectiva mayor que la G.653 aceptando longitudes de onda con mayores niveles de potencia, además garantiza una mayor relación señal a ruido [19]. Existen dos tipos de fibra dentro de esta recomendación: la fibra con dispersión desplazada no nula positiva (+NZDSF) y negativa (–NZDSF). En el primer caso la pendiente de la característica de la dispersión aumenta con la longitud de onda y en la –NZDSF decrece. El uso combinado de este tipo de fibras permite compensar la dispersión acumulada en los enlaces de una red de transporte óptico. La recomendación G.655 define cinco categorías para este tipo de fibra: A, B, C, D y E. Sus principales aplicaciones están en redes de transporte submarinas y terrestres de larga distancia, permite el buen desempeño de los sistemas DWDM con amplificadores en las bandas C y L. La fibra más utilizada en las redes DWDM es la G.655 / +NZDSF. A pesar de que el coeficiente de dispersión pueda cambiar de signo para longitudes de onda menores que 1530 nm se puede emplear esta fibra en sistemas CWDM [9]. En la figura 8 se observa las características de dispersión con respecto a la longitud de onda para cada una de las fibras monomodo.. Figura 8. Curvas de dispersión cromática contra longitud de onda para las fibras monomodo (Fuente: [18]). 15.

(31) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. 1.4.5. Fibra Monomodo con dispersión no nula para transporte de banda ancha (G.656) Esta fibra monomodo fue estandarizada en el año 2004 por la UIT para satisfacer los requerimientos de los sistemas de transmisión de banda ancha. Presenta dispersión cromática mayor que cero en el intervalo 1460 nm – 1625 nm correspondiente a las bandas S, C y L del espectro de la fibra óptica, mayor que en el caso de la fibra G.655. Los valores típicos del coeficiente de dispersión en este rango son de 2 a 14 ps / nm  km . Esta dispersión reduce el impacto de los efectos no lineales para los sistemas DWDM, tanto del FWM como de la Modulación Cruzada de Fase (XPM). Esta fibra conocida como NZD Wideband puede utilizarse en sistemas CWDM en redes metropolitanas y en redes de larga distancia DWDM en las bandas S, C y L con amplificación EDFA y Raman. El pequeño valor de la PMD de la fibra G.656 permite la operación de los sistemas a 10 Gbps a una distancia de hasta 2000 km. en dependencia de otros elementos del sistema [17]. La fibra G.656 garantiza la transmisión de canales ópticos a velocidades superiores a los 10 Gbps en los sistemas CWDM y DWDM a diferencia de la G.652. Su baja atenuación en la tercera ventana de trabajo y el coeficiente de dispersión mayor que cero dentro de un rango tolerable e inferior a los otros estándares, permiten reducir los costos por la introducción de elementos amplificadores y compensadores en enlaces de larga distancia, por lo que resulta ser la opción más favorable para el despliegue de los sistemas DWDM. En el anexo A se encuentran las características físicas de los diferentes tipos de fibra óptica monomodo más utilizadas, recogidas en los estándares G.652, G.653, G.655 y G.656, así como de la fibra multimodo G.651.1. 1.5. Emisores y filtros ópticos 1.5.1. LED y Láser Los emisores ópticos más utilizados en las redes de telecomunicaciones son los diodos emisores de luz (LED) y los láseres. Ambos se fabrican a partir de materiales semiconductores y presentan estructuras con características similares, pero difieren en la forma de emitir la luz y en su desempeño. 16.

(32) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Un LED es una unión p – n la cual emite luz mediante una emisión espontanea cuando se aplica un voltaje de polarización entre sus terminales, este fenómeno es conocido como electroluminiscencia. Los LED tienen baja potencia de transmisión con valores típicos de -20 dBm , sus precios son relativamente bajos y tienen un amplio ancho espectral entre 50 y 70. nm, esto hace que el producto razón de bits – distancia se limite considerablemente con la dispersión de la fibra óptica. Existen dos tipos de LED: LED de superficie LED de perfil Los LED de superficie emiten la luz a través del área de la zona activa mientras que en los de perfil la luz se genera en la sección transversal del elemento permitiendo una mayor direccionalidad del haz. Las mayores aplicaciones de los emisores LED en las redes de telecomunicaciones se pueden encontrar en enlaces de corta y mediana distancia sobre fibras multimodo en la primera (850 nm) y en la segunda ventana (1310 nm) debido a su baja eficiencia de acoplamiento que está en el orden del 2 % [14]. La invención del láser y su demostración práctica data de la década del 60 del siglo XX. Es un dispositivo que genera un haz de luz coherente mediante una emisión estimulada. Este haz es emitido con una gran potencia que oscila entre valores de 0 y 20 dBm en longitudes de onda desde 780 nm hasta 1650 nm en dependencia del material empleado en la fabricación y la geometría de la cavidad del láser [9]. Tienen poco ancho espectral y acoplan una cantidad significativa de potencia óptica en la fibra, su eficiencia de acoplamiento es del 50 %. Los láseres más utilizados en las redes de comunicaciones ópticas son: Láser semiconductor Láser de fibra El láser semiconductor está conformado por una unión p – n, es compacto en el orden de los micrómetros y es el más empleado. Los de fibra están compuesto por una fibra dopada con 17.

(33) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Erbio y un láser semiconductor como fuente de bombeo, se emplean mayormente para generar trenes de pulsos ópticos. Existen varios tipos de láser entre ellos se encuentran: Láser Fabry – Perot Láser Semiconductor con Realimentación Distribuida (DFB) Láser DFB Multisección Láser de Emisión Superficial con Cavidad Vertical (VCSEL) El láser Fabry – Perot emite un haz de luz en varios modos longitudinales. Los modos vecinos a cada lado del modo principal contienen una parte importante de la potencia del láser en conjunto con el modo principal. A este tipo se le denomina Láser de Modo Longitudinal Múltiple (MLM). Para este tipo de emisor cada modo se propaga dentro de la fibra con diferentes velocidades debido al fenómeno de la dispersión, limitando las razones de bits a transmitir por kilómetros. El láser con Realimentación Distribuida (DFB) se diseña para que la potencia óptica de transmisión en los modos secundarios sea el 1 % de la del modo principal, a este tipo de láser se le conoce como de Modo Longitudinal Simple (SLM). El láser DFB se produce comercialmente con longitud de onda de trabajo en los 1550 nm y se emplean generalmente en los sistemas de comunicaciones ópticas que operan a 2.5 Gbps o velocidades superiores. Otro de los dispositivos semiconductores emisores de luz estimulada es el Láser de Emisión de Superficie con Cavidad Vertical (VCSEL). Este emite el haz de luz perpendicular a la superficie con potencia cercana a los 10 mW, es del tipo SLM y tiene un ancho espectral de aproximadamente 1 nm. Su longitud de onda central está cercana a los 850 nm, aunque ya hay aplicaciones en los 1310 nm, su principal aplicación es en redes de área local y en aplicaciones de corta distancia. El VCSEL exhibe gran desempeño, es barato y de tamaño pequeño. Es de fácil fabricación y su estructura hace posible que se integre en arreglos bidimensionales, además se destaca por su alta eficiencia de acoplamiento a la fibra [1] [14].. 18.

(34) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Existen además los láseres sintonizables empleados fundamentalmente en las redes WDM. Dentro de esta categoría se encuentran entre otros el láser DFB Multisección y el láser DBR (Reflector de Bragg Distribuido) Multisección. Estos dispositivos son SLM, generan un pulso estrecho con gran estabilidad y presentan características de sintonía continua sobre un amplio rango de longitudes de onda, generalmente entre 35 y 40 nm [9]. En el anexo B se puede apreciar una tabla comparativa entre los emisores LED y láser así como una gráfica con sus características espectrales. 1.5.2. Filtros ópticos Un filtro óptico es un dispositivo capaz de seleccionar una o varias longitudes de onda y discriminar el resto de la banda que está fuera de su rango de operación. Se utilizan principalmente en la eliminación del ruido introducido por elementos como los amplificadores ópticos, además de ecualizar su respuesta. Se emplea también en la selección de los canales en los sistemas WDM. Existen varias técnicas de filtrado óptico, entre las más empleadas se encuentran: Filtros dieléctricos: formados por capas en las cuales cada longitud de onda se filtra mediante un conjunto de capas diferentes. La disposición de estas capas es la que permite que el filtro trabaje a una longitud de onda específica Rejilla de difracción Bragg: es un arreglo de líneas finas paralelas o ranuras de reflexión juntas entre si dentro de una guía de onda (fibra óptica) colocados en ranuras en forma de V, para dispersar la luz de acuerdo a su longitud de onda. El número de líneas paralelas y su espaciamiento determina la cantidad de canales en un sistema de transmisión Los filtros dieléctricos o filtros ópticos fijos se utilizan en los sistemas tradicionales de transmisión por fibra óptica. Los basados en la rejilla de difracción Bragg se desempeñan como filtros sintonizables. Estos brindan flexibilidad al operador de escoger el rango de longitudes de onda de trabajo (rango sintonizable) y son elementos claves para la transmisión y enrutamiento de señales WDM. Los más empleados son los Filtros de Película Fina (TFF), los Arreglos de Guías de Onda (AWG) y los Fiber Bragg Grating (FBG). 19.

(35) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Los TFF están compuestos de una cavidad formada por una película fina que actúa como reflector. La longitud de onda o el grupo de estas que serán seleccionadas dependen de la extensión de la cavidad. Estos filtros se construyen alternando capas de un ancho de ¼ de longitud de onda con índices de refracción alto y bajo formando la cavidad de resonancia. Comercialmente se encuentran disponibles filtros TFF para una sola longitud de onda y pasabanda óptica. Los Arreglos de Guías de Onda (AWG) consisten en varias guías de onda de diferentes longitudes que convergen en un mismo punto. Físicamente son dos acopladores unidos por un conjunto de guías de onda describiendo un arco. Las guías de onda se diseñan de forma tal que haya una diferencia constante de longitud de trayecto óptico entre guías adyacentes conformando una rejilla [15]. En la figura 9 se representa el esquema de un dispositivo AWG.. Figura 9. Esquema de un filtro AWG (Fuente: [4]). Cuando una señal óptica incide en uno de los puertos de entrada de un dispositivo AWG se divide repartiéndose la potencia entre las guías de onda. Puesto que las guías de onda tienen diferentes longitudes cuando las señales arriban al puerto de salida se conforma un patrón de interferencia destructiva o constructiva. Cuando una señal WDM incide en uno de los puertos de entrada esta se divide en diferentes señales de salida de ahí su utilización en la fabricación de multiplexores y demultiplexores en los sistemas WDM. Existen otros tipos de filtros ópticos entre los que se encuentran: Fabry – Perot, Mach – Zehnder y el filtro Acústico – Óptico. En el anexo B se describen estos tipos de dispositivos. 20.

(36) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. A la hora de seleccionar un filtro óptico para una aplicación determinada se deben tener en cuenta el ancho espectral y el espaciamiento de línea que este posee. El ancho espectral determina la banda de frecuencias o longitudes de onda que pueden pasar a través del filtro y el espaciamiento se corresponde con la distancia en unidades de longitud de onda (nm) o en frecuencia (GHz) entre dos canales adyacentes. Varias son las características que deben tener los filtros ópticos para garantizar un buen desempeño en las redes de transporte óptica. Las pérdidas por inserción deben ser lo suficientemente bajas para contribuir lo menos posible a la penalización del enlace. El filtro debe ser independiente del estado de polarización de la señal de entrada. La banda de paso debe ser plana en aras de evitar la distorsión de la señal e inmune a las variaciones de temperatura ambiente. La banda de transición de la respuesta debe ser abrupta para evitar la diafonía de los canales adyacentes. También es importante hacer un análisis de los costos de los filtros ópticos a emplear [15]. 1.6. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas El escenario de las telecomunicaciones en nuestros días está marcado por una creciente demanda de ancho de banda dada la explosión de servicios triple y cuatro play (voz, datos, video y telefonía móvil) y el incremento en el número de usuarios de Internet a nivel mundial. Esto ha exigido a los operadores de telecomunicaciones una mayor eficiencia en términos de optimización de recursos y prestaciones de sus redes. Se espera que en un futuro inmediato esta tendencia continúe debido al fuerte incremento del tráfico de datos sobre el de voz, cabe destacar que mientras el tráfico de voz crece en un 13 % anualmente, el de datos lo hace entre un 7 y un 20 % de manera mensual. Según el reporte anual publicado por el sitio www.internetworldstats.com los usuarios de Internet a nivel mundial superan los 1600 millones, las líneas telefónicas fijas se encuentran alrededor de los 1400 millones y los subscriptores de banda ancha fija superan los 580 millones. Desde el año 2000 hasta la fecha ha crecido en un 480.4 % los usuarios de Internet llegando a una penetración en la población de un 30.4 %. En la figura 10 se puede observar el comportamiento de los sectores fijos, móvil y de datos e Internet hasta el 2010 y una estimación hasta el 2014. 21.

(37) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Figura 10. Mercado de las telecomunicaciones a nivel mundial (Fuente: [5]). Todo este crecimiento y la necesidad urgente de ancho de banda ha resaltado algunos inconvenientes de la arquitectura tradicional de cuatro capas de las redes de transporte, ellos son: Aún con el aumento de la capacidad que ofrecen los sistemas basados en WDM los nodos continúan utilizando conmutación electrónica y no en el dominio óptico La matriz de cross – conexiones de la SDH presenta problemas a la hora de realizar la escalabilidad a altas velocidades Estas matrices tienen un límite de puertos por lo que se deben acoplar o hacer arreglos de estas en aras de aumentar la capacidad trayendo consigo más complejidad en la operación Cada una de las capas tiene su plano de control y de gestión independiente lo que eleva el costo de la operación Baja eficiencia en el uso del ancho de banda debido a las cabeceras ATM y SDH 22.

(38) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Estas deficiencias conllevan a que los operadores migren a redes donde el protocolo IP sea el sustrato para el intercambio de información y permita dotar a la red de cierta inteligencia. Por lo tanto el desarrollo de las redes de transporte óptico se está moviendo de una topología de red de transmisión pura a una red de valor añadido. Para la red de transmisión pura los operadores centran sus esfuerzos en factores como la distancia, la velocidad y la capacidad mientras que para la red de valor añadido se centran en la posibilidad de explotar las capacidades de multiservicio, la alta eficiencia en el uso de los recursos y la inteligencia de la red. En la figura 11 se puede observar cómo han ido evolucionando las redes de transporte hacia una red de transporte óptica inteligente. De ella se puede concluir que el modelo al cual tiende las redes de transporte ópticas está compuesto por dos capas. Este modelo se basa en el protocolo GMPLS sobre una capa en la cual juega un papel determinante el estándar OTN (Optical Transport Network) para la transmisión y enrutamiento de las señales entre los diferentes nodos que conforman la red.. Figura 11. Evolución de las redes ópticas (Fuente: Elaboración propia). En este tipo de red el enrutamiento y la conmutación se realizan a nivel óptico (longitudes de onda) mediante los denominados Optical Cross Connect (OXC). La principal característica de este modelo es la independencia que presenta con respecto a las redes de transporte, o sea al sistema de multiplexación eléctrico que tiene lugar en las capas superiores [6]. 23.

(39) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. Además de este modelo existen otros con menos nivel de integración, tal es el caso de la arquitectura IP / GMPLS / SDH. Esta se basa en la evolución de la tecnología SONET / SDH, se realiza la conmutación en el plano eléctrico y el enrutamiento en el dominio óptico, o sea utilizando los protocolos tradicionales para este tipo de redes. Lo nuevo en este modelo es el descubrimiento de la red, cumple con las funciones de protección que define ASON (Automatic Switched Optical Network) para los servicios y presenta facilidades en cuanto a la gestión, todo esto permite mejorar el uso del ancho de banda disponible. Otro de los modelos, pero este menos popular, es el que adiciona la capa WDM a la arquitectura IP / GMPLS / SDH. Aquí la capa WDM solamente se explota en aras de aumentar la capacidad de los enlaces y hacer un mejor aprovechamiento del ancho de banda proporcionado por la fibra óptica. La inmensa mayoría de los fabricantes apuestan por el primer modelo aquí expuesto. Prueba de esto es que las soluciones WDM / OTN crecieron en el último cuarto del 2011 en un 8 % (3.6 billones de dólares), terminando el año con un crecimiento total de un 9 %. De manera general las soluciones SONET / SDH disminuyeron un 6 % y las WDM crecieron un 22 %. Entre las empresas más destacadas a nivel mundial se encuentran Huawei con un crecimiento en el año de un 35 %, seguida por Alcatel – Lucent con un 20 % y Ciena un 10 % [16].. Figura 12. Proveedores de equipos de transmisión óptica a nivel mundial (Fuente: [7]). 24.

(40) Capítulo 1. La fibra óptica y sus características. Evolución y tendencias de las redes de transporte ópticas. En el mercado de las telecomunicaciones ópticas en general, Ciena, Alcatel – Lucent y Huawei ocupan los tres primeros puestos, este último es el principal proveedor de equipos de telecomunicaciones a Cuba. En la figura 12 se puede apreciar una gráfica de la demanda por fabricante en porciento en el mercado de las comunicaciones ópticas. 1.7. Conclusiones Las redes de transporte ópticas son las más difundidas a nivel mundial, estas abarcan desde las redes de larga distancia, pasando por el entorno metropolitano y con cierta influencia en las capas de acceso. Dado el gran incremento del tráfico de datos con respecto al de voz y a la gran cantidad de aplicaciones que involucran cada vez más las señales de video se necesita un mayor ancho de banda disponible en las redes de transporte y un uso más eficiente del medio de transmisión para lograr altas velocidades. Los sistemas tradicionales de transporte de señales tienen una serie de inconvenientes para hacer frente a las nuevas tendencias del tráfico. La conmutación en el dominio eléctrico en los nodos, la poca escalabilidad a altas velocidades, la complejidad y el costo elevado de la operación y el mantenimiento, además de la baja eficiencia en el uso de los recursos hacen que las redes migren a modelos basados en el protocolo IP sobre las redes DWDM y el estándar OTN. Fabricantes como Ciena, Alcatel – Lucent y Huawei han sacado al mercado soluciones interesantes sobre este modelo que se encuentran desplegados a nivel mundial en redes de larga distancia y metropolitanas.. 25.