Diseño, análisis y simulación de enlaces ópticos que utilizan Multiplexación por División en Longitudes de Ondas a través de la práctica de laboratorio

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño, análisis y simulación de enlaces ópticos que utilizan Multiplexación por División en Longitudes de Ondas a través de la práctica de laboratorio Autor: Aniel López Pérez Tutor: MSc. PA. Ing. José Domínguez Hernández. Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño, análisis y simulación de enlaces ópticos que utilizan Multiplexación por División en Longitudes de Ondas a través de la práctica de laboratorio Autor: Aniel López Pérez [email protected]. Tutor: MSc. PA. Ing. José Domínguez Hernández [email protected]. Cotutor: Osmany Domínguez Gómez [email protected]. Santa Clara 2014 "Año 56 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado 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 Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. “Lo más auténtico de nosotros es nuestra capacidad de crear, de sobreponernos, de soportar, de transformar, de amar, de ser más grandes que nuestro sufrimiento.” (Anónimo).

(5) ii. DEDICATORIA. A los Dioses de mi pecho, los guardianes de mi futuro y mis sueños; mis abuelos, Cira y Ramón..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis abuelos y a mi mami que me han dado la vida. A ellos me debo con toda la fuerza de mi amor, por hacer por mí más que por ellos. A mi tío Rolando por su esfuerzo incondicional, por acompañarme sin excusas. A Aldelio por decir más en silencio. A Eneida y Amanda por hacer mi vida más fácil, por creer en mí sin vacilar, por darme más de lo que tienen, por mostrarme la luz y que debo ir tras ella, por hacerme suyo. A Alain, mi amigo de estos cinco años y para todo la vida; por resistir mis errores, mis disgustos, mis noches de desvelo, mis exigencias, por cuidarme, por estar ahí. A mi gordi, a Lore; por quererme tanto y sin molestar, por ser ella y yo. A mi profesor Pepe de quien soy un alumno eterno; por su disposición, por su amabilidad, por su paciencia, por su confianza, por aprender más de él que en cualquier libro, por sus enseñanzas. A Alberto por ayudar a la familia sin vacilar. A la familia del barrio: Lisbet, Índiri, Lily, Belkis, Julio, Victa, Cucú. A todos los que me han dado un consejo, una ayuda, a todos los que me deseen éxitos y el bien, a todo el que se identifique con mi felicidad..

(7) iv. RESUMEN. En este trabajo de diploma se realiza un estudio de las características principales de la multiplexación por división en longitudes de ondas, de los componentes básicos de un sistema de este tipo y de sus ventajas con respecto a otros sistemas multiplex tradicionales. Se utiliza la herramienta de simulación OptiSystem de Optiwave que ofrece amplias posibilidades para el diseño y la valoración del desempeño de los sistemas de multiplexación de longitudes de ondas basándose en el comportamiento de sus parámetros de calidad: factor de calidad, relación señal a ruido óptica y la probabilidad de error de bits. Se implementan cuatro prácticas de laboratorio virtuales para diseñar, analizar y simular sistemas de multiplexación por división en longitudes de onda, según la influencia que tienen sobre la calidad del sistema el tipo de fibra óptica empleada, la longitud de la fibra óptica, la codificación de línea y la cantidad de canales multiplexados. Se experimenta con estos parámetros y se arriba a conclusiones basadas en los resultados gráficos y cuantitativos obtenidos gracias a los componentes de visualización que brinda OptiSystem..

(8) v. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN. POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDAS ................................................................ 4 1.1 Caracterización general de la WDM ............................................................................ 4 1.2 Tipos de WDM .............................................................................................................. 6 1.3 Componentes básicos y parámetros fundamentales de los enlaces WDM ................... 8 1.3.1 Fuentes ópticas ...................................................................................................... 9 1.3.1.1 Parámetros fundamentales del transmisor ................................................... 11 1.3.2 Multiplexores y demultiplexores ópticos ............................................................. 11 1.3.3 Medio de transmisión........................................................................................... 12 1.3.4 Acopladores ......................................................................................................... 18 1.3.5 Amplificadores ópticos ........................................................................................ 19 1.3.6 Atenuadores ......................................................................................................... 22 1.3.7 Detectores ............................................................................................................ 22 1.3.7.1 Parámetros fundamentales del receptor ....................................................... 23.

(9) vi 1.4 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 24 CAPÍTULO 2.. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN ........................................................ 26. 2.1 Introducción a OptiSystem.......................................................................................... 26 2.1.1 Entorno de trabajo ............................................................................................... 26 2.1.2 Modificar los parámetros globales de una simulación ....................................... 28 2.1.3 Construir un sistema ............................................................................................ 30 2.1.4 Simular un sistema ............................................................................................... 30 2.1.5 Librerías de instrumentos virtuales y de componentes ........................................ 31 2.2 Escenarios de simulación ........................................................................................... 34 2.2.1 Escenario de simulación 1. Transmisor y receptor WDM. Influencia del tipo de fibra óptica empleada en la BER .................................................................................. 35 2.2.2 Escenario de simulación 2. Influencia de la longitud de la fibra en los parámetros de calidad del sistema ............................................................................... 38 2.2.3 Escenario de simulación 3. Influencia del código de línea en los parámetros de calidad del sistema........................................................................................................ 40 2.2.4 Escenario de simulación 4. Influencia de la cantidad de canales multiplexados en los parámetros de calidad del sistema ..................................................................... 43 2.3 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 43 CAPÍTULO 3.. COMPARACIÓN E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS ... 44. 3.1 Análisis del escenario de simulación 1 ....................................................................... 44 3.2 Análisis del escenario de simulación 2 ....................................................................... 52 3.3 Análisis del escenario de simulación 3 ....................................................................... 56 3.4 Análisis del escenario de simulación 4 ....................................................................... 61 3.5 Conclusiones del capítulo ........................................................................................... 66 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 68.

(10) vii Conclusiones ..................................................................................................................... 68 Recomendaciones ............................................................................................................. 69 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 70 GLOSARIO .......................................................................................................................... 72.

(11) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. En la actualidad el desarrollo de la informatización y de las telecomunicaciones ha influido decisivamente en el desarrollo de las relaciones sociales debido a la difusión de la información y a la interacción de los miembros de las distintas sociedades del mundo. Este proceso de intercambio no surge al azar. Es el resultado del trabajo de grandes científicos e ingenieros que dedican años de su vida al desarrollo de la ciencia y de la tecnología. La percepción de los resultados científico-tecnológicos en última instancia no revela el esfuerzo realizado para la creación, pero es motivo para la satisfacción profesional de sus creadores; así que el no cejar en el empeño de perfección y de superación hizo posible también el desarrollo de la tecnología de Multiplexación por División en Longitudes de Onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM) que ofrece atractivas ventajas en relación con los sistemas de multiplexación tradicionales y que se exponen en este trabajo de diploma. La técnica más factible a corto plazo para llegar a aprovechar todo el ancho de banda ofrecido por una fibra óptica, sin necesidad de cambiar todos los equipos y los enlaces existentes, es la WDM. La tecnología WDM es en estos momentos, ampliamente utilizada en redes de cable de fibra óptica submarinos internacionales y en muchos otros enlaces de grandes volúmenes de datos, consiguiendo capacidades y una funcionalidad que superan los parámetros de calidad de los sistemas multiplex anteriores. En este trabajo de diploma se diseñan sistemas WDM utilizando la herramienta OptiSystem de Optiwave. Este software brinda ingeniosas facilidades para experimentar con los parámetros físicos de los componentes del sistema y observar gráfica y cuantitativamente los resultados a través de los instrumentos de visualización que ofrece..

(12) INTRODUCCIÓN. 2. Objetivo General Proporcionar a través de las prácticas de laboratorios virtuales un ambiente favorable y constructivo para el diseño, análisis y simulación de enlaces ópticos que utilizan WDM. Objetivos Específicos  Consultar la bibliografía sobre el tema y el estado actual de la técnica internacional.  Diseñar enlaces ópticos que utilizan WDM.  Modelar y simular enlaces ópticos con WDM.  Realizar prácticas de laboratorios virtuales de enlaces ópticos con WDM.  Verificar la correspondencia entre los planteamientos teóricos y los resultados obtenidos según las simulaciones realizadas de los enlaces WDM. Interrogantes Científicas  ¿Cuáles son las características fundamentales de los enlaces ópticos que utilizan WDM?  ¿Cuál es la situación actual del diseño de enlaces ópticos que emplean WDM?  ¿Cómo analizar enlaces ópticos que utilizan WDM?  ¿Cómo realizar las simulaciones de los enlaces ópticos que utilizan WDM con OptiSystem? Tareas de investigación  Realizar un estudio de la bibliografía que han desarrollado otras universidades y los procedimientos empleados para efectuar las experiencias.  Caracterizar los enlaces ópticos que utilizan WDM, su funcionamiento, algunas de sus aplicaciones.  Simular enlaces ópticos WDM en diversos escenarios con OptiSystem.  Evaluar la efectividad de la propuesta. Organización del informe El informe de este trabajo de diploma se organiza de la forma siguiente: resumen, introducción, capitulario, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y glosario. INTRODUCCIÓN: Se inicia el tema de la WDM, se reconoce su amplia aplicación en la actualidad y la importancia que tiene para satisfacer las demandas de los usuarios de las redes. actuales..

(13) INTRODUCCIÓN. 3. CAPÍTULO I: En este capítulo se exponen las principales características de la WDM, los componentes y los parámetros básicos de un sistema WDM. CAPÍTULO II: En este capítulo se ofrece una introducción a la herramienta de simulación de Optiwave OptiSystem que es la utilizada para el estudio de los enlaces ópticos implementados virtualmente. Se proponen varios experimentos de laboratorios simulados para evaluar el comportamiento de los sistemas WDM teniendo en cuenta sus parámetros fundamentales. CAPÍTULO III: En este capítulo se analiza el desempeño de los sistemas WDM diseñados basándose en la relación señal a ruido óptica (Optical Signal Noise Ratio, OSNR), factor de calidad (Q) y en la probabilidad de error de bits (Bit Error Rate, BER) como parámetros de calidad fundamentales que caracterizan el funcionamiento de los sistemas WDM. CONCLUSIONES: Se exponen los resultados obtenidos a partir de los objetivos trazados inicialmente..

(14) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 4. LONGITUDES DE ONDAS. CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN LONGITUDES DE ONDAS. En este capítulo se exponen las principales características de la Multiplexación por División en Longitudes de Ondas (Wavelength Division Multiplexing, WDM), los componentes y los parámetros básicos de un sistema WDM. 1.1 Caracterización general de la WDM WDM es una tecnología de Multiplexación por División en Longitudes de Ondas que opera entre los 1300 nm y los 1600 nm. Se utiliza para transmitir información a través de fibra óptica. En la figura 1.1 se observa que este proceso permite que diferentes señales de información sean transportadas a diferentes longitudes de ondas y enviadas todas a la vez por una sola fibra óptica utilizando luz procedente de un láser o de un diodo emisor de luz (Light Emitting Diode, LED) de manera tal que puedan ser filtradas o demultiplexadas ópticamente en el receptor..

(15) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 5. LONGITUDES DE ONDAS. Figura 1.1. Diagrama básico de la tecnología WDM (Finisar, 2008).. WDM se añade a los métodos tradicionales de multiplexación de señales sobre fibra óptica utilizando luz coherente. Estas tecnologías son Multiplexación por Division en la Frecuencia (Frequency Division Multiplexing, FDM) y Multiplexación por División el tiempo (Time Division Multiplexing, TDM). Tecnologías que requieren tratamiento electrónico de la señal en el receptor lo que constituye una desventaja con respecto a WDM. WDM es semejante a la FDM que es utilizada en los sistemas que emplean como líneas de transmisión conductores metálicos, así como en sistemas satelitales y de microondas. FDM consiste en transmitir varias señales al mismo tiempo a través de un solo canal de banda ancha, modulando primero cada una en una subportadora distinta y posteriormente reuniéndolas para formar una sola señal multiplexada, pero WDM no divide la potencia entre los canales multiplexados como ocurre en FDM, lo cual proporciona una mejor relación entre la potencia de señal y la potencia de ruido. En cuanto a TDM lo esencial es incrementar la capacidad de la red añadiendo canales que subdividen aquellos que ya existían anteriormente, teniendo en cuenta el inconveniente de que el equipamiento requiere mayor costo y una alta complejidad en los protocolos de señal (Aguilera, 2012). Las ranuras de tiempo de cada canal deben ser cuidadosamente identificadas y protegidas para que cada uno pueda ser detectado individualmente con relativa facilidad. Por otra parte, WDM transmite más señales por una misma fibra sin.

(16) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 6. LONGITUDES DE ONDAS. complicaciones de protocolos ni de tiempo, aunque se conoce que la técnica de TDM se le aplica a canales individuales WDM para proveer facilidad y flexibilidad a la asignación del ancho de banda a la red de usuarios particulares. WDM evita requisitos obligatorios que tiene TDM y dificultades que limitan su implementación. En lugar de incrementar la tasa de datos como hace TDM para transmitir más información, los sistemas WDM emplean varias señales ópticas, cada una con su longitud de onda y su respectiva razón de bits aplicada al sistema de transmisión. WDM permite incrementar la capacidad de transmisión de la información utilizando una sola fibra. En WDM a cada canal en particular se le asigna una longitud de onda específica por medio de un convertidor electro-óptico, el cual convierte la señal eléctrica en la energía luminosa que se transmite por toda la fibra de forma simultánea. Esta asignación se encuentra estandarizada en las recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones y cada canal puede transmitir señales de diferentes velocidades y formatos basándose en diferentes protocolos de comunicación como SONET/SDH, ATM, PDH e IP (ITU-T, 2002). 1.2 Tipos de WDM Existen esencialmente tres tipos de WDM que se implementan según los requerimientos de la red que se desea diseñar. Estas variantes son: •. Multiplexación por División Aproximada de Longitudes de Onda (Coarse Wavelength Division Multiplexing, CWDM).. •. Multiplexación por División de Longitudes de Onda Densa (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM).  DWDM metropolitana  DWDM de larga distancia.  DWDM de ultra larga distancia.. •. Multiplexación por División de Longitudes de Onda Ultra densa (Ultra Dense Wavelength-Division Multiplexing, UDWDM)..

(17) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 7. LONGITUDES DE ONDAS. En la tabla 1.1 se muestra una comparación entre los diferentes tipos de WDM en cuanto alcance, velocidad máxima, bandas de trabajo, separación entre canales, número de lambdas, control de la estabilidad de la temperatura del láser y la amplificación óptica de cada una. Tabla 1.1: Comparación de tecnologías WDM (Laude, 2002).. DWDM es una tecnología que transmite varias longitudes de ondas de luz simultáneamente sobre una fibra óptica en forma paralela. Cada señal se transmite con su propia banda de color, de manera que se define una longitud de onda exclusiva para cada fuente de señal. DWDM es una componente importante de las redes ópticas, que permite la transmisión de voz, video y datos (Voz sobre IP, Video IP, ATM), además de señales SDH a través de la capa óptica. Estos sistemas permiten la transmisión de decenas de Tbps. A pesar de que DWDM se conoce hace mucho tiempo, al inicio, sus aplicaciones estuvieron restringidas a dos o cuatro canales como máximo (WDM). Actualmente los avances tecnológicos permiten que longitudes de ondas de luz paralelas puedan ser densamente empaquetadas e integradas en un sistema de transmisión con señales de extrema alta frecuencia. Los espaciamientos actualmente utilizados son de 200 GHz para aplicaciones metropolitanas y de 100 GHz para otro tipo de redes..

(18) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 8. LONGITUDES DE ONDAS. El medio más común utilizado por DWDM es un par de fibras ópticas; una para transmisión y la otra para la recepción. Sin embargo, existen sistemas DWDM que utilizan una fibra bidireccional, pero estos, sacrifican capacidad al reservar una banda para prevenir la mezcla de las señales de entrada y de salida. La disponibilidad de tecnologías más maduras, en demultiplexores y Amplificadores de Fibra Óptica Dopada con Erbio EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) ha permitido que más de treinta canales puedan estar disponibles en forma comercial. Los demultiplexores utilizan un nuevo componente de filtro llamado Fiber Grantig, que consiste en un tramo de fibra óptica donde el índice de refracción ha sido permanentemente modificado. Esto ha permitido la creación de un componente, que permite actuar como reflector dependiente de las longitudes de onda. El Fiber Grating crea un filtro de ancho de banda que funciona como un espejo para las longitudes de onda. Los amplificadores EDFA, al igual que los demultiplexores, han permitido el desarrollo comercial de DWDM, proporcionando un medio para la amplificación de longitudes de onda en forma simultánea. Esta amplificación se realiza agregando iones de erbio a una fibra, proceso llamado doping. La estructura atómica del erbio permite la amplificación requerida para longitudes de onda que operan en la región de 1550 nm. El EDFA directamente amplifica las señales ópticas y no depende de las frecuencias, por tanto, tiene la ventaja de que no es necesario regenerar la señal, permitiendo alcanzar distancias mayores sin regeneración eléctrica de la señal. 1.3 Componentes básicos y parámetros fundamentales de los enlaces WDM Utilizando la multiplexación por división en longitudes de ondas se podrán conseguir anchos de banda del orden de los 50 THz (Green, 1993), pero el éxito de las redes depende mucho de la tecnología de dispositivos ópticos que se utilicen. Este tipo de sistemas básicamente se forma con: 1) Fuentes ópticas: Estos elementos convierten la señal eléctrica en energía luminosa y la emiten con diferentes longitudes de onda. 2) Multiplexores ópticos: Combinan la energía luminosa emitida por las fuentes ópticas para alimentar la fibra. 3) Demultiplexores ópticos: Dispositivo que separa la longitud de onda de cada canal..

(19) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 9. LONGITUDES DE ONDAS. 4) Medio de transmisión: En este caso el medio utilizado es la fibra óptica que lleva la información hasta el receptor teniendo en cuenta valores bajos de atenuación para cada longitud de onda utilizada. 5) Acopladores: Dispositivos que combinan la luz en una fibra, o la separan de esta. 6) Amplificadores ópticos: Incrementan las potencia de la señal óptica que se degradada al propagarse por la fibra debido a las perturbaciones que se producen en ella. 7) Detectores: Convierten la señal óptica de nuevo al dominio eléctrico y recuperan los datos que son transmitidos a través del sistema de comunicaciones ópticas. Para la implementación de WDM se utilizan tres tipos de multiplexores/demultiplexores: 1) Los de rejilla de difracción. 2) Los de filtros de interferencia. 3) Los de prisma. Las características principales que deben tener estos componentes son: . Bajas pérdidas de inserción.. . Baja diafonía.. . Facilidad de conexión.. . Fácil adaptación de conectores para lograr una transmisión directa.. . Tamaño pequeño.. . Alta confiabilidad.. En los sistemas prácticos los más utilizados son los de rejilla y de interferencia que satisfacen en mejor proporción los requerimientos anteriores.. 1.3.1 Fuentes ópticas Las fuentes de luz utilizadas en óptica integrada son los láseres de inyección o diodos láser y los diodos emisores de luz, o bien en una estructura simple de unión p-n, o en heteroestructuras (Agraval, 1992). Ambos tipos de fuentes tienen además la ventaja de que introduciendo impurezas o dopantes, se puede modificar la frecuencia de emisión. El compuesto más utilizado en el rango de longitudes de onda de 1,1 a 1,6 µm, es el InGaAsP. Los diodos láser tienen como valores típicos, una potencia de salida de 20 mW, frecuencia de modulación de 10 GHz y anchura espectral de 0,7 nm. Por ser fuentes de luz coherentes,.

(20) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 10. LONGITUDES DE ONDAS. son necesarios para la utilización detectores coherentes, los cuales permiten una mejor sensibilidad del receptor y selectividad del sistema. Son utilizados en las fibras monomodo. Los diodos emisores de luz se caracterizan por una potencia de salida de 1mW, frecuencia de modulación de 50 GHz y anchura espectral de 50 nm. Son siempre utilizados en fibras multimodo (Agraval, 1995). Los LEDs más utilizados son los de emisión superficial, que con un correcto diseño pueden utilizarse en sistemas de hasta 500 Mbps, a costo de perder potencia de emisión. Los LEDs de emisión lateral, suponen una mejora de prestaciones, aumentando la potencia acoplada a la fibra y una reducción del ancho espectral, presentando inconvenientes como la complejidad de fabricación. En ocasiones, cuando la fuente de luz no está directamente acoplada a la fibra a través del circuito integrado, el haz se focaliza por medio de lentes adecuadas que suelen ser objetivos de microscopio o lentes grin. También son utilizados prismas y redes de difracción y, sobre todo, acopladores direccionales para pasar luz de una fibra a otra. Las fuentes de luz más utilizadas en las redes WDM son los láseres y en concreto los láseres sintonizables, que permiten emitir diferentes longitudes de onda. Los láseres sintonizables se basan en efectos mecánicos, acustoópticos o electroópticos. Un láser consiste en dos espejos que forman una cavidad, un medio láser que ocupa la cavidad, y un dispositivo de excitación. El dispositivo de excitación inyecta una corriente en el medio láser, el cual está hecho de una sustancia cuasiestable. La corriente excita los electrones en los átomos del medio láser, y cuando un electrón retorna al estado menos energético, emite un fotón de luz. El fotón se reflejará en los espejos a ambos extremos de la cavidad y pasará de nuevo a través del medio. La emisión estimulada tiene lugar cuando el fotón pasa muy cerca de un electrón excitado (Otón, 2005). Los láseres sintonizados mecánicamente utilizan una cavidad Fabry-Perot adyacente al medio de emisión del láser, con el fin de filtrar las longitudes de onda no deseadas. La selección de la longitud de onda se lleva a cabo por el ajuste de la distancia entre los dos espejos en cada extremo de la cavidad externa, de forma que sólo la longitud de onda deseada interferirá constructivamente con sus múltiples refecciones en la cavidad. Este método de selección resulta en un rango de sintonía que abarca completamente el espectro de ganancia útil del láser semiconductor, unos 500 nm, pero el tiempo de sintonía es del orden de 1 a 10 ms y se debe a la naturaleza mecánica de la selección de la frecuencia de.

(21) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 11. LONGITUDES DE ONDAS. emisión y por la longitud de la cavidad. La longitud de la cavidad puede también limitar la tasa de trasmisión, a menos que se utilice un modulador externo. Los láseres de cavidad suelen tener una estabilidad en la frecuencia de emisión muy buena.. 1.3.1.1 Parámetros fundamentales del transmisor Es necesario citar los parámetros más importantes del transmisor con el objetivo de escoger el que mejor se ajuste a las necesidades del diseño que se requiera implementar.  Potencia máxima emitida. La potencia que emite la fuente óptica del transmisor.  Máxima razón de datos o ancho de banda. La máxima razón de transmisión en bps o la máxima respuesta de frecuencia en Hz.  Tiempo de subida: o Tiempo de subida óptico. Tiempo que demora el pulso de la señal luminosa en alcanzar del 20% el 80% del valor correspondiente a su amplitud máxima. o Tiempo de subida eléctrico. Tiempo que demora el pulso de la señal eléctrica en alcanzar del 10% el 90% del valor correspondiente a su amplitud máxima.  Tipo de conector. Eléctrico y óptico; especificar el nivel de atenuación que se introduce.  Tipo de la señal de código. Se refiere al tipo de formato de la señal: RZ, NRZ, código Manchester o MBNB, etc.  Retardo. Tiempo que tarda la señal en el transmisor en nanosegundos.  Fuente de alimentación. Voltaje requerido para alimentar el transmisor.. 1.3.2 Multiplexores y demultiplexores ópticos En WDM son necesarios dispositivos eficaces para introducir por la fibra las distintas longitudes de onda que provienen de las fuentes de luz y los demultiplexores son los que discriminan las diferentes longitudes de onda que provienen del haz multiplexado previamente. En la práctica la demultiplexación se realiza antes de la detección de la luz debido a que los fotodetectores son de banda ancha y no pueden reconocer una solo lambda. Los multiplexores y los demultiplexores pueden ser de diseño pasivo o activo. El diseño pasivo se basa en prismas, rejillas de difracción, o filtros mientras que el diseño activo.

(22) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 12. LONGITUDES DE ONDAS. combina dispositivos pasivos y filtros sintonizables. Los principales retos en estos dispositivos son minimizar la diafonía y maximizar la separación de cada canal. La diafonía es una medida de cuánto están separados los canales, mientras que la separación de canales se refiere a la posibilidad de distinguir cada longitud de onda (Cisco, 2001). En las tablas 1.1 y 1.2 se muestran las características del multiplexor MD40 y del demultiplexor DM40 respectivamente, tomados del sistema Optic 6800 Intelligent Optical Transport Platform de Huawei que son datos utilizados como referencia en los escenarios simulados de enlaces WDM en el próximo capítulo. Tabla 1.1. Características del multiplexor óptico MD40 (Frez and Márquez, 2013).. Tabla 1.2. Características del demultiplexor óptico DMD40 (Frez and Márquez, 2013).. 1.3.3 Medio de transmisión En el caso de los sistemas WDM el medio de transmisión, como en el resto de los sistemas de comunicaciones, se encarga de guiar, conducir, entregar la señal transmitida al receptor.

(23) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 13. LONGITUDES DE ONDAS. donde se realiza la detección de la información contenida en el mensaje proveniente del emisor. En particular en los sistemas WDM el medio principal utilizado es la fibra óptica. La cual se encarga de conducir la señal de datos cuya información está contenida en la señal luminosa que viaja a través de la fibra. Esta señal luminosa debe ser guiada hasta el receptor con la atenuación mínima posible de forma tal que las pérdidas de información también sean mínimas o que la probabilidad de error de bits de la señal recibida con respecto a la transmitida sea la menor posible. Para seleccionar una fibra adecuada donde se pretende utilizar WDM se requiere que la fibra sea compatible con todas las lambdas utilizadas en la red y con el propio sistema WDM en la región de 1550 nm. En la selección de la fibra se evalúan diversos factores. Los tres efectos más importantes son la atenuación, la dispersión y la no linealidad. La atenuación es la pérdida de la potencia de la señal cuando la luz atraviesa una longitud determinada de fibra, mientras que la dispersión es la tendencia natural de las diferentes longitudes de onda de un impulso luminoso a dispersarse con la distancia recorrida. Atenuación (𝐿𝑐) en dB/km:. 𝐿𝑐 =. Pérdidas máximas entre repetidores Longitud máxima de la fibra. (1.1). Ancho de banda (𝐵𝑊) en Hz/km:. 𝐵𝑊 =. Ancho de banda especificado por el fabricante de la fibra Distancia entre repetidores. (1.2). La fibra óptica y en especial la fibra óptica monomodo, se ha convertido en el medio de transmisión más atractivo debido a (Winley, 1988):  Bajas pérdidas de transmisión y gran ancho de banda. La fibra permite transmitir decenas de THz. La baja atenuación de la señal es otra ventaja, consiguiendo distancias entre repetidores superiores a 400 km en la tercera ventana. Las tasas de error de los sistemas de comunicaciones ópticas son menores de 10-11. Por tanto, el cable de fibras.

(24) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 14. LONGITUDES DE ONDAS. ópticas puede transportar más datos a mayor distancia, reduciendo el número de equipos, la complejidad y el costo del sistema.  Pequeño tamaño y peso. Lo cual facilita la instalación y el transporte, frente al cable coaxial o al par trenzado de cobre.  Inmunidad a interferencias. Las fibras ópticas, por su naturaleza dieléctrica, son insensibles a interferencias electromagnéticas.  Aislamiento eléctrico. Debido a que las fibras se construyen a partir de silicio, que es un aislante eléctrico, no hay que preocuparse por llevarlas a tierra o por la diafonía eléctrica.  Seguridad de la señal. La fibra supone una mayor seguridad ante ataques de intrusos porque queda bien confinada en las guías de ondas y las pequeñas emanaciones son rápidamente absorbidas por un recubrimiento opaco alrededor de la fibra.  Abundante presencia de los materiales en la naturaleza. El Silicio, material que principalmente constituye las fibras ópticas, es muy abundante y barato, se encuentra ordinariamente. Lo que si resulta caro es el proceso de purificación de dicho semiconductor.  Posibilidad de integración. Se están consiguiendo grandes avances en la integración óptica, miniaturizando todos los componentes del sistema de transmisión, e insertándolos en un chip o en una pastilla de alrededor de 1 cm de un material adecuado. A estos dos efectos se le incluye, como se dijo, la no linealidad que es otro factor que limita la capacidad y la longitud de la fibra óptica como elemento importante del sistema de comunicaciones que se analiza. A largas distancias y altas potencias aparecen efectos no lineales, muchos de los cuales se manifiestan exclusivamente cuando se propagan varias longitudes simultáneamente por la fibra óptica. Los efectos no lineales tienen un impacto significativo en el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticas WDM (Agraval, 1995). Es el fenómeno más difícil de controlar por la dependencia de la intensidad del pulso de luz que viaja a través de la fibra, es el ligero incremento (de alrededor de 10-7) que un campo óptico produce en el índice de refracción de la fibra, que viene dado por n = n0 + 3.2x10-16xI (Efecto Kerr). Donde I es la.

(25) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 15. LONGITUDES DE ONDAS. intensidad de la señal óptica en cm2/W y n0 es el índice de refracción del núcleo. De esta forma, la no linealidad cambia la fase de la onda dependiendo de su intensidad y la distancia viajada, dando lugar, debido a que la frecuencia es el diferencial temporal de la fase, a la aparición de nuevas frecuencias en el pulso: menores frecuencias en su parte delantera y mayores en su parte trasera. Este fenómeno no lineal conocido por Automodulación de Fase (Self-Phase Modulation, SPM), limita la potencia de entrada a la fibra, Pin<<45 mW, y produce un ensanchamiento espectral considerable de los pulsos que se propagan en ésta. En las fibra de salto de índice, el índice de refracción del núcleo n1 y el del revestimiento o la corteza n2, ligeramente menor que n1, son constantes. Esto es, el perfil de índice de refracción para este tipo de fibras da un salto en la interfaz núcleo-revestimiento, como se muestra en la figura 1.2. En la figura 1.2 (a) se presenta una fibra de salto de índice multimodo, o sea que permite la propagación de varios modos de propagación a la vez. El diámetro de este tipo de fibras es de 50 µm o mayor, frente a los 2 o 10 µm en las fibras monomodo. En ambos casos el revestimiento es suele ser de 125 µm. En las fibras monomodo solo se propaga un modo transversal electromagnético, típicamente en modo HE11 o modo fundamental (en concreto se trata de un modo fundamental eléctrico o TE, por ser nula la componente de campo eléctrico en la dirección de propagación de la onda), lo cual se refleja en la figura 1.2 (a) mediante la representación de un rayo único.. Figura 1.2. Perfiles del índice de refracción y transmisión de los rayos en fibras de salto de índice (Agraval, 1995). (a) Fibra multimodo de salto de índice; (b) Fibra monomodo de salto de índice..

(26) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 16. LONGITUDES DE ONDAS. Una fibra de índice gradual soporta un único modo si la frecuencia normalizada definida como. V. 2. . a n12  n22. (1.3). donde λ es la longitud de onda de la luz en el vacío y. a. el radio del núcleo, es menor que. 2.4048. El número de modos M en una fibra multimodo se determina como. 1  a  M  V 2  2  n12  n22 2    2. . . (1.4). La ventaja de las fibras ópticas monomodo es la baja dispersión modal (ensanchamiento de los pulsos transmitidos), debido a que solo se transmiten hasta 10 modos (Arco, 2006); mientras que en las fibras multimodo de salto de índice se produce una dispersión considerable por las diferentes velocidades de grupo de los modos de propagación denominada dispersión intermodal o modal. En las fibras monomodo la dispersión se debe al cambio del índice equivalente del modo fundamental con la longitud de onda y se conoce como dispersión intramodal o cromática. Esta dispersión impone una seria restricción al ancho de banda: como la diferencia entre el tiempo de llegada de los diferentes modos de propagación es muy pequeña, se solapan unos con otros aunque el pulso de entrada a la fibra sea muy estrecho, siendo el resultado final un pulso ensanchado en el dominio del tiempo. A este fenómeno por el cual la velocidad de grupo del modo fundamental depende de la frecuencia provocando que las diferentes componentes espectrales del pulso viajen a una velocidad diferente se le conoce como Dispersión de la Velocidad de Grupo (Group-Velocity Dispersion, GVD). Normalmente esta velocidad de grupo se asocia a la velocidad a la que se propaga la energía por la fibra óptica. En las fibras multimodo una forma sencilla de reducir la dispersión intermodal es reducir el número de modos, lo cual se consigue disminuyendo el diámetro del núcleo, reduciendo la apertura numérica o incrementando la longitud de onda de la luz. No obstante, las fibras multimodo también presentan ventajas, como la posibilidad de utilizar fuentes ópticas incoherentes (LEDs), mayores aperturas numéricas así como diámetros del núcleo,.

(27) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 17. LONGITUDES DE ONDAS. facilitando el acoplamiento de la potencia de entrada emitida por las fuentes ópticas; menor costo; y finalmente, menores requerimientos de tolerancia en los conectores de fibra. Ejemplos de aplicaciones de las fibras ópticas de salto de índice, son los cables submarinos en el caso de las monomodo y las redes de transmisión de datos, en el caso de las multimodo. Para reducir la dispersión intermodal en fibras multimodo, se utilizan fibras cuyo núcleo no tiene un índice de refracción constante, sino que para el núcleo toma la forma . r n(r )  n1 1  2  , r a.  a. (1.5). y para el revestimiento. n(r )  n1 1  2  n2 , r  a. (1.6). Donde  es la diferencia relativa de índices de refracción y α un parámetro que determina la característica del perfil de índice de refracción en el núcleo de la fibra como se muestra en la figura 1.3. Si α se ajusta convenientemente, puede lograrse que las trayectorias ópticas de todos los rayos sean similares porque las caminos más largos pasan por zonas donde el índice de refracción es menor, con lo que la dispersión intermodal se hace mucho más pequeña que en las fibras de índice constante. Este mecanismo se ilustra mejor en la figura 1.4. Los mejores resultados se obtienen para un perfil de índice gradual parabólico, esto es para α = 2. Otra de las ventajas de este tipo de fibras es que reducen el ángulo crítico.. Figura 1.3. Perfiles posibles del índice de refracción para diferentes valores de α (Agraval, 1995)..

(28) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 18. LONGITUDES DE ONDAS. Un ejemplo de la aplicación de las fibras de índice gradual, es la unión de centrales telefónicas, siendo su principal desventaja frente a las fibras de salto de índice su mayor costo.. (a) Figura. 1.4.. (a). Perfil. (b) del. índice. de. refracción.. (b). Transmisión. de. los. rayos.. de una fibra óptica de índice gradual multimodo (Agraval, 1995).. Actualmente se dispone de fibras ópticas monomodo hechas de silicio con pérdidas inferiores a 0.2 dB/km en la tercera ventana correspondiente a una longitud de onda de 1550 nm. Teniendo en cuenta que el mínimo teórico es de 0.16 dB/km este es un buen resultado. Las fibras ópticas son dispuestas conjuntamente en cables cuyo principio es similar al convencional para cables coaxiales. La diferencia fundamental es que como las fibras ópticas no son conductoras, no es necesario un aislamiento eléctrico entre ellas. Además, son cables más elásticos y que son necesarios aunque aumentan el precio de la fibra porque facilitan su manejo, protección, aumentan la resistencia a aplastamientos y la resistencia a la degradación por la humedad y el calor.. 1.3.4 Acopladores Un acoplador es un divisor que secciona la señal óptica procedente de una fibra en dos o más fibras (ITU-T, 2006). La razón de división es el porcentaje de la potencia que viaja por cada una de las salidas. Para un divisor de dos puertos la razón de división más común es 50:50, aunque pueden ser fabricados divisores de cualquier razón..

(29) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 19. LONGITUDES DE ONDAS. Un combinador es el dispositivo inverso del divisor. Una señal de entrada al combinador sufre una pérdida de alrededor de 3 dB de potencia. Un acoplador 2×2, en general, está constituido por un combinador 2×1 seguido por un divisor 1×2, cuyo efecto es dispersar las señales desde las dos fibras de entrada a las dos fibras de salida. Una implementación típica, es el acoplador en derivación bicónica fusionada, que consiste básicamente en dos fibras ópticas o guías de ondas rectangulares fusionadas, como se ilustra en la figura 1.5. Además de la división de potencia 50:50 en el acoplador, la señal experimenta ciertas pérdidas de retorno. Si la señal entra por una entrada del acoplador, alrededor de la mitad de la potencia de la señal va por cada una de las salidas. Sin embargo, una cantidad de potencia es devuelta por el acoplador, típicamente entre 40 y 50 dB. Otro tipo de pérdidas son las de inserción, que ocurre, por ejemplo, cuando los ejes del núcleo de la fibra y del acoplador no están alineados. Los acopladores englobados en una configuración Mach-Zenhder, han sido muy utilizados en tecnologías comerciales como dispositivos de multiplexación en longitud de onda (Pierre, 1993). Estos dispositivos de multiplexación, al igual que los basados en rejillas de Bragg, son más baratos que otras tecnologías propuestas y son más fáciles de mejorar en cuanto a incrementos en el número de canales a multiplexar, porque emplean el mismo tipo de bloques para 4, 8, 16 y 32 canales (Agraval, 1992).. Figura 1.5. Acoplador en derivación bicónica fusionada (Agraval, 1995).. 1.3.5 Amplificadores ópticos Los amplificadores ópticos difieren de los amplificadores opto-electrónicos en que sólo actúan elevando la potencia de la señal luminosa, no reconstruyendo su forma temporal. De.

(30) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 20. LONGITUDES DE ONDAS. este modo, la amplificación óptica supone una total transparencia de los datos, es decir, es independiente del formato de modulación de la señal. Las redes digitales actuales, como por ejemplo SONET y SDH, aunque utilizan la fibra óptica como único medio de transmisión, todavía se basan en amplificación optoelectrónica. En esta se detecta la señal luminosa para convertirla en corriente eléctrica, amplificándola por vía electrónica y luego, con esta corriente amplificada y filtrada, se modula un láser y se introduce la señal de nuevo en la fibra. En un sistema WDM, cada longitud de onda necesitaría ser separada antes de ser amplificada electrónicamente, y después recombinada antes de ser retransmitida. Así, para eliminar la necesidad de multiplexores y demultiplexores ópticos en los amplificadores, los amplificadores ópticos deben regenerar la señal óptica sin convertirla previamente en una señal eléctrica. Además, gracias a su alta ganancia y potencia de salida, se consigue duplicar o triplicar la distancia óptima entre repetidores eléctricos. La desventaja es que se amplifica el ruido además de la señal, degradándose la relación señal a ruido en el receptor. Los amplificadores ópticos utilizan el principio de la emisión estimulada. Los dos tipos básicos de amplificadores ópticos son los amplificadores láser semiconductores y los amplificadores dopados con tierras raras, que se presentan a continuación. Las características más relevantes de estos amplificadores, se muestran en la Tabla 1.3. Tabla 1.3. Características típicas de los amplificadores ópticos (Frez and Márquez, 2013).. Un amplificador de semiconductor láser consiste en un láser semiconductor modificado. Una señal débil se envía por emisión estimulada a través de la región activa del semiconductor resultando una señal más potente desde el semiconductor. Los tipos principales de amplificadores láser son, el amplificador Fabry-Perot, que es básicamente un semiconductor láser, y el Amplificador de Onda Viajera (Travelling-Wave.

(31) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 21. LONGITUDES DE ONDAS. Amplifier, TWA). La principal diferencia entre ambos amplificadores es la reflectividad de los espejos extremos, de alrededor de un 30 % en los Fabry-Perot y un 0,01 % en los TWAs. Esto origina más resonancias en el amplificador Fabry-Perot, resultando en anchos pasos de banda de unos 5 GHz, evidentemente esto no es deseable en sistemas WDM, por lo que son más apropiados los TWAs. Las ganancias que consiguen los amplificadores de semiconductor actuales son de alrededor de 25 dB, una sensibilidad a la polarización de 1 dB y un ancho de banda de alrededor de 40 nm. La gran ventaja de estos amplificadores es que pueden integrarse con otros componentes. Los amplificadores de fibra dopada con tierras raras son tramos de fibra dopados con un elemento capaz de amplificar la luz. El elemento más común es el erbio. En la parte final de la fibra, un láser transmite una señal bastante intensa a una longitud de onda menor, la cual excita los átomos dopantes transfiriéndolos a un estado de mayor energía. Esto permite que la señal óptica con los datos estimule los átomos excitados, produciendo emisión estimulada. La ganancia típica de los EDFA está en torno a los 25 dB, aunque experimentalmente ya se ha demostrado la posibilidad de conseguir ganancias superiores a 51 dB. En general, los láseres de bombeo utilizados trabajan a 980 y 1480 nm, con una eficiencia en ganancia de 10 dB/mW y 5 dB/mW, respectivamente. En la figura 1.6 se muestra el esquema de un EDFA. Las limitaciones de la amplificación óptica son: el espectro de ganancias asimétrico de los amplificadores ópticos, es decir, no se amplifican todas las longitudes de onda por igual, y se amplifica por igual tanto la señal como el ruido. Además, la región activa del amplificador puede emitir fotones espontáneamente, lo cual constituye una fuente de ruido adicional. En definitiva, una señal óptica de múltiples longitudes de onda atravesando una serie de amplificadores ópticos, tendrá la potencia distribuida entre sus diferentes longitudes de onda, desequilibrándose progresivamente. No obstante, son muchas las propuestas para conseguir igualar esta ganancia..

(32) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 22. LONGITUDES DE ONDAS. Figura 1.6. Esquema de un EDFA (Frez and Márquez, 2013).. 1.3.6 Atenuadores El atenuador permite obtener una pérdida controlada y específica de nivel óptico. La aplicación de este elemento se refiere a instrumentación en laboratorio y en campo; para redes de distribución donde los niveles de potencia son excesivos y como terminación en equipos de transmisión en las redes SDH. Su construcción permite una elevada confiabilidad y estabilidad a diversas condiciones de operación. Se dispone de una entrada “hembra” y una salida “macho” para facilitar la conexión al instrumento o al equipo de transmisión. Se ha previsto fundamentalmente tres tipos de atenuación: 5, 10 y 15 dB sobre longitudes de onda de operación de 850, 1310 y 1550 nm respectivamente. Se garantiza una vida útil superior a 1000 conexiones y desconexiones. Existen atenuadores fijos (valor constante) y variables. El atenuador variable permite trabajar en segunda o tercera ventana. Su aplicación es fundamentalmente para mediciones ópticas en laboratorio o en campo.. 1.3.7 Detectores Se distinguen dos tipos de detectores dependiendo de la naturaleza de la modulación de la señal óptica: los detectores incoherentes y los detectores coherentes. En los receptores que emplean detección directa, o detectores incoherentes, un fotodetector convierte el haz de fotones que le llega, modulado en intensidad, en un haz de electrones. El haz de electrones es amplificado y pasa a través de un detector de umbral y que un bit sea un cero lógico o un uno lógico, depende de si el haz está por debajo o encima del.

(33) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 23. LONGITUDES DE ONDAS. umbral en el tiempo de duración de ese bit. Es decir, la decisión se hace en función de la ausencia o presencia de luz durante el tiempo de bit. Los dispositivos básicos para la detección óptica son los fotodiodos PN (consistentes en una unión p-n) y el fotodiodo PIN (donde un material intrínseco se ubica entre las regiones p y n del material) (Agraval, 1992). En su forma más simple, el fotodiodo es básicamente una unión p-n en inverso. A través del efecto fotoeléctrico, la luz incidente en la unión originará la emisión de pares electrón-hueco tanto en las regiones n como la p del fotodiodo. Los electrones creados en la región p se dirigirán a la región n, y los huecos de la región n cruzarán ésta hasta la p, resultando en un flujo de corriente. La otra forma alternativa a la detección directa es la detección coherente en la cual la información de fase es utilizada en la codificación y detección de las señales. Los receptores basados en detección coherente utilizan un láser monocromático como oscilador. La señal óptica de entrada se añade a la señal del oscilador, y la señal resultante es detectada por un fotodiodo. La salida del fotodiodo es integrada sobre el período de símbolo, y el umbral de detección es utilizado para conseguir el haz de bits (Agraval, 1992). Aunque la detección coherente es más compleja que la detección directa, permite la detección de señales débiles de un entorno ruidoso. En los sistemas ópticos, sin embargo, es difícil mantener la información de fase requerida para la detección coherente. Puesto que los láseres emiten varias pequeñas bandas espectrales no nulas, la señal transmitida consiste en un número de frecuencias con fases y amplitudes variables. El efecto, es que la fase de la señal transmitida experimenta aleatorias y significativas fluctuaciones en torno a la fase deseada. Estas fluctuaciones de fase dificultan la reconstrucción de la información de fase a partir de la señal transmitida, limitando así la eficiencia de los sistemas de detección coherente. El bloque receptor puede consistir en un filtro sintonizable seguido de un único fotodetector, o de un demultiplexor seguido de una matriz de fotodetectores.. 1.3.7.1 Parámetros fundamentales del receptor Al igual que en el transmisor se requiere citar los parámetros más importantes del receptor con el objetivo de escoger el adecuado para nuestros propósitos..

(34) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 24. LONGITUDES DE ONDAS.  Sensibilidad. Nivel mínimo de potencia óptica detectable por el receptor, en Watts o decibeles referidos a un miliwatt para una BER determinada.  Máxima tasa de error (BER). Para sistemas digitales típicos 10-9.  Tiempo de subida. Definido en 1.3.1.1.  Nivel de voltaje de la señal de salida.  Máxima razón de datos. Definida en 1.3.1.1.  Fuente de alimentación. Voltaje requerido para alimentar al receptor. 1.4 Conclusiones del capítulo Se realizó un estudio de las principales características de WDM y de los parámetros fundamentales de un enlace óptico que implementa esta tecnología. Se puede concluir que:  En caso de la fibra óptica, con tecnología WDM se puede multiplicar la capacidad de transmisión por 4, por 8, por 16, por 32 o incluso por mucho más, alcanzando (Con 128 canales STM-64-DWDM) 1Tbps sobre una única fibra, una capacidad suficiente para transmitir simultáneamente 20 millones de conversaciones telefónicas, datos o fax.  El número de amplificadores en un tramo se reduce en la medida en que se multiplexen más canales, lo que aumenta la fiabilidad del sistema, aunque los que se utilizan son más complejos (Keiser, 1991).  WDM soporta cualquier formato de señal en cada canal óptico. Esto significa que no es necesario utilizar una estructura común para la transmisión de señales; es posible utilizar diferentes longitudes de ondas para enviar información sincrónica, asincrónica, analógica o digital a través de la misma fibra.  WDM ofrece la posibilidad de conmutar a velocidades elevadas operando directamente sobre las portadoras ópticas.  Para implementar WDM se requiere del equipamiento necesario que en su mayoría es costoso en el mercado. Se pueden destacar algunos inconvenientes de los sistemas WDM, por ejemplo:  No todos los tipos de fibras ópticas los admiten, las tolerancias y los ajustes de los láseres y filtros son críticos y los componentes que se utilizan son costosos, aunque a.

(35) CAPÍTULO 1. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN EN. 25. LONGITUDES DE ONDAS. pesar de ello la solución es más barata que otras. Predominan fundamentalmente sistemas WDM sobre fibras monomodo.  Existe diversidad en cuanto a los parámetros que caracterizan los componentes del sistema debido a la desnormalización, por lo que no se puede asegurar la compatibilidad entre equipos de distintos fabricantes. A pesar de estas desventajas WDM es una tecnología muy atractiva en el mundo de las comunicaciones y su utilización no se limita por ellas..

(36) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 26. CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. En este capítulo se ofrece una introducción a la herramienta de simulación de Optiwave OptiSystem que es la utilizada para el estudio de los enlaces ópticos implementados virtualmente. Se proponen varios experimentos de laboratorios simulados para evaluar el comportamiento de los sistemas WDM teniendo en cuenta sus parámetros fundamentales. 2.1 Introducción a OptiSystem OptiSystem es una herramienta para la simulación de enlaces ópticos que ofrece el paquete Optiwave. Este software permite la simulación de sistemas de comunicaciones por fibra óptica a nivel de capa física, incorporando una amplia librería de componentes (transmisores,. fibras,. receptores,. amplificadores. ópticos,…).. Incluye. igualmente. instrumentos virtuales como osciloscopios, analizadores de espectros ópticos y eléctricos; aunque su principal instrumento es el analizador BER que estima la tasa de error de bit como parámetro de calidad básico en los sistemas de transmisión digital. OptiSystem ofrece al usuario la facilidad de simular un barrido para diferentes valores de un parámetro deseado, o un algoritmo de optimización que es capaz de encontrar la configuración óptima del sistema, permite comprobar de forma rápida y sencilla cómo son afectadas sus prestaciones al modificar los diferentes parámetros de diseño: componentes, longitud de onda de trabajo, potencia del transmisor, esquema de modulación.. 2.1.1 Entorno de trabajo OptiSystem le ofrece al usuario un área de trabajo donde se sitúan los bloques componentes del sistema que se diseña. Estos componentes se obtienen de una librería que incluye.

(37) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 27. componentes con entradas y salidas ópticas o eléctricas, según sea el caso, que se interconectan mediante “líneas” de acuerdo al flujo de la señal en el sistema. En la figura 2.1 se muestra el aspecto general de la interfaz gráfica del programa. Se observa el área de trabajo (Layaout); a la izquierda, la ventana con la librería de componentes (Component Library) y a la derecha la barra de herramientas. En la figura mostrada se está simulando un sistema que incluye (de izquierda a derecha): un generador de secuencia de bits definida, un generador NRZ, una fuente de luz tipo láser, un atenuador variable (que simula el comportamiento de un canal de fibra de diferente atenuación), un fotodiodo PIN como receptor y un filtro eléctrico paso bajo para limitar el ancho de banda de ruido. En la sección 2.1.5 se explica la función de cada bloque mencionado anteriormente. En la figura 2.1 también puede verse que se han interconectado los elementos mediante “cables”. Junto a los componentes que forman el sistema se incluyen varios instrumentos virtuales que permiten observar las señales: un analizador de espectros ópticos, un visualizador de la señal óptica en el dominio del tiempo, un osciloscopio y un estimador de la tasa de error (BER analyzer).. Figura 2.1. Entorno de trabajo de OptiSystem..

(38) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 28. 2.1.2 Modificar los parámetros globales de una simulación La gran mayoría de parámetros que debe modificarse al simular son los propios de cada componente: eficiencia de un láser, longitud de la fibra óptica, etc. Sin embargo, existen parámetros “globales” que definen cómo se realiza la simulación y que deben ajustarse correctamente para que los resultados obtenidos sean válidos. Para que la simulación sea correcta, debe fijarse una “ventana de simulación” adecuada, es decir, una banda de frecuencia alrededor de la portadora óptica suficientemente grande como para que todas las señales (y el ruido) presentes en el sistema estén contenidos en ella. Si la elección de parámetros es errónea, la precisión de los resultados queda comprometida. Debido a que el simulador trabaja fundamentalmente con señales y modelos en el dominio del tiempo, este debe muestrear la señal para poder representarla y procesarla. La frecuencia a la que se realiza este muestreo de la señal tiene una influencia decisiva en el contenido de frecuencia permitido, y por tanto en la ventana de simulación. La anchura de esta ventana se define indirectamente fijando uno o varios de los siguientes parámetros globales de simulación (OptiSystem, 2007):  La tasa de bit (bit rate) o razón de bits, en bits por segundo (bps). Introducida manualmente o por defecto 2,5 Gbps.  El número de bits transmitidos (Sequence Length). Introducida manualmente o por defecto 128 bits.  El número de muestras por bit (Samples per bit). Introducida manualmente o por defecto 64 muestras por bit.  La ventana temporal (Time Window). Intervalo temporal que dura la simulación = Sequence Length / bit rate. Calculado automáticamente por el software.  La razón de muestreo (Sample Rate) = Number of samples / Time Window. Calculado automáticamente por el software.  El número total de muestras (Number of samples) = Sequence Length * Samples per bit. Calculado automáticamente por el software..

(39) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 29. Estos parámetros se modifican en la ventana Global Parameters a la que se accede haciendo doble clic sobre el fondo del área de trabajo en la que se “dibuja” el sistema; o bien a través del menú Layout > Parameters. La figura 2.2 muestra esta ventana. Como la razón de bits es un requerimiento que no puede cambiarse, lo más adecuado en la mayoría de los casos de estudio es fijar la tasa de bits en el campo Bit rate, y como valor del parámetro Simulation Windows especificar la opción “Set bit rate”. De esta forma el resto de parámetros se ajustan para obtener una ventana adecuada para el régimen binario especificado. Como todos ellos están relacionados (por ejemplo, el número total de muestras es el número de muestras por bit, multiplicado por el número de bits transmitidos), al modificar alguno de estos parámetros los otros se ajustan automáticamente. Si queremos que el régimen binario sea siempre el fijado (por ser un requisito del diseñador) y no se cambie de forma automática por el simulador para ajustar la ventana, debe estar activada además la opción referenced bit rate (lo está por defecto).. Figura 2.2. Ventana de parámetros globales.. Hay que tener en cuenta que en algunos casos la ventana de simulación calculada automáticamente a partir del régimen binario no es adecuada. Típicamente, ocurrirá con.

(40) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 30. fuentes de luz de gran anchura espectral (LEDs y con algunos láseres FP), o con el ruido óptico generado por los amplificadores ópticos. 2.1.3 Construir un sistema Sobre el área de trabajo vacía, se irán colocando los diferentes componentes que forman el sistema, además de los instrumentos virtuales. Los componentes están disponibles en la ventana de librerías de componentes (Component Library) de la izquierda, dentro de la carpeta Default. Los iconos que representan los componentes se deben arrastrar con el ratón y soltar sobre el área de trabajo. Los instrumentos virtuales se encuentran en la carpeta de Visualizers Library. La unión de los componentes entre sí se realiza mediante “cables”, pinchando sobre una entrada o salida de un componente, se arrastrará el ratón hasta la entrada/salida con la que se quiere unir. El camino concreto que sigue un “cable” es elegido por el propio simulador. Los componentes, una vez colocados, pueden moverse fácilmente sobre el área de trabajo, ajustándose automáticamente el cableado. Tanto los componentes como los cables pueden borrarse con la tecla Delete. A la hora de unir los componentes, debe prestarse atención a qué el tipo de entrada o salida del componente sea correcta. El simulador dispone de tres tipos de señales:  Binaria: es una secuencia de unos y ceros “abstractos”, sin amplitud, ni forma de onda, ni ruido. Representa típicamente la señal a transmitir.  Eléctrica: es una señal en el dominio eléctrico, con su forma de onda, amplitud, ruido.  Óptica: es una señal en el dominio óptico, alrededor de una portadora generada por una fuente de luz. No es posible interconectar señales de diferente tipo entre sí, sino que el correspondiente componente debe realizar el “cambio” de un dominio a otro. Por ejemplo, un generador NRZ traduce una señal binaria en otra eléctrica; un láser traduce la señal eléctrica en una óptica, y un fotodiodo realiza el proceso contrario. 2.1.4 Simular un sistema Para simular un sistema se busca la opción File > Calculate o pinchar sobre el icono desplegará la ventana de simulación que se muestra en la figura 2.3.. . Se.

(41) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 31. Figura 2.3. Ventana de simulación.. Los botones disponibles permiten: Iniciar la simulación Detener la simulación en cualquier momento Cerrar la simulación. 2.1.5 Librerías de instrumentos virtuales y de componentes A continuación se muestran y se comentan los instrumentos virtuales más comunes que se encuentran en Default > Visualizer Library: Medidor de la potencia óptica: Muestra la potencia óptica media de la señal en dBm o en Watts de la señal en su entrada. Analizador de espectros ópticos: Muestra el espectro de la señal óptica aplicada a su entrada, en términos de longitud de onda o de frecuencia. Osciloscopio: Es un visualizador que muestra la señal óptica en el dominio del tiempo..

(42) CAPÍTULO 2. ESCENARIOS DE SIMULACIÓN. 32. Analizador de espectros eléctricos: Muestra el contenido de frecuencia de la señal eléctrica aplicada a su entrada. Analizador de diagrama de ojo: Muestra el diagrama o patrón de ojo. Para su funcionamiento necesita tres señales a la entrada: la señal binaria a transmitir, la señal eléctrica a transmitir y la señal eléctrica recibida. Analizador de la probabilidad de error de bits: Estima le tasa de error de bits de la señal recibida y muestra su diagrama de ojo. Necesita tres señales para su funcionamiento: la señal binaria a transmitir, la señal eléctrica a transmitir y la señal eléctrica recibida. A continuación se muestran y se comentan los componentes más utilizados disponibles en Default > Component Library: Generador de secuencia de bits pseudo-aleatoria: Genera una señal binaria aleatoria. Esta secuencia es la más empleada para comprobar las prestaciones de un sistema, pues el tráfico de datos real tiene un carácter casi aleatorio. Téngase en cuenta que esta señal binaria no puede aplicarse directamente a un transmisor o a una fuente de luz, debe convertirse antes a una señal eléctrica empleando un código de línea (RZ, NRZ,…). Generador de pulsos NRZ: Convierte una señal binaria en una señal eléctrica con codificación NRZ. Generador de pulsos RZ: Convierte una señal binaria en una señal eléctrica con codificación RZ. Láser de onda continua: Simula una fuente de luz láser de onda continua sin posibilidad de modulación directa.. LED: Simula una fuente de luz LED de gran ancho espectral..