ANEXO A

ANEXO B

COMPONENTES DE UNA RED DE FIBRA OPTICA

Para poder implementar una red de fibra ptica es necesaria la utilizacin de algunos componentes que permitan interconectar los distintos nodos pertenecientes a estas redes, tales como: coplas, multiplexores, demultiplexores, transmisores, detectores, entre otros.

Estos componentes se clasifican en dos categoras: Componentes Opticos Activos y Componentes Opticos Pasivos. Los componentes pticos activos, son aquellos en que la conversin ptico-elctrica ocurre cuando el componente est trabajando. En cambio, en los componentes pticos pasivos, la conversin ptico-elctrica no ocurre cuando el componente est trabajando.

A continuacin, se presenta una breve descripcin de estos elementos de redes de fibra ptica.

B.1 COMPONENTES OPTICOS ACTIVOS

La conversin entre luz y electricidad ocurre cuando el componente esta trabajando [Pot97]. A continuacin, se presenta una lista de estos componentes.

B.1.1Transmisores

La funcin de estos componentes es efectuar una conversin de seal elctrica en seal ptica. En los sistemas WDM (Wavelength Division Multiplexing) se utilizan arreglos de varios transmisores pticos, para transmitir varias longitudes de onda a la vez.Existen dos dispositivos para transmitir de manera ptica, estos son: los Diodos Lser (Lasers) y los LEDs (Light-Emitting Diodes).

Un lser es esencialmente un amplificador ptico encerrado en una cavidad reflexiva que causa una oscilacin va retroalimentacin positiva. Los lasers son ms ampliamente utilizados en fuentes pticas. La funcin de estos dispositivos es convertir la energa de una entrada elctrica en energa de salida ptica. stos son capaces de lograr altas potencias de salida, tpicamente entre 0 y 10 [dBm].

El principio de operacin de un lser se muestra en la Figura B.1. Aqu, se utiliza el mismo funcionamiento que en un filtro Fabry-Perot: se ubica una cavidad (o medio de ganancia) dentro de dos placas paralelas. El resultado de ubicar este medio de ganancia en una cavidad Fabry-Perot, es obtener una alta ganancia slo para la longitud de onda resonante dentro de la cavidad. Luego del primer paso de luz a travs de la cavidad, parte de la onda atraviesa la placa derecha (ver Figura B.1) y parte se refleja, la onda reflejada se refleja nuevamente en la placa izquierda (ver Figura B.1) hacia la placa derecha, y as sucesivamente. Para la longitud de onda resonante dentro de la cavidad, las ondas transmitidas por la placa derecha son sumadas en fase. Como resultado de esta suma en fase, la amplitud de la onda transmitida se ve altamente incrementada para la longitud de onda resonante, en comparacin con las otras. Este proceso logra una seal ptica de salida coherente.

Figura B.1. Principio de operacin de un lser.

Para obtener un lser de una determinada longitud de onda, se deben cumplir dos condiciones: primero, la longitud de onda debe estar dentro del ancho de banda de la cavidad (para un lser hecho con fibra dopada con Erbio, la longitud de onda debe estar en el rango de 1525 [nm] a 1570 [nm]), y segundo, el largo de la cavidad debe ser un mltiplo entero o de la mitad de la longitud de onda. Para un lser dado, todas las longitudes de onda que satisfacen la segunda condicin son denominadas como modos longitudinales del lser. Para obtener un lser de una sola longitud de onda se pueden utilizar filtros pticos.

En la actualidad existen lasers de longitudes de onda fijas y lasers sintonizables, donde se puede determinar una longitud de onda dentro de un rango de ellas.

Una alternativa para transmitir de manera ptica es el uso de LEDs. Estos dispositivos son ampliamente utilizados en redes de tasas de transmisin bajas y de corta distancia. Un LED es una juntura-pn de parte delantera inclinada, en la cual los portadores minoritarios inyectados (electrones en la regin p y huecos en la regin n) por Emisin Espontnea producen luz.

Estos dispositivos no producen una alta potencia de salida como los lasers. Una potencia de salida tpica de stos es del orden de los 20 [dBm]. Estos dispositivos no pueden ser modulados directamente y la tasa de transmisin ms alta alcanza unos pocos cientos de [Mbps].

En los lasers, las prdidas son compensadas por la amplificacin coherente de la luz en el interior del resonador ptico a travs de Emisin Estimulada. Para producir este efecto, el diodo debe ser polarizado a una corriente mnima (corriente umbral), la cual posee suficiente potencia ptica para compensar las prdidas introducidas por el resonador. La operacin por debajo de esta corriente umbral provoca que el diodo emita luz incoherente (caso de los LEDs) [Ram98].

B.1.2Detectores

La funcin de estos componentes es efectuar una conversin de seal ptica en seal elctrica. Al igual que los transmisores, estos componentes pueden ser dispositivos sintonizables dentro de un rango de lambdas o de longitudes de onda fijas.

Para detectar la seal ptica, existen varios dispositivos que utilizan diferentes mtodos.

En el mtodo de deteccin coherente, la seal que llega al receptor ptico se suma a la de un oscilador local, antes de la fotodeteccin. Si la seal del oscilador local es ligeramente diferente a la seal entrante, entonces la corriente resultante en la salida del fotodetector, es centrada en alguna frecuencia pasa-banda, denominada frecuencia intermedia. Una ventaja clave de este tipo de deteccin es la sensibilidad, entendindose por tal, al nivel mnimo de seal a la cual el receptor detecta una seal aceptable. Otra ventaja de este tipo de deteccin, es la selectividad, que corresponde a la habilidad del receptor de detectar un determinado rango de frecuencias, al mismo tiempo que rechaza las otras.

El otro tipo de deteccin, es el mtodo directo. En ste, las decisiones de recepcin se pueden basar puramente en la energa que es recibida durante el perodo del bit, ignorando toda la informacin de fase y frecuencia. El criterio de deteccin es el mismo para seales anlogas y digitales. La nica diferencia es el orden cuantitativo. En el primer caso, se requiere de una relacin seal a ruido ms elevada que para seales digitales. Este tipo de deteccin tiene menor sensibilidad que la anterior [Ram98].

B.1.3Amplificadores pticos

En sistemas de comunicaciones pticas, la onda transmitida es atenuada a medida que sta se propaga por la fibra. Este fenmeno produce que en ciertas distancias de los enlaces pticos la seal no sea bien detectada por el receptor, lo cual limita la longitud de un trayecto, donde la seal debe ser restaurada. Para restaurar la seal existen los llamados regeneradores, los cuales reciben la seal ptica, la convierten en seal elctrica, la restauran y la vuelven a convertir en seal ptica, para retransmitirla en la misma direccin.

Los amplificadores pticos ofrecen varias ventajas, en comparacin con los regeneradores: los regeneradores tienen un Bit Rate y formato de seal especfico, en cambio, los amplificadores pticos son insensibles al Bit Rate y formato de la seal. Los amplificadores pticos poseen un amplio ancho de banda, lo que permite que un slo amplificador pueda simultneamente amplificar varias seales WDM, por el contrario, se necesitara un regenerador para cada longitud de onda.

El principio de operacin de estos amplificadores se basa en el fenmeno de Emisin Estimulada. Este proceso se repite muchas veces a lo largo de la fibra dopada, lo que se traduce en una alta ganancia ptica. Pero este proceso va acompaado del proceso de Emisin Espontnea, ya que ciertos iones caen sin ser solicitados, lo que puede producir un cierto aporte de ruido ASE (Amplified Spontaneous Emisin) de los amplificadores al sistema. Una forma de minimizar esta inclusin de ruido ASE es el uso de filtros pasa-bajos a la salida del amplificador.

Existen varios tipos de estos componentes, por ser: Erbium-Doped Fiber Amplifier (EDFA), Praseodymium-Doped Fiber Amplifier (PrEDFA), Neodymium-Doped Fiber Amplifier (MdDFA), Semiconductor Optical Amplifier (SOA), entre otros.

Los amplificadores ms atractivos son los EDFAs (Figura B.2), debido a que trabajan en la regin de la tercera ventana del espectro ptico, especficamente en el rango de longitudes de onda de 1525 [nm] a 1570 [nm] (ancho de banda: 50 [nm], con un peak en 1532 [nm]), donde la fibra posee la menor atenuacin (0.275 [dB/km] aproximadamente).

Figura B.2. Esquema de un EDFA.En la Figura B.2, se observa como est compuesto un EDFA. Este consiste de un largo de fibra dopada con Erbio. Esta fibra dopada es bombeada por un lser, tpicamente a longitudes de onda de 980 [nm]. Una copla combina la seal de bombeo con la seal de entrada. Luego, otra copla separa la seal amplificada del residuo del bombeo. Usualmente, un aislador es usado en la entrada y/o en la salida de un amplificador, para prevenir reflexiones dentro de ste.

Entre las cualidades de este amplificador (EDFA), se cuentan: Amplificacin directa de la luz, Alta potencia de salida, Bajo ruido, Amplio ancho de banda (([THz]), Alta ganancia ((30 [dB]), Conexin con bajas prdidas, Pequeas no linealidades y no introduce Crosstalk cuando amplifica seales WDM [Ram98].

B.1.4Convertidores de longitudes de onda

Un convertidor de longitud de onda es un dispositivo que transforma informacin proveniente de una longitud de onda de entrada en otra longitud de onda de salida.

Los convertidores de longitud de onda son utilizados en redes WDM por tres razones. Primero, la informacin puede entrar a la red a una longitud de onda que no es aplicable para usar dentro de la red. Segundo, los convertidores de longitud de onda pueden ser requeridos dentro de la red para mejorar la utilizacin de longitudes de onda disponibles en la conexin de red. Finalmente, la tercera razn, es que estos dispositivos pueden ser requeridos para no confundir los lmites entre diferentes redes, si estas redes son administradas por diferentes entidades, y estas entidades no coordinan la distribucin de longitudes de onda en estas redes.

Los convertidores de longitud de onda pueden clasificarse basados en el rango de longitudes de onda que gestionan en las entradas y salidas. Un dispositivo de entrada-fija/salida-fija siempre toma una longitud de onda fija en la entrada y la transforma en una longitud de onda fija en la salida. Un dispositivo de entrada-variable/salida-fija, recibe un rango de longitudes de onda en la entrada, pero siempre transforma la seal de entrada en una longitud de onda fija a la salida. Un dispositivo de entrada-fija/salida-variable efecta la funcin inversa. Finalmente, un dispositivo de entrada-variable/salida-variable puede transformar cualquier longitud de onda de la entrada en cualquier longitud de onda de salida, siempre dentro del rango de operacin.

Para lograr conversin de longitud de onda existen tres vas fundamentales: Mtodo opto-electrnico, Gating ptico, y, Mezcla de onda.

El mtodo opto-electrnico es, quizs, el ms simple, obvio y prctico utilizado hoy en da para la conversin de longitudes de onda. Como se muestra en la Figura B.3, la seal de entrada es convertida primeramente en formato electrnico, regenerada, y retransmitida, utilizando un lser de una longitud de onda diferente. Este es frecuentemente un convertidor de entrada-variable/salida-fija. Una salida variable puede ser obtenida con el uso de lasers sintonizables. El desempeo y transparencia de estos convertidores depende del tipo de regeneracin usada.

Figura B.3. Conversin Opto-Electrnica.

El gating ptico hace uso de dispositivos cuyas caractersticas cambian con la intensidad de la seal de entrada. Estos cambios pueden ser transmitidos a otra seal de prueba no modulada a una diferente longitud de onda trabajando a travs del dispositivo. En la salida, la seal de prueba contiene informacin de la seal de entrada. Tal como en el mtodo anterior, stos pueden ser dispositivos de salida fija o variable, dependiendo si la seal de prueba es fija o sintonizable. Existen dos tipos de conversin basadas en este principio: Modulacin por Cruce de Ganancia (CGM), y, Modulacin por Cruce de Fase (CPM). Ambos utilizan efectos no lineales de los amplificadores a semiconductores (SOAs). Ambos mtodos trabajan sobre un amplio rango de la seal y longitud de onda de prueba, siempre y cuando, se encuentre dentro del ancho de banda del amplificador, el cual es alrededor de 100 [nm].

El fenmeno de mezcla de cuatro ondas que ocurre debido a las no linealidades del medio de transmisin puede tambin, ser utilizado para realizar conversin de longitudes de onda. La principal ventaja de este mtodo es que es verdaderamente transparente, porque los efectos no dependen del formato de modulacin, ni del Bit Rate. Las desventajas son que otras ondas pueden filtrarse en la salida del SOA y la eficiencia de la conversin baja significativamente como la separacin de longitud de onda entre la seal de prueba y la seal en cuestin [Ram98].B.1.5Moduladores pticos

En sistemas de transmisin ptica, as como en sistemas convencionales, la informacin a ser transmitida debe modularse. En el caso de una transmisin ptica, la portadora luminosa debe modularse de manera anloga o digital: en el caso analgico, la portadora luminosa vara continuamente de intensidad; no as en el caso digital, donde este haz luminoso sufre variaciones discretas, en forma de pulsos luminosos del tipo on-off Keying (OOK).

Los sistemas de transmisin pticos de tipo digital, tienen la necesidad de incluir el uso de un codificador, el que codifica la seal proveniente de la fuente de informacin de la manera ms conveniente para la transmisin ptica. Esta complejidad en sistemas de transmisin digital, es compensada por su gran desempeo en trminos de la capacidad de informacin del enlace. Tambin, los sistemas de recepcin digitales, incluyen un decodificador ptico, el que se encarga de decodificar la informacin digital original.

Dentro de un sistema de modulacin, se pueden distinguir distintas formas de modular la seal que ser enviada por la fuente ptica, por ejemplo, la modulacin on-off Keying (OOK), por desplazamiento de frecuencias (FSK) y por desplazamiento de amplitud (ASK).

En las fuentes pticas lasers, las prdidas son compensadas por la amplificacin coherente de la luz en el interior del resonador ptico a travs de Emisin Estimulada. Para producir este efecto, el diodo debe ser polarizado a una corriente mnima (corriente umbral), la cual posee suficiente potencia ptica para compensar las prdidas introducidas por el resonador. La operacin por debajo de esta corriente umbral provoca que el diodo emita luz incoherente (caso de los LEDs).

La frecuencia del diodo experimenta una variacin indeseada (fenmeno llamado Chirping), que esta asociada a la modulacin de ste, por la variacin de la corriente inyectada. Ella es causada por la dependencia del ndice de refraccin del material semiconductor. El aumento de la corriente inyectada hace crecer la densidad de portadores, que hace caer el ndice de refraccin, y por lo tanto, la longitud de onda emitida [Ram98].

B.2COMPONENTES OPTICOS PASIVOS

La conversin entre luz y electricidad no ocurre cuando el componente esta trabajando. El principio de operacin de los componentes pticos pasivos se basa en la teora de la ptica geomtrica y ondas pticas. A continuacin se presenta una lista de estos componentes.

B.2.1Conectores

Los conectores tienen por objetivo unir dos fibras o unir la fibra a algn equipo de medicin de manera que pueda ser desmontable.

En estos momentos existen alrededor de 70 tipos de conectores en uso. Los conectores estn fabricados de abrazaderas de metal, vidrio, plstico y cermica con el fin de buscar la mayor precisin en las conexiones, sin embargo parece ser que los conectores de cermica son la opcin ms usada. Un nuevo tipo de plstico que es un polmero de cristal liquido promete ser la mejor opcin para las futuras abrazaderas de los conectores c.

A continuacin podemos ver algunos de los conectores ms comunes.

Figura B.4. Tipos de conectores.

B.2.2 Empalmes

El objetivo de los empalmes es unir dos fibras por mucho tiempo. Existen dos tipos de empalmes, empalmes por fusin y empalmes mecnicos.

Los empalmes por fusin se hacen soldando las fibras a travs de un arco elctrico. Tiene la ventaja de ofrecer bajas prdidas, ser bastante fuertes, baja reflexin y confiabilidad a largo plazo. Por su parte los empalmes mecnicos utilizan un gel para juntar las fibras de manera de minimizar las reflexiones. En algunos casos utilizan abrazaderas metlicas.

Las caractersticas de baja reflexin y alta prdida de retorno se deben en gran medida a como ha sido cortada la fibra en cada extremo. Para esto se utiliza un cuchillo con un filo especial de manera de crear una grieta en la fibra que se extienda perpendicularmente. En el caso de la fusin solo cuando los extremos estn debidamente cortados se procede a la fusin. Para el empalme mecnico se utiliza adems un manto de juntura el cual debe alinear adecuadamente ambas fibras (www.fotec.com).

Figura B.5. Empalmes.

B.2.3Coplas Bidireccionales

Las coplas bidireccionales, son usadas para mezclar o dividir las seales pticas que viajan por la red. Son dispositivos n x n, es decir, n entradas y n salidas.

Para poder explicar como funcionan estos dispositivos se har referencia a la Figura B.6, la cual presenta una copla de 2 x 2: 2 entradas y 2 salidas.

Figura B.6. Copla bidireccional 2x2

El principio de operacin de este dispositivo es el siguiente: la copla toma una fraccin de la potencia ( de la entrada 1 y la enva a la salida 1, el resto de la potencia es enviada a la salida 2. De igual manera se comporta con la potencia que llega a la entrada 2. En una copla de n x n, la potencia de cada entrada es dividida en un factor igual en todas las salidas. Las coplas denominadas Taps se caracterizan por poseer un valor de ( ( 1, tpicamente toman un valor de 0.9 0.95 [Ste00].

Las coplas son los principales componentes para la construccin de otros elementos de redes pticas, como: switches, filtros, multiplexores, etc.

B.2.4Filtros pticos

Estos dispositivos cumplen la funcin de seleccionar una longitud de onda, dentro de una banda. Son los componentes esenciales en la fabricacin de OADMs (Optical Add/Drop Multiplexers), en sistemas WDM. Adems, proveen equalizacin y filtraje de ruido en amplificadores pticos.

Estos dispositivos deben tienen una serie de caractersticas para el filtraje:

1. Baja insercin de prdidas.

2. Prdida independiente del estado de polarizacin de la seal de entrada. Si el filtro tiene una polarizacin dependiente de prdidas, la potencia de salida sera variable en el tiempo, lo que es indeseable.

3. Banda de paso insensible a variaciones de temperatura ambiente. El coeficiente de temperatura se mide por la variacin de longitudes de onda por unidad de cambio de temperatura.

4. Una conexin de filtros en cascada estrecha progresivamente la banda de paso.

5. La forma plana de un filtro reduce la cantidad de energa que pasa entre canales adyacentes (Crosstalk).

Existe una variedad de filtros pticos, entre los ms utilizados se encuentran:

Filtro Acusto-Optico: Estos filtros utilizan como principio de funcionamiento la interferencia producto de la interaccin de ondas acsticas y ondas pticas en un slido. Las ondas acsticas producen un grado de difraccin artificial con la cual interacta la onda ptica. Esto se puede observar en la Figura B.7 [Ram98].

Figura B.7. Filtro Acusto-Optico.

Filtro Thin-Film: Tambin llamado de multicapas dielctricas. Un filtro de estos con slo una cavidad, acta como un filtro pasa-banda, dejando pasar una sola longitud de onda. Al aumentar el nmero de cavidades (filtros en cascada), pasan ms longitudes de onda. Esto se puede observar en la Figura B.8 [Ram98].

Figura B.8. Filtro Thin-Film.

Filtro Fabry-Perot: Tambin llamados Interfermetros de Fabry-Perot. Estos filtros tienen su base de funcionamiento en el fenmeno de interferencia de ondas. Esto puede ser visto en la Figura B.9. La luz incidente en el dispositivo es alineada atravesando la primera placa (placa izquierda, Figura B.9), siendo reflejada por la segunda placa (placa derecha), esta seal reflejada atraviesa la cavidad en sentido contrario y es reflejada por la otra capa atravesando nuevamente la cavidad, as el rayo luminoso, al entrar a la cavidad sufre mltiples reflexiones [Ram98].

Figura B.9. Filtro Fabry-Perot.

Existen ms tipos de filtros pticos, pero todos cumplen la misma funcin: seleccionar una longitud de onda dentro de mltiples longitudes de onda.

B.2.5MUX/DEMUX pticos

La funcin de un MUX (Figura B.10(a)) es combinar varias longitudes de onda en una misma fibra. El DEMUX (Figura B.10(b)) cumple la funcin inversa. Estos son dispositivos esenciales en la fabricacin de OADMs (Optical Add/Drop Multiplexers) [Ste00].

Figura B.10. (a) MUX , (b) DEMUX.

Los OADMs cumplen la funcin de seleccionar longitudes de onda para ser subidas o bajadas (Add/Drop), sin conversin ptico-elctrica.

Se extrae una longitud de onda, desde mltiples longitudes de onda y se inserta la misma longitud de onda con nueva informacin, mientras la transmisin de las longitudes de onda restantes no es influida por este proceso.

Los OADMs (Optical Add/Drop Multiplexers) son componentes esenciales en la implementacin de redes WDM.

Estos componentes pueden ser configurables o no-configurables. Los no-configurables son aquellos en que la longitud de onda insertada/extrada (Add/Drop) es fija, por el contrario, en los OADMs configurables se puede seleccionar la longitud de onda que se va a procesar.

B.2.6Aisladores y Circuladores

Estos dispositivos se caracterizan por ser unidireccionales, es decir, permiten la transmisin en una sola direccin.

Para explicar el principio de operacin de un aislador, se har referencia a la Figura B.11, donde se presenta un esquema del principio de operacin de un aislador [Ram98].

Figura B.11. Principio de operacin de un Aislador.

La Figura B.11 muestra que la seal de entrada (onda transmitida) tiene, por ejemplo, un estado de polarizacin (SOP) vertical, la cual pasa por un primer polarizador que deja pasar slo la componente vertical, el rotor de Faraday cumple la funcin de rotar esta componente en 45 en sentido de las manecillas del reloj, llegando a un segundo polarizador que deja pasar justamente esta seal rotada en 45. En este punto, se produce una seal reflejada (onda reflejada), que es rotada nuevamente en 45 por el rotor de Faraday, obtenindose as una seal de componente horizontal, la cual es bloqueada por el primer polarizador.

Estos componentes se ubican delante de amplificadores y lasers, para prevenir el ingreso de seales reflejadas a estos dispositivos.

Los circuladores operan de la misma manera que los aisladores, pero pueden tener ms de una salida. En la Figura B.12 se muestran unos esquemas de stos. Estos componentes son tiles para la fabricacin de dispositivos de insercin/extraccin (add/drop): OADMs [Ram98].

Figura B.12. Circuladores: (a) tres puertos, (b) cuatro puertos.

B.2.7Switches pticos

Existen nodos estticos y nodos dinmicos en una red ptica. Los nodos estticos estn formados por varias coplas bidireccionales (seccin B.2.3) y los nodos dinmicos lo forman los switches.

El ms simple de los nodos dinmicos es el conocido como switch divisin-espacio o comnmente llamado Optical Cross-connect (OxC). Existen 2 tipos de switch: los por permutacin y los generalizados.Los switches por permutacin conectan una de las entradas directamente con una de las salidas, por lo tanto, son uno a uno. Las conexiones son ilustradas por la matriz de conexin que se observa en la Figura B.13 [Ste00].

Figura B.13. Matriz de switch por permutacin.

El valor 1 en la matriz de conexin, indica que la entrada est conectada con la salida correspondiente. Debido a que el switch conecta uno a uno, es que la matriz de conexin debe ser cuadrada, y el rendimiento de este tipo de switch es de n!. La conexin, especfica entre un punto y otro, es manejada por un agente externo; es por esto que este tipo de nodos es llamado dinmico, ya que se puede controlar el puerto de salida de una seal de entrada.

Los switces generalizados pueden conectar una entrada a varias salidas, o varias entradas a una sola salida. En la Figura B.14 se muestra una matriz de conexiones de 4x5, de manera de ilustrar su funcionamiento [Ste00].

Figura B.14. Matriz de switch generalizado.

En un switch de n entradas y r salidas, el rendimiento es de 2nr. Cabe especificar que los switches generalizados tienen la habilidad de terminar con una conexin, esto se logra haciendo cero todos los valores de una fila o una columna. Sin embargo, este tipo de nodos genera un problema de potencias, debido a que en una salida se puede tener varias seales de entrada variando la potencia de sta. Hay que ser muy cuidadoso al momento de disear la red.

PGINA 138