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Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería

Escuela de Ingeniería Eléctrica

IE – 0502 Proyecto Eléctrico

Sistemas de Multiplexación CWDM: actualidad, ventajas y desventajas frente a otros sistemas de

multiplexación y tendencias.

Por:

José Roberto Santamaría Sandoval

Agosto del 2004

IE-0502 Multiplexación por División de Longitud de Onda Esparcida (CWDM)

Agosto del 2004

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Sistemas de Multiplexación CWDM: actualidad, ventajas y desventajas frente a otros sistemas de

multiplexación y tendencias.

Por:

José Roberto Santamaría Sandoval

Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica

de la Facultad de Ingeniería

de la Universidad de Costa Rica

como requisito parcial para optar por el grado de:

BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA

Aprobado por el Tribunal:

___________________

Ing. Johnny Cascante Ramírez

Profesor Guía

___________________ _______________________

Ing. José Cruz Pastora Ing. Giovanni Díaz González

Miembro del Tribunal Miembro del Tribunal


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DEDICATORIA

A Dios y a mis padres que con su incondicional apoyo siempre han sido el bastión sobre el cual me basó

para llegar a las metas propuestas. Siendo este trabajo el fruto de muchos años de sacrificio y esfuerzo conjunto.


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RECONOCIMIENTOS

Agradecimientos al Prof. Johnny Cascante por la oportunidad brindada. Además por

su apoyo y guía en la elaboración de esta investigación.

A los miembros del tribunal Ing. José Cruz Pastora e Ing. Giovanni Díaz González

por aceptar ser parte del tribunal.

Finalmente a mis padres, por los años de sacrificio que han tenido para lograr que

sus hijos estén donde están hoy.


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ÍNDICE GENERAL Índice de Figuras ......................................................................................... vii Índice de Tablas...........................................................................................viii Nomenclatura ................................................................................................ ix

Resumen........................................................................................................ xii Capítulo I ........................................................................................................ 1

Introducción General ..................................................................................... 1

1.1Justificación................................................................................................................................1 1.2 Objetivo General .......................................................................................................................5 1.2.1 Objetivos Específicos .............................................................................................................5 1.3Metodología................................................................................................................................6

Capítulo II....................................................................................................... 7

Fundamentos Teóricos de los Sistemas de Comunicaciones Ópticas ......... 7

2.1 Estructura de un sistema de comunicaciones ópticas ................................................................7 2.2 Inicio, desarrollo y evolución de los sistemas de comunicaciones ópticas. ..............................9 2.3 Funcionamiento general de los sistemas de comunicaciones ópticos .....................................17 2.4 Fuentes y receptores ópticos....................................................................................................22

Capítulo III. .................................................................................................. 27

Introducción a los sistemas de multiplexación........................................... 27

3.1 Sistemas tradicionales .............................................................................................................27 3.1.1 Definición y estructuras....................................................................................... 27 3.1.2 Multiplexación por división de tiempo y multiplexación por división de frecuencia ..................................................................................................................... 28

3.2 Introducción al sistema de multiplexado por longitud de onda WDM....................................40 3.2.1 Descripción y funcionamiento............................................................................. 40 3.2.2 Utilización ........................................................................................................... 42 3.2.3 Sistemas de multiplexación DWDM ................................................................... 43

Capítulo IV. .................................................................................................. 47

Multiplexación CWDM................................................................................ 47

4.1 Necesidad de los sistemas CWDM..........................................................................................47 4.2 Partes de un sistema CWDM...................................................................................................49 4.3 Funcionamiento de un sistema CWDM ..................................................................................53 4.4 Multiplexores y amplificadores ...............................................................................................58


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4.5 Aplicaciones ............................................................................................................................60

Capítulo V. .................................................................................................... 65

Tendencias de CWDM ................................................................................. 65

5.1 Nuevas Técnicas ......................................................................................................................65 5.2 Nuevas Aplicaciones ...............................................................................................................70 5.3 Utilización en Costa Rica ........................................................................................................74

5.3.1 Antecedentes........................................................................................................ 74 5.3.2 Proyecto Internet Avanzada................................................................................. 78 5.3.3 Proyecto Frontera - Frontera ............................................................................... 80

Capítulo VI. .................................................................................................. 83

Conclusiones y Recomendaciones ............................................................... 83

6.1 Conclusiones............................................................................................................................83 6.2 Recomendaciones ....................................................................................................................86

Bibliografía ................................................................................................... 88


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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama de bloques de un sistema de comunicación por fibra óptica.......... 7 Figura 2.Fotografía del extremo de una fibra óptica. ..................................................... 10 Figura 3.Tipos de fibras y el movimiento de los rayos de luz en cada tipo. .................. 11 Figura 4.Efectos de la automodulación de fase (SPM).................................................... 16 Figura 5.Reflexión y refracción de un haz de luz. ........................................................... 17 Figura 6.Haces de luz guiados en una fibra multimodal. ............................................... 18 Figura 7. Atenuación típica de una fibra óptica hecha de silicio ................................... 19 Figura 8. Dispersión cromática en función de la longitud de onda................................ 20 Figura 9. Dispersión por modo de Polarización en una fibra de modo simple............ 21 Figura 10. Característica de potencia de salida en función de la corriente conducida en un LED (a) y un LASER (b) ......................................................................................... 23 Figura 11.Construcción de un láser .................................................................................. 25 Figura 12.Construcción de un láser VCSEL.................................................................... 25 Figura 13.Construcción de un detector PIN .................................................................... 26 Figura 14.Diagrama de Bloques de un sistema FDM...................................................... 29 Figura 15.Multiplexor de un sistema TDM...................................................................... 31 Figura 16.Canal de comunicación para un sistema TDM de 4 señales ......................... 32 Figura 17.Estructura PDH a) Europea b) Norteamericana ........................................... 36 Figura 18.Sistema de transmisión de fibra óptica con WDM ........................................ 41 Figura 19.Red de telecomunicaciones de banda ancha que utiliza distribuidores WDM de tres canales ..................................................................................................................... 43 Figura 20.Separación entre canales para CWDM y comparativa con DWDM. .......... 48 Figura 21.Planificación de canales en sistemas CWDM. ................................................ 52 Figura 22.Variaciones con la temperatura de la longitud de onda de emisión de un láser DFB no refrigerado en un canal de CWDM a 1554 nm......................................... 56 Figura 23.Comparación de costos CWDM y DWDM..................................................... 61 Figura 24.Introducción de canales DWDM sobre un canal CWDM............................. 69 Figura 25. Espectro óptico del sistema WDM SCM........................................................ 73 Figura 26.Mapa de ubicación de los cables submarinos en los que participa Costa Rica.............................................................................................................................................. 78 Figura 27.Mapa del proyecto frontera = frontera........................................................... 80


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Índice de Tablas

Tabla 1. Tabla comparativa de las características de un diodo LED típico y un LASER típico ...................................................................................................................... 23

Tabla 2. Equivalencias en tasas de transmisión entre SONET y SDH .......................... 38

Tabla 3. Equivalencias en tasas de transmisión entre SONET y SDH .......................... 67


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NOMENCLATURA

APD: Fotodiodo de avalancha.

ATM: asynchronous transfer mode, modo de transferencia asíncrono.

CCITT: Comité Consultativo Internacional de Telegrafía y Telefonía.

CWDM: coarse wavelength division multiplexing, multiplexación por division de

longitude de onda esparcida.

DBR: distributed-Bragg reflector, reflectores de Bragg distribuidos.

DFB: distributed-feedback, láser de realimentación distribuida.

DSF: dispersion-shifted fiber, fibra de dispersión desplazada.

DWDM: dense wavelength division multiplexing, multiplexación por división de

longitud de onda densa.

EDFA: erbium-doped fiber amplifier, amplificador de fibra dopada con erbio

FDM: frecuency division multiplexing, multiplexación por división en frecuencia.

FTTB: Fibra hasta el edificio.

FTTC: Fibra hasta la acera.

FTTH: Fibra hasta la casa.

FWM: four wave mixing, mezclado de cuatro ondas.

ISDN: integrated service digital networks, red digital de servicios integrados.

ITU: International Telecommunication Union, Unión Internacional de

Telecomunicaciones.


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LASER: ligth amplification by stimulated emission of radiation, emission

estimulada de la radiación por amplificación de luz.

MI – DD: Modulación de Intensidad y Detección Directa.

NZDSF: nonzero dispersion shifted fiber, fibra de dispersión desplazada no

cero.

OADM: optical add-drop multiplexer, multiplexador de inserción / extracción

óptico.

OC: Optical Carrier, portador óptico.

OFDM: Multiplexación por división de frecuencia óptica.

OTDM: optical time division multiplexing, multiplexación por división del tiempo

óptica.

OXC: optical cross-connector, conector cruzado óptico.

PCM: Modulación por codificación de pulsos.

PDH: Jerarquía digital plesiosíncrona.

PMD: polarization mode dispersion, dispersión por polarización de modos.

PST: proveedor de servicios en telecomunicaciones.

RF: radio frecuencia.

SCTE: Sociedad de Ingenieros de Televisión por Cable.

SDH: synchronous digital hierarchy, jerarquía digital sincrónica.

Solitón: grupo de pulsos muy estrechos viajando en conjunto.

Sonet: synchronous optical network, red óptica sincrónica.


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SPM: Automodulación de fase.

STDM: multiplexación estadística por división de tiempo.

STS: Señal de transporte sincrónica.

TDM: time division multiplexing, multiplexación por división del tiempo.

UDWDM: Multiplexación por división por longitud de onda ultra densos.

WDM: wavelength division multiplexing, multiplexación por división de longitud

de onda.

XPM: modulación cruzada de fase.

ZWPF: Fibras de Pico de agua cero.


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RESUMEN

A nivel mundial la necesidad de ancho de banda va aumentando conforme

aumenta el número de aplicaciones. La tendencia es a utilizar DWDM en redes de

transporte y también en redes locales y metropolitanas. Pero, desde hace pocos

años se viene introduciendo al mercado una técnica con un menor costo, capaz de

competir en velocidades con DWDM en redes metropolitanas y locales, siendo

está técnica CWDM.

El objetivo del trabajo es analizar la técnica CWDM, sus aplicaciones y tendencias

futuras. Como anexo, analizar la posibilidad de utilizar dicha técnica en proyectos

que se desarrollan en Costa Rica.

Por la cantidad de canales que se introducen en CWDM no llega a competir con

DWDM en las redes de transporte a nivel internacional. Sin embargo, su mercado

se ha focalizado en redes locales y metropolitanas, donde las distancias son más

cortas y no hay necesidad de usar repetidores, aunado a esto la información que

pasa por dichas redes es mucho menor a la que pasa por redes de transporte.

Es una solución ideal en estas redes porque al no necesitar repetidores se

abaratan los costos, además que aprovecha todas las ventanas de transmisión

debido a la introducción de fibras ópticas de dispersión desplazada, con lo que se

puede introducir un mayor número de canales y por último, al ser el espaciamiento

de canales mucho mayor, los láseres utilizados no deben de ser tan precisos ni

con sistemas de enfriamiento, reduciendo aún más los costos.

Por las razones anteriores, en muchos países se ha visto esta técnica como la

solución para las demandas de ancho de banda a nivel local.

Las tendencias de esta tecnología tienen un panorama muy amplio. Esto es


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debido sobre todo a que el espaciamiento entre canales es mayor, y al utilizar

todas las ventanas, se puede introducir una mayor cantidad de canales, con lo

cual se puede ampliar la cantidad de información a un menor costo. Además,

desde hace poco se investiga la posibilidad de combinar DWDM sobre CWDM, ya

que la primera técnica sólo ocupa las ventanas de 1350 y 1550 nm.

En Costa Rica la posibilidad de utilizar CWDM se cierra en este momento, debido

a que la planificación del proyecto frontera – frontera se hizo con DWDM, porque

en ese tiempo todavía no se había introducido al mercado CWDM, aunado a esto,

lo que se requiere es una red de transporte ya que la de acceso se monto sobre

SDH, tecnología ya implementada desde hace muchos años en el país. Aún

cuando si se realiza un análisis de los mapas, se puede ver que hay sectores

donde no se necesitan tanto transporte de información ni repetidores y se podría

utilizar CWDM.

Aunque en Costa Rica no se analiza la posibilidad de utilizar CWDM a futuro, en

otros países como España existen sectores donde ya está en funcionamiento. Con

todo esto, CWDM es una gran opción a futuro para las redes de acceso.


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CAPÍTULO I: Introducción General 1.1 Justificación

A través del tiempo el hombre ha utilizado la luz como fuente de energía y no

como transmisora de información. La primera utilización de la óptica en un

desarrollo tecnológico fue en 1790, cuando el francés Claude Chappe inventó el

telégrafo óptico. Su sistema consistía de una serie de semáforos montados en

torres en los que un operador transmitía mensajes de una torre a otra. El siguiente

intentó fue en 1880, cuando Alexander Graham Bell, inventor del teléfono, patentó

un teléfono óptico, el cual llamó “Photophone”. El problema de estos inventos era

la utilización de la luz solar.

Estos inventos quedaron en el olvido debido a que la luz solar o la luz blanca que

es la que vemos, es un haz de luz incoherente, compuesta por todas las

longitudes de onda del espectro visible, y para la comunicación por medio de luz

se requiere de un haz que se pueda guiar. Antes del invento de Bell, en el siglo

XIX, en los años 40 el físico suizo Daniel Collodon y el físico francés Jacques

Babinet demostraron que la luz se podía guiar mediante chorros de agua de una

fuente. Pero fue en el año de 1854 que el inglés John Tyndall popularizó la guía de

luz por medio de chorros de agua en una demostración pública.

A inicios del siglo XX se logró demostrar que una varilla de cuarzo doblada podía

transportar la luz. Pero el avance más importante no fue la creación de la fibra

óptica, sino del rayo láser en el año de 1960. Ya que en el año de 1951, Holger

Muller quiso patentar un estudio sobre la fibra óptica, pero le fue rechazado y

además no logró interesar a las compañías. Pero, con la nueva aplicación del rayo

láser a las telecomunicaciones, entonces se empezó a trabajar en fibras ópticas

óptimas para el transporte de información. Por ejemplo, para los años 60 existían


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fibras ópticas con cubiertas de vidrio, que perdían un decibelio por metro,

adecuado para la medicina pero muy malo para las telecomunicaciones.

La fibra óptica es el conducto que guía la información enviada por medio de luz

(sea un rayo láser o por un led) que entra en un extremo de ella, en forma de haz

de luz coherente y que al salir al otro extremo se requiere reconstruir la

información. Porque la señal que sale está un poco distorsionada debido a la

dispersión cromática propia de los materiales con que se realiza la fibra óptica. La

base en la que se fundamenta la comunicación a través de la fibra óptica es la

reflexión total interna de la luz, cuando ésta pasa de un medio a otro.

Cuando un haz de luz sale de un medio a otro medio, éste cambia de dirección

con respecto a la vertical. Por ejemplo, un rayo de luz pudo haber entrado con un

ángulo de 30º, al pasar al segundo medio sale a 45º de la vertical. Entonces,

existe un ángulo de entrada donde todo el rayo se refleja en el mismo medio, en

este concepto se basa la comunicación óptica, y de ahí la utilización de la fibra

óptica como medio transportador.

Los sistemas de comunicaciones ópticos logran llevar la información a velocidades

muy superiores de la que se puede obtener con los cables de cobre. De ahí, la

importancia de su utilización cada vez más generalizada.

Existen dos métodos tradicionales de multiplexación de señales en un sistema de

fibra óptica que utiliza luz coherente. El primer método es la división en tiempo ó

TDM (Time Division Multiplexing) y el segundo método es la división en frecuencia

ó FDM (Frecuency Division Multiplexing) . En los últimos tiempos, se ha utilizado la

división por longitud de onda ó WDM (Wavelength Division Multiplexing), que a

diferencia de los otros sistemas, cada señal entrante al sistema tiene una

frecuencia de láser diferente, la cual puede ser filtrada en el receptor.


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Cuando se requiere aumentar la capacidad de un sistema de comunicación óptica,

los operadores pueden escoger varias soluciones. La primera de ellas consiste en

aumentar la capacidad del canal que está siendo transmitido por fibra óptica. La

segunda solución es transmitir nuevos canales por nuevos segmentos de fibra

óptica. La tercera y última opción es la que constituye las tecnologías WDM y

consiste en transmitir varios canales por una misma fibra. De las tres opciones

anteriores, la tecnología WDM es la que maximiza la utilización global de los

tendidos de fibra, requiere un menor número de equipo y sobre todo, permite con

mayor facilidad aumentar la capacidad de la red.

La multiplexación por longitud de onda, a la vez se subdivide en varios métodos.

Dos de ellos son DWDM y CWDM. La técnica DWDM (Dense Wavelength Division

Multiplexing) es la más costosa de las dos, porque en esta multiplexación se

introducen más de 8 longitudes de onda (canales), donde se combinan múltiples

señales ópticas de tal manera que pueden ser transportadas como un sólo grupo y

transportadas sobre una única fibra óptica para incrementar su capacidad; cada

una de las señales puede ser a una velocidad distinta.

La técnica CWDM (coarse WDM) es la técnica esparcida como lo indica el

nombre. Esta técnica multiplexa una menor cantidad de longitudes de onda por

fibra óptica. Es más barata y además se recomienda su utilización en redes

metropolitanas (redes de 200 – 300 km). En la técnica CWDM el espaciado entre

los distintos canales es de 20 nm; mucho mayor al espaciado que se deja en la

técnica DWDM, donde típicamente es de 1.6 nm. Eso dependiendo de la

tecnología que se utilice.

Se mencionó que la técnica CWDM es más barata, porque no solamente en la

adquisición de los equipos es una opción más económica, sino también en el

costo de funcionamiento. A modo de indicación, un trasmisor de CWDM cuesta

apenas un 13,3% de los consumido por un DWDM. Además, la tecnología CWDM


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requiere equipo de menor tamaño y es más simple. La técnica DWDM al tener un

espaciado menor, requiere equipo más desarrollado lo que implica un aumento en

el costo total de la red a instalar. Luego, el equipo emisor debe ser más fino,

porque en DWDM se requiere una separación de 0.8 ó 0.4 nm, e incluso menor,

entre las señales, y cualquier desplazamiento puede causar pérdidas significativas

en el sistema, debido al acoplo de señales, pérdida de información. Los láseres de

CWDM están especificados para trabajar desde los 0º C a 70º C, por lo que no

requieren sistema de refrigeración, con una variación máxima en su longitud de

onda de emisión de 6 nm, que unidos a los ± 3 nm de incertidumbre que por lo

general establece el fabricante, da una desviación total de 12 nm. Esta variación

aunque grande, se acepta en CWDM porque la variación entre las señales es de

20 nm.

En sistemas de gran distancia, sólo con la fibra óptica no basta para la transmisión

de información, debido a la pérdida de señal. Los amplificadores que utiliza la

tecnología CWDM son de menor costo, cuando se usan, además que cada

amplificador requiere de filtros para poder diferenciar cada canal. Pero, por la

misma separación de señales en cada tecnología WDM son de menor costo y

precisión los de CWDM.

Conociendo estas características, y en vista de que hacia el futuro la tecnología

CWDM se perfila como una solución más barata en términos de adquisición de

equipos y mantenimiento, tanto en redes metropolitanas como en redes de acceso

es que se pretende profundizar en el estudio de esta tecnología. El presente

trabajo pretende investigar los fundamentos del sistema de multiplexación por

división de longitud de onda esparcido CWDM, los avances que presenta y sus

tendencias, debido a que se presenta como una opción idónea para incrementar

de forma económica los sistemas ópticos existentes.


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1.2 Objetivo General

Conocer a profundidad los fundamentos del sistema de multiplexación por división

de longitud de onda esparcida CWDM, así como los avances que tiene

actualmente, aplicaciones y su situación en la red futura de Costa Rica.

1.2.1 Objetivos Específicos

• Conocer el fundamento teórico de un sistema de comunicaciones ópticas

• Realizar una introducción de otros sistemas de multiplexación

• Estudiar el desarrollo que han tenido los sistema de multiplexación en

longitud de onda.

• Estudiar los aspectos relevantes del sistema CWDM, funcionamiento,

partes, equipo utilizado y principales aplicaciones.

• Investigar las tendencias del CWDM, posibles avances y aplicaciones de

éstas.


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1.3 Metodología

La metodología empleada para realizar la presente investigación es la siguiente:

-Recopilación de información bibliográfica acerca de aspectos generales de

sistemas de comunicaciones ópticos. La búsqueda se realiza en artículos de

revistas especializadas, libros técnicos y publicaciones electrónicas encontradas

en Internet.

-Redacción de fundamentos teóricos sobre sistemas de comunicaciones ópticos.

-Recopilación de información bibliográfica acerca de sistemas tradicionales de

multiplexación FDM y TDM. La búsqueda se realiza en artículos de revistas

especializadas, libros técnicos y publicaciones electrónicas encontradas en

Internet.

-Recopilación de información bibliográfica acerca del funcionamiento del sistema

CWDM, tendencias y aplicaciones. La búsqueda se realizará en artículos de

revistas especializadas, libros técnicos, publicaciones electrónicas encontradas en

Internet.

-Redacción de aspectos técnicos sobre multiplexación CWDM y sistemas

tradicionales de multiplexación.

-Análisis de tendencias en CWDM, para establecer nuevas técnicas, nuevas

aplicaciones y futuro en Costa Rica.

-Redacción de tendencias en CWDM.

-Redacción de conclusiones y recomendaciones.

-Elaboración del informe escrito con todas sus partes.

-Preparación de la presentación para la defensa del proyecto.


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CAPÍTULO II: Fundamentos Teóricos de los Sistemas de Comunicaciones Ópticas 2.1 Estructura de un sistema de comunicaciones ópticas

Un sistema de comunicaciones ópticas esta constituido por cinco partes

elementales: una fuente, un transmisor, un medio de transmisión, un receptor y un

destino. El esquema de bloques de la figura 1 muestra las partes constitutivas de

un sistema de comunicación por fibra óptica. El transmisor consiste en una fuente

de luz y circuitos de alimentación eléctrica asociados. La trayectoria de

transmisión es la fibra óptica que sirve como una guía. El receptor consiste en un

foto detector, más los circuitos necesarios para la amplificación y restauración de

la señal.

Figura 1. Diagrama de bloques de un sistema de comunicación por fibra óptica.

Fuente: Stremler. Introducción a los sistemas de comunicación, 1993.

El esquema de la figura 1 es de un sistema guiado, porque la fibra óptica “es en

esencia una guía onda dieléctrica” (Capmany: 18, 2001). Los sistemas no guiados

son aquellos sistemas de comunicaciones ópticas basados en transmisión

atmosférica, pero los primeros experimentos realizados en base a este tipo de

transmisión pusieron de manifiesto diversos obstáculos como la escasa fiabilidad

debida a precipitaciones, contaminación o turbulencias atmosféricas.


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El espectro óptico ocupa la porción del espectro electromagnético desde una

longitud de onda de 50 nm (ultravioleta) hasta cerca de 100 µm (100 x 10-6 m).

Como el ancho de banda para la información útil en un sistema de comunicación

está limitada a una porción de la frecuencia de la señal portadora, los sistemas

ópticos ofrecen la ventaja de ancho de banda potencial muy amplio.

Las fuentes utilizadas para los sistemas de comunicaciones ópticas son diodos

emisores de luz (LED), que producen luz no coherente (varias longitudes de

onda), y diodos láser semiconductores, que son coherentes (de una sola longitud

de onda). El LED es una elección muy común por su resistencia y bajo costo, pero

tiene la característica de emitir menor potencia y no puede conmutar con tanta

rapidez como el diodo láser. Los diodos láser presentan mejores características de

acoplamiento de luz y se prefieren en aplicaciones de ancho de banda amplio.

El medio de propagación dependiendo del tipo de transmisión puede ser la fibra

óptica o la atmósfera, como se mencionó anteriormente. Concentrándose en la

fibra óptica, después de que una señal óptica se ha enviado por la fibra, la señal

se atenúa y distorsiona con la distancia como resultado de efectos de reflexión,

absorción y dispersión. Un factor importante en el funcionamiento del sistema de

comunicación por fibra óptica es la interconexión de fibras. Para dicha

interconexión se calcula una eficiencia, y este valor será importante para saber la

señal que llegará al destino.

El receptor del sistema de comunicaciones ópticas consiste en un foto detector, y

los circuitos asociados para la amplificación y restauración de la señal. Los foto

detectores son elementos que convierten la señal óptica en señal eléctrica. Dos

tipos utilizados en la comunicación por fibra óptica son el fotodiodo pin y el

fotodiodo de avalancha. Ambos tipos son eficientes y responden con gran rapidez,

pero el fotodiodo de avalancha ofrece una mayor sensibilidad.


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Producto de la atenuación y distorsión que sufre la señal óptica por la distancia

que viaja en la fibra, es que se necesita un repetidor para amplificar y reconfigurar

la señal. El repetidor óptico consiste en un receptor y un transmisor . Estos

repetidores se colocan a intervalos a lo largo del sistema, de acuerdo con las

pérdidas esperadas.

2.2 Inicio, desarrollo y evolución de los sistemas de comunicaciones ópticas.

Como se mencionó en la justificación del trabajo, desde el siglo XVIII y XIX, se

manejaba la idea de comunicación por medio de la luz, pero no es sino hasta la

década de los sesenta y setenta del siglo XX que se originan avances

tecnológicos que permiten el desarrollo de sistemas de comunicaciones ópticas.

El primer avance se da en el año 1960, con la construcción del primer láser, no

obstante, el siguiente avance es sin duda el más importante. Este avance es el

medio de transmisión, porque la atmósfera se había demostrado desde el siglo

XIX que no es el medio de transmisión más adecuado debido a la contaminación,

perturbaciones y fenómenos atmosféricos, lo que ocasiona que la señal se

distorsione.

En 1970 Corning Glass Works construyen fibras ópticas con una atenuación de 20

dB/km a una longitud de onda de 633 nm. Esto, en términos de comunicación, son

valores aceptables y con los cuales se puede enviar información sin mucha

pérdida de la señal original. Este trabajo tiene su origen en una investigación

realizada por Kao y Hockman, en 1966. En esta investigación se señala que la

atenuación en las fibras de vidrio existentes en ese momento no era debido a

características propias del vidrio, sino a impurezas originadas en el proceso de

fabricación. Ésto fue lo que desencadenó una serie de investigaciones que

llegarían a resultados como el de Corning Glass.


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En 1972 se desarrolla una fibra con núcleo líquido que tenía una atenuación de

8 dB/km, pero al año siguiente Corning Glass obtiene una fibra óptica de dióxido

de Silicio de alta pureza con una atenuación de 4 dB/km. En 1976, NTT y Fujikura

obtienen una fibra óptica con atenuación de 0.47 dB/km en 1300 nm, éste muy

próximo al límite debido a factores propios de la fibra. Y en 1976, se alcanzan

atenuaciones de 0.12 dB/km con fibras monomodo a 1550 nm. Estos valores son

muy próximo al mínimo establecido por el scaterring Rayleigh, tema del que se

hablará en la siguiente sección.

La fibra óptica es el medio transmisor de la información en un sistema de

comunicación óptico. En su estructura más simple, consta de un anillo central de

plástico o vidrio llamado Núcleo o alma, un recubrimiento de vidrio o plástico,

llamado corteza, envoltura o manto y una chaqueta protectora de caucho o

plástico. El núcleo es el camino real de propagación de la información y tiene un

índice de refracción distinto al de la corteza.

Figura 2.Fotografía del extremo de una fibra óptica.

Fuente: Ramón Alos de Optral. Artículo: La fibra óptica como medio de transmisión, Revista

CONECtrónica versión digital.

Las fibras se pueden clasificar dependiendo de la cantidad de rayos de luz

guiados en éstas. Así se pueden clasificar en dos tipos. Las fibras monomodo (un


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rayo guiado) y las fibras multimodo (varios modos o rayos guiados). Las primeras

fibras en utilizarse fueron la multimodo de salto de índice, donde el núcleo y la

cubierta tienen un índice de refracción diferente, la distorsión de las señales que la

atraviesan es grande, lo que genera una deformación de la señal recibida. Luego

se utilizaron las multimodo a gradiente de índice. Su núcleo se compone de varias

capas de vidrios sucesivos, que van reduciendo el índice de refracción hasta

coincidir con el índice de refracción de la cubierta. Y por último, se desarrollaron

las monomodo, cuyo núcleo es tan fino que solamente pasa un rayo de luz guiado,

y su movimiento es casi lineal, es la fibra usada para las largas distancias.

Figura 3.Tipos de fibras y el movimiento de los rayos de luz en cada tipo.

Fuente: Artículo: Generalidades de la fibra óptica, Revista CONECtrónica versión digital.

Pero todavía faltaba por solucionar un problema. La longitud de onda de mínima

dispersión cromática es 1300 nm y de mínima atenuación es 1550 nm, por lo tanto

no coinciden. Cuando se elige el material de construcción de la fibra es imposible

modificar la atenuación, entonces se comenzó a trabajar en la modificación de la

dispersión cromática, ésto se logró cambiando el perfil del índice de refracción.

Esta nueva generación de fibras tenía una pérdida de 0.2 a 0.3 dB/Km en la

longitud de onda de 1550 nm, estudiadas a partir de 1985, denominándose fibras

de dispersión desplazada, las cuales se utilizan en aplicaciones de muy alta

velocidad, como son los cables submarinos.


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Al tener medios conductores satisfactorios, fuentes y detectores basados en

semiconductores se inicia un proceso de desarrollo en los sistemas de

comunicaciones ópticas desde el año de 1974 hasta la fecha. Este proceso se

puede resumir en cinco generaciones.

La primera generación comenzó a instalarse en 1978, utilizaba fibras multimodo

de salto de índice y una longitud de onda de 800 nm, la capacidad que podía

conseguir era cercana a los 50-100 Mbps, con una separación típica de

repetidores de 10 Km. Estos valores permitían que se compitiera con el cable

coaxial, ya que la separación entre repetidores era superior. La fuente de estos

sistemas de comunicación eran diodos de galio – aluminio – arsenio y fueron

limitados debido a sus pérdidas de sobre los 2 dB/km. Pero aún así, el pasar la

longitud de onda de 800 nm a 1300 nm redujo las pérdidas. Además, un segundo

problema que tuvieron fue que las fuentes usadas no transmitían la longitud de

onda exacta.

Cuando se soluciona el problema de las fuentes de luz, se pasa a la siguiente

generación. Los sistemas de segunda generación usaban como fuente de luz,

láseres de Indio – Galio – Arsénico – Fósforo (InGaAsP), los cuales emitían luz a

1300 nm, donde la atenuación de la fibra era de 0.5 dB/km y el pulso de dispersión

era menor que a 800 nm.. Estos sistemas de comunicaciones ópticas basados en

el empleo de dichos componentes y de fibra multimodo (inicialmente), comienzan

a instalarse en 1980, la separación entre repetidores aumentaba hasta unos 20

km., aunque la velocidad de transmisión estaba limitada a unos 100 Mbps.

Esta limitación fue la que determinó el uso de la fibra monomodo, con la cual se

alcanzó una distancia de separación de 44 km entre repetidores, y velocidad de

transmisión de 2Gbps. Los primeros sistemas se instalaron en 1983 y para 1987

estaban en pleno uso.


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13

La tercera generación apareció cuando se observó que la separación entre los

repetidores de la segunda generación era limitada por su atenuación de

0.5 dB/km. Una forma para aumentar la separación era pasarse a la tercera

ventana, donde la longitud es de 1550 nm, donde como se mencionó

anteriormente se logran atenuaciones de 0.18 dB/km. Pero en dicha longitud de

onda la dispersión cromática es considerable. Por eso, para resolver estos

problemas los sistemas de tercera generación utilizaron las fibras de

desplazamiento, ya mencionadas, así estos sistemas no aprovecharon la gran

cantidad de fibra instalada.

La otra forma de solucionar el problema de la separación entre repetidores era

reducir la anchura espectral de las fuentes ópticas. Con la aparición de los láseres

DFB (láser de realimentación distribuida) y DBR (Reflectores de Bragg

distribuidos) se hizo posible la obtención de fuentes con las características

deseadas. En 1990 aparecieron las primeras versiones comerciales funcionando a

2.5 Gbps con distancia entre repetidores de 100 km. En la actualidad la mayoría

de países utilizan enlaces con estas características. Los sistemas de tercera

generación pueden llegar a velocidades de 10 Gbps tomando en cuenta factores

como el desplazamiento de la frecuencia central de emisión del láser transmisor y

la aparición transitoria de un segundo modo espectral de oscilación, además

tienen una ventaja adicional, que su longitud de operación coincide con la banda

de ganancia del amplificador óptico de fibra dopada con erbio, elemento que se

explicará en la sección 4.4.

Los sistemas de estas tres generaciones anteriores emplean el mismo formato de

modulación y detección, conocido como Modulación de Intensidad y Detección

Directa (MI – DD) en el que no se aprovechan características de frecuencia y fase

del medio óptico. En los inicios de los 80, se empezó a estudiar la posible

utilización de técnicas de modulación en la frecuencia o la fase, es así como en


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estos sistemas es importante la coherencia de la fuente óptica, por lo cual se

llaman sistemas coherentes.

Los sistemas de cuarta generación se basan en la detección coherente. Tienen

como ventajas que se puede incrementar la sensibilidad del receptor hasta en

20 dB, en comparación con los sistemas de las anteriores generaciones. Ésto

supone un aumento de 100 km entre los repetidores en la longitud de enlace a

1550 nm. Además, se puede transmitir en multicanal por multiplexación por

división de frecuencia óptica (OFDM) con separación entre canales de 1 – 10 GHz

sin añadir elementos adicionales.

Con el desarrollo de los amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio se ha

relegado a un segundo plano los sistemas coherentes. Ésto debido a que los

primeros aumentan la sensibilidad sin tener problemas de estabilización y control.

Estos problemas si se presentan en los sistemas coherentes, ya que hay que

controlar la estabilidad relativa de la longitud de onda del transmisor y el oscilador

local, además se debe ajustar la polarización del oscilador a la de la señal de

salida.

Los sistemas de quinta generación se basan en la transmisión de solitones (pulsos

ultracortos que preservan su forma temporal, no se ensanchan, a lo largo de su

propagación por la fibra). Con las aparición de los amplificadores dopados ésto

dejó de ser una novedad y pasó a ser una técnica de gran utilidad en la

transmisión de datos a alta velocidad.

Se genera un pulso ultracorto y muy intenso a la salida del láser, así es como se

produce un solitón. Cuando dicho solitón se propaga por la fibra provoca la

aparición de efectos no lineales. El de mayor interés es el efecto Kerr.


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Si por ejemplo, se enviará un pulso de 10 ps a que atravesará una fibra óptica de

30 km con una ventana de transmisión de 1550 nm de longitud de onda, este

pulso se alargará para salir con un ancho de 150 ps. Además, si la potencia del

impulso no es la suficiente para vencer los niveles de ruido, éste se perderá

completamente. El efecto Kerr del cual no se puede librar en los sistemas

amplificados de varios miles de kilómetros se explica de manera sencilla así: “Las

diferentes componentes de un impulso van a desplazarse a velocidades diferentes

en función de su potencia” (Toledo: Artículo en internet , 2000).1 Eligiendo los

parámetros adecuados para el solitón, se puede compensar el efecto Kerr,

manteniendo la forma del pulso. Este efecto es también denominado efecto de no

linealidad del índice de refracción y aparece como consecuencia de los intensos

campos electromagnéticos que se pueden propagar por una fibra óptica. Como el

índice de refracción es dependiente de la potencia óptica que se propaga por él y

teniendo en cuenta un término proporcional a la intensidad de campo, este término

provoca un cambio de fase de la onda, que no tendría importancia si la potencia

no fuese función del tiempo, pero como si lo es, entonces la fase cambia en el

tiempo. Los siguientes son efectos relacionados con el efecto Kerr:

• Automodulación de fase (SPM), como se mencionó, el índice de refracción

del núcleo de la fibra depende de la potencia. Si ésta interactúa con la

dispersión cromática en la fibra, el resultado es un cambio en el valor de la

anchura del pulso que viaja en la fibra. Cuando el pulso está en su flanco

creciente causa que el índice de refracción de la fibra aumente, ésto

produce un cambio a azul. Cuando el pulso tiene su flanco decreciente

produce un decremento del índice de refracción, creando un cambio a rojo.

Estos cambios de azul a rojo y viceversa producen la aparición de una

frecuencia parásita en cada cambio de flanco el cual interactúa con la

1 Toledo Alvarez, M. C. José Angel. Artículo: Propagación de solitones en fibras ópticas. Instituto

Tecnológico de Minatatlán, 2000. Artículo en la dirección: http://www.geocities.com/zonatec/ar_revista.htm


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dispersión de la fibra por el ancho de pulso. Como se observa en la

siguiente figura:

Figura 4.Efectos de la automodulación de fase (SPM).

Fuente: Artículo: No linealidades en la fibra óptica, Dirección: www.fiber-optics.info

• Modulación cruzada de fase (XPM), su efecto es similar al SPM, pero la

diferencia es que SPM requiere de un solo pulso. La modulación cruzada

de fase requiere de más de dos pulsos. La potencia de un canal afecta

otros canales con resultados como el ensanchamiento de los pulsos.

• Mezclado de cuatro frecuencias (FWM), es el efecto limitante de la quinta

generación de sistemas. Se produce la aparición de frecuencias nuevas

que caen en el ancho de banda de las señales propagadas. Esta mezcla se

clasifica como mecanismos de tercer orden porque generan armónicas de

tercera componente. Estos efectos producen cruces de señales (crosstalk)

“Los amplificadores ópticos necesarios para comunicaciones de solitones traen

otra limitación, la acumulación del ruido de emisión espontánea amplificada

provoca la existencia de jitter en el tiempo de llegada del solitón. Este efecto

llamado Gordon-Haus limita el número de amplificadores y por lo tanto el máximo

producto ancho de banda por distancia. Este efecto puede reducirse empleando

filtros ópticos posteriores a los amplificadores.” (Calderón,25: 2003). Por eso, es


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que para el aumento de capacidades futuras mediante la utilización de solitones

exigirá el mejoramiento del equipo existente, como filtros, fuentes de solitones,

amplificadores y receptores.

2.3 Funcionamiento general de los sistemas de comunicaciones ópticos

El funcionamiento de los sistemas ópticos se relaciona con la propagación de la

señal en la fibra óptica. Como se ha mencionado anteriormente, el principio con el

cual viaja la señal dentro la fibra óptica es la reflexión total interna. Cada medio

(material) tiene un índice de refracción (n), al pasar un rayo de luz de un medio a

otro, una parte se refleja y otra cambia de dirección variando su ángulo con

respecto a la vertical. Ésto es lo que se conoce como la ley de refracción y

reflexión en la óptica geométrica (la óptica donde la luz se ve como rayos).

Figura 5.Reflexión y refracción de un haz de luz.

Fuente: Resnick. Física. 1999.

La ley de la refracción es la siguiente:

2211 θθ sennsenn = (1)

donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios desde donde viene y va

el haz de luz. Luego, 1θ y 2θ son los ángulos con respecto a la vertical del haz de


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luz en cada medio. La idea es hacer º902 =θ , por lo tanto y como 1θsen es menor

a 1, entonces significa que el medio 1 tiene un índice de refracción mayor que el

medio 2. A partir de esta conclusión, se entiende que el material del núcleo de la

fibra óptica tiene un índice de refracción mayor al índice del material con que se

hizo la cubierta. De esta manera se puede tener el haz de luz guiado a través de la

fibra óptica de la siguiente manera:

Figura 6.Haces de luz guiados en una fibra multimodal.

Fuente: Artículo:.Introducción a la fibra óptica. Dirección: www.fiber-optics.info

.

Aunque la fibra óptica transmite con mucha eficiencia las señales a alta velocidad,

existen aspectos limitantes para su función como medio de transmisión, éstos son

la atenuación y la dispersión. La atenuación se define como la pérdida de potencia

de la señal. En la figura siguiente se muestra la atenuación dependiendo de la

ventana de transmisión que se utilice.


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Figura 7. Atenuación típica de una fibra óptica hecha de silicio

Fuente: Artículo:.Propiedades de la fibra óptica. Dirección:

http://mailweb.udlap.mx/~lgojeda/telecom3/fibra_optica/propiedadesfo.htm.

Hay dos tipos de dispersión. Por un lado está la dispersión cromática la cual

describe la tendencia para diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes

velocidades en la fibra óptica. Este elemento es el limitante de la velocidad de

transmisión y cuando la dispersión es alta los pulsos tienden a ensancharse y

provocar interferencias, lo cual puede producir una velocidad inaceptable del

pulso. Recuérdese que la luz se forma de diferentes longitudes de onda y por lo

tanto, cada una tiene una velocidad diferente. Para minimizar este efecto se

recomienda enviar la señal en la banda de 1300 nm o segunda ventana como se

observa en la figura 8. También está la dispersión modal, ésta solamente se

presenta en fibras multimodal, aunque los rayos de luz viajan a la misma

velocidad, la distancia recorrida es diferente para cado rayo de luz, como se

observa en la figura 6.


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Figura 8. Dispersión cromática en función de la longitud de onda

Fuente: Artículo:.Fiber Dispersion. Dirección: www.fiber-optics.info

En la fibra óptica se dan pérdidas por la dispersión lineal y no lineal. Las primeras

son pérdidas linealmente proporcionales a la potencia. Ésto depende de los

modos de propagación. Parte de un modo se puede convertir en otro modo que

puede escapar por el revestimiento produciendo atenuación. Este tipo de pérdidas

se pueden dividir en:

• Rayleigh. Es la falta de homogeneidad a una escala más pequeña que la

longitud de onda, fluctuaciones del índice de refracción y de densidad

provocadas por el enfriamiento. Afectan todo el rango de longitud de onda.

• Mie. Falta de homogeneidad del tamaño del orden de la longitud de onda.

Imperfecciones de la estructura cilíndrica de la fibra óptica, como:

irregularidades núcleo-revestimiento, fluctuaciones del diámetro, fracturas y

burbujas, se controlan aumentando la precisión del proceso de fabricación.

Las pérdidas por la dispersión no lineal no provocan pérdidas en la potencia, sino

desplazamientos de frecuencias, ésto provoca pérdidas en la transmisión por una

longitud de onda específica. En muchos casos, la dispersión no lineal es

provocada por niveles de alta potencia de la fibra óptica disponible y

amplificadores ópticos que provocan señales que interactúan con la fibra. Estas


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pérdidas por dispersión no lineal se conocen como dispersión estimulada. Dicha

no linealidad ocurre en sistemas de modulación intensos cuando las señales

ópticas interactúan con las ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la

fibra. Provocando el efecto de desplazamiento de frecuencias. Por ejemplo:

• Brillouin, consiste en la modulación de luz por vibraciones térmicas de las

moléculas, provoca corrimientos de frecuencia hacia ambos lados del

espectro. Un fotón incidente libera un fonón2 que tiene dirección contraria

al desplazamiento.

• Raman, similar al caso anterior, excepto por la alta frecuencia del fonón

óptico.

Existe otra dispersión llamada dispersión por modo de polarización. La

polarización es el fenómeno físico de guiar la luz en una dirección. La fibra óptica

tiene dos modos de polarización. Un modo en el eje X llamado arbitrariamente

modo lento, y el segundo modo en el eje Y llamado modo rápido. Cada modo tiene

un tiempo de arribo, entonces la diferencia de tiempo entre los modos sino es

apropiadamente controlada produce la pérdida de bits y por lo tanto, de

información. Como se muestra en la siguiente figura:

Figura 9. Dispersión por modo de Polarización en una fibra de modo simple

Fuente: Artículo:.Propiedades de la fibra óptica. Dirección:

http://mailweb.udlap.mx/~lgojeda/telecom3/fibra_optica/propiedadesfo.htm

2 Es una semípartícula cuántica formada por vibraciones elásticas en la estructura cristalina.


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2.4 Fuentes y receptores ópticos

Los emisores de luz son un elemento fundamental en cualquier sistema de fibra

óptica. Este componente convierte la señal eléctrica en la correspondiente señal

de luz que puede ser introducida en la fibra. El emisor de luz es un elemento

importante porque es frecuentemente el elemento más costoso en el sistema, sus

características influyen fuertemente en las condiciones finales del sistema.

Los diodos LASER (Ligth Amplification by Stimulated Emision of Radiation o

Emisión Estimulada de la Radiación por Amplificación de Luz) son

semiconductores complejos que convierten la señal eléctrica en señal de luz. La

corriente inyectada en la unión pn semiconductora polarizada con tensión directa

se transforma en señal luminosa debido a la combinación interna de los electrones

inyectados. El resultado es que la potencia óptica a la salida del dispositivo es

capaz de seguir (hasta una cierta velocidad impuesta por su ancho de banda de

modulación) las variaciones temporales de la corriente eléctrica de inyección,

donde se emplea este efecto para regular la luz, la combinación se produce por

emisión estimulada.

El segundo tipo de fuente usada son los diodos LED. Éstos tienen como principal

diferencia con el LASER su menor potencia óptica de salida y su ancho de banda

es sensiblemente menor. Además, tienen un precio inferior a los LASER por lo

tanto, para aplicaciones pequeñas y en fibra multimodo son muy utilizados. La

siguiente tabla comparativa de ciertos aspectos entre el diodo LED y LASER da

una idea de sus diferencias:


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Tabla 1. Tabla comparativa de las características de un diodo LED típico y un LASER típico

Característica LED LASER

Potencia de salida Linealmente proporcional a

la corriente conducida

Proporcional a la corriente

sobre el umbral

Corriente Conduce corriente de 50 a

100 mA Pico

Corriente umbral de 5 a 40

mA

Potencia del acoplamiento Moderada Alta

Velocidad Lento Rápido

Ancho de banda Moderado Alto

Longitudes de onda que se

pueden utilizar

0.66 a 1.65 um 0.78 a 1.65 um

Tipo de Fibra Solamente multimodo Multimodo o monomodo

Facilidad de uso Fácil Difícil

Tiempo de vida Muy larga vida Larga vida

Costo $5 - $300 $100 - $10 000 Fuente: Artículo:.LASER Diodes. Dirección: www.fiber-optics.info

Con respecto a su potencia de salida en función de la corriente que conduce se

tiene la siguiente figura:

Figura 10. Característica de potencia de salida en función de la corriente conducida en un

LED (a) y un LASER (b) Fuente: Artículo:.LASER Diodes. Dirección: www.fiber-optics.info


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Con lo anterior se puede notar que en el LASER no hay potencia de salida por

debajo de la corriente umbral, mientras que el LED se limita por una auto

limitación debido a la temperatura.

A mediados de la década de los setenta, con la introducción del uso de la segunda

y tercera ventana (1300 y 1500 nm), da como resultado el avance en las fuentes

emisoras, sobre todo en rayos láser. En 1977 se consigue el primer láser

semiconductor de la segunda ventana y en 1979 el láser para la tercera ventana.

Hasta la década de los ochenta los láseres disponibles eran del tipo Fabry – Perot

(FP), estos son láseres más económicos pero ruidosos y lentos. En este tipo de

láser la potencia óptica de salida se encuentra en una cavidad formada por dos

espejos parcialmente reflectantes. Este láser se caracteriza por emitir varias

longitudes de onda equiespaciadas (láser multimodal)

Cuando la transmisión se pasó a la tercera ventana y por el alto valor del

coeficiente de dispersión cromática, se necesitó obtener fuentes con un ancho de

banda reducido, eso significa reducir la cantidad de modos o longitudes de onda.

Por lo tanto, dejar el láser de un solo modo. Es así, como aparecen los láser

monomodo. Las estructuras más desarrolladas de este tipo de láser son los de

realimentación distribuida (DFB) y el láser con Reflectores de Bragg Distribuidos

(DBR).

El láser monomodo se utiliza en aplicaciones digitales de alta velocidad, debido a

su bajo ruido y linealidad. Desde finales de los noventas estos láseres son de tipo

comercial. Su anchura típica espectral es de 10 MHz, modulables a alta velocidad,

pudiendo sobrepasar los 10 Gb/s. Un requisito que se le ha exigido a los láseres

semiconductores es la posibilidad de sintonizar su emisión de luz a un margen de

longitud de onda. Los láseres DFB y DBR cumplen con dicho requisito si tienen la

configuración de multielectrodo, donde se divide el electrodo superior en dos o tres

secciones para conseguir una atenuación no uniforme, con un control sobre


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ciertos parámetros como la corriente de alimentación, longitud de onda de emisión

y corriente de modulación.

Figura 11.Construcción de un láser

Fuente: Artículo:.LASER Diodes. Dirección: www.fiber-optics.info

Otro tipo de tecnología que se utiliza es el VCSEL que emite la luz láser

verticalmente desde su superficie y tiene una cavidad vertical. Su funcionamiento

es bastante semejante al de un diodo láser semiconductor de flanco emitido. El

corazón de este láser es una región activa que emite luz. Capas de materiales

semiconductores sobre y debajo de la región activa crean espejos. Cada espejo

reflejante produce un estrecho rango de longitudes de onda regresando a la

cavidad causando una emisión de luz de una simple longitud de onda.

Figura 12.Construcción de un láser VCSEL


Los detectores ópticos son también fabricados por semiconductores. En este caso

el detector absorbe la potencia que incide sobre él, transformando los fotones en


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electrones mediante la absorción estimulada y produciendo una corriente eléctrica

capaz de seguir las variaciones temporales de la señal óptica recibida.

Los detectores tipo PIN tienen deficiencias relacionadas con el factor del área

activa de detección pequeña. Muchos de los pares de electrones que salen del

choque de los fotones son recombinados sin haber producido una corriente en el

circuito externo. En los fotodiodos PIN el área de detección es lo más grande

posible. Una pequeña capa intrínseca dopada divide las capas más pesadamente

dopadas p – n. El nombre lo recibe de las capas positiva – intrínseca – negativa.

Tienen una facilidad de fabricación, bajo ruido y compatibilidad con los circuitos

amplificadores de bajo voltaje. Su ancho de banda es elevado, de hasta 20 GHz.

Figura 13.Construcción de un detector PIN


El segundo tipo son los APD (fotodiodo de avalancha), estos operan con los

portadores primarios, produciendo la unión de los electrones y huecos de las

capas de valencia superior, acelerando el proceso y creando por sus colisiones

nuevos portadores. Este proceso de creación de nuevos portadores se conoce

como fotomultiplicación. Ésto es lo que genera la corriente que alimenta a la

circuitería externa. Los APDs requieren un alto voltaje para su operación. El rango

de los voltajes puede ser de 30 a 70 V en los fabricados de Indio – Galilo –

Arsénico (InGaAs) y sobre los 300 V en los fabricados de Silicio. Los APDs son

muy sensibles a la temperatura, complicando los requerimientos del circuito

externo. En general, se utilizan sobre todo en sistemas digitales donde la

linealidad es pobre.


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CAPÍTULO III: Introducción a los sistemas de multiplexación 3.1 Sistemas tradicionales

3.1.1 Definición y estructuras

En un sistema de comunicaciones, si sólo se transmite una señal por canal,

significa que el sistema no se aprovecha adecuadamente. El término

multiplexación “usualmente significa el uso de un simple canal para acomodar una

multiplicidad de señales independientes” (Kuecken: 31,1980). Esto significa que se

pueden transmitir varias fuentes de información, como audio, datos, vídeo por un

solo canal de comunicación. El multiplexador, en ocasiones llamado mux, es un

equipo de comunicación utilizado en dicho propósito.

El costo de una red que utiliza multiplexación es mucho menor al de una red que

no utiliza dicha técnica. Esto debido a la minimización de enlaces de comunicación

entre dos puntos. Un ejemplo claro es la red telefónica. Sin la multiplexación una

persona que quiere comunicarse con N personas, debe tener una salida por cada

receptor. Pero con la técnica de la multiplexación, existen las centrales telefónicas

y cada persona tiene una única salida del hogar para comunicarse con N

personas.

Existen varias técnicas de multiplexación, entre ellas: TDM (Time Division

Multiplexing ó multiplexación por división de tiempo), FDM (Frecuency Division

Multiplexing ó multiplexación por división de frecuencias), STDM (Statistical Time

Division Multiplexing ó multiplexación estadística por división de tiempo). Existen

otras técnicas de multiplexación, como WDM (Wavelenght Division Multiplexing ó

multiplexación por división de longitud de onda), de esta última técnica existen dos

maneras de multiplexación: DWDM (dense ó densa) y CWDM (coarse ó

esparcida), donde en la técnica densa el ancho de banda para cada señal

multiplexada es menor al ancho de banda utilizado en la técnica esparcida.


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Las características de los multiplexores son las siguientes:

• Se minimizan los costos de un sistema de comunicación, al rentar sólo una

línea privada para comunicación entre dos puntos.

• Útil en la comunicación paralela entre dos localidades. O sea, si se realizan

distintas comunicaciones desde un punto a otro, permite por una única línea

realizarlas.

• Permite a varios dispositivos compartir un mismo canal de comunicaciones.

• Normalmente se utilizan en pares, uno en cada extremo del circuito.

• Los datos de varios dispositivos se puede transmitir por un mismo circuito,

porque el mux receptor (demux) los separa y los envía a los destinos

apropiados.

• Capacidad para comprimir datos, con lo cual se eliminan bits redundantes y

se optimiza el ancho de banda.

• Capacidad de administrar la red dinámicamente con niveles de prioridad de

tráfico.

• Capacidad de detección y corrección de errores entre dos puntos

conectados, con lo cual se mantiene la precisión e integridad de los datos.

3.1.2 Multiplexación por división de tiempo y multiplexación por división de

frecuencia

Estas dos técnicas fueron durante mucho tiempo la base del funcionamiento de

muchos sistemas de comunicación. Y todavía en la actualidad, dichas técnicas

son utilizadas por algunos sistemas de comunicación y sus fundamentos teóricos

se utilizan en otras técnicas de multiplexación.

3.1.2.1 Multiplexación por división de frecuencia

Ésta técnica divide toda la banda de frecuencias disponibles en el enlace de

comunicaciones en sub-bandas o canales individuales. Esto se logra mediante la

modulación en frecuencias de las señales base. Así para cada señal se utiliza una


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portadora de manera que “las señales moduladas resultantes ocupen bandas de

frecuencias adyacentes y separadas” (Schwartz: 307, 1984). La señal compuesta,

hecha de la suma de las señales individuales, es transmitida como una señal

analógica de mayor ancho de banda.

Figura 14.Diagrama de Bloques de un sistema FDM Fuente: Downing. Modulation Systems and Noise. 1980

En la figura 14 se muestra como las señales que ingresan al sistema son

moduladas con portadoras de cierta frecuencia. Estas señales se combinan y son

enviadas al receptor, quien demodula las señales y las envía a su destinatario

final.

Con esto se quiere decir que cada señal ésta ocupando su ancho de banda todo el

tiempo. Los sistemas que utilizan este proceso son llamados sistemas

multicanales con portadora.

Al ser la frecuencia un parámetro analógico, se utiliza dicha técnica de

multiplexación en la transmisión de televisión. En televisión por cable, una red es

usada para contener diferentes canales de televisión, donde cada uno tiene un

ancho de banda de 6 MHz. Pero en la red, cada canal está enviando su señal todo

el tiempo, por ejemplo, una persona ve canal 4 pero eso no significa que el canal 6

no esté transmitiendo en ese momento. En ese caso el televisor funciona como


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demultiplexor, donde se selecciona la frecuencia deseada del ancho de banda

total y se escoge el canal que se quiere ver.

Entre las aplicaciones para FDM está FM comercial, televisión y mediante

diferentes técnicas de modulación en sistemas telefónicos, siendo esta última su

primera aplicación. En el caso de las estaciones de televisión o de radio, las

señales enviadas por éstas son independientes, ninguna se sincroniza con la otra,

por lo tanto, el sistema de multiplexación no es sincronizado. Cuando se explique

la técnica TDM en el siguiente apartado se aclarará el concepto de sincronización.

La técnica WDM es similar a la técnica FDM. En la primera se multiplexan los

haces de luz, con lo cual se pueden enviar distintas longitudes de onda por una

sola fibra óptica, y esta acción se realiza todo el tiempo, como se analizará en la

sección 3.2.

Dentro de las técnicas en que se subdivide WDM, la que más aprovecha esta

división de longitudes de onda, es la técnica densa, porque introduce una mayor

cantidad de longitudes de onda por una sola fibra.

3.1.2.2 Multiplexación por división de tiempo

La técnica de multiplexación por división de tiempo fue la segunda técnica de

multiplexación que apareció en el mercado. Precisamente, después de la

multiplexación por división de frecuencia. A esta técnica también se le conoce

como multiplexación por pulsos, porque el multiplexor se mantiene durante un

intervalo de tiempo en la señal tomando una muestra de bits, para pasar a la

siguiente señal. En la siguiente figura se observa como trabaja el sistema.


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Figura 15.Multiplexor de un sistema TDM

Fuente: Schwartz. Transmisión de información, modulación y ruido. 1984

El multiplexor dura un intervalo de tiempo, definido por el diseño, en cada señal,

con lo cual, conforma una paquete de bits de una señal, y pasa a la siguiente,

conformando otro paquete de bits de esta otra señal. En el sistema de la figura 15,

el multiplexor tiene 5 señales, y el switch tiene un intervalo tc para muestrear cada

señal, con lo cual cada 5 tc pasa por la misma señal. El intervalo se calcula

mediante el teorema de muestro, según el cual se debe tomar una muestra de una

señal por lo menos al doble de la frecuencia de ésta. En el caso de los sistemas

donde las señales tienen distinta frecuencia, se muestra al doble de la frecuencia

de la señal con mayor frecuencia.

Así, los paquetes o tramas de información se van intercalando en el tiempo para

ser insertadas en un canal de comunicación. En el otro extremo, el demux también

está sincronizado a la misma frecuencia, así es como recibe tramas de distintas

señales y las vuelve a colocar en sus respectivos destinos. En esta técnica de

multiplexación la señal no se reconstruye completamente en el receptor, sino que

aproxima su forma mediante las trazas obtenidas, ya que es un muestreo discreto

no continuo. La siguiente figura muestra como se vería la información multiplexada

en el canal de comunicación.


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Figura 16.Canal de comunicación para un sistema TDM de 4 señales Fuente: Schwartz. Transmisión de información, modulación y ruido. 1984

La desventaja de este sistema radica en su sincronización, porque aún cuando un

canal de entrada no esté enviando información, va a ser muestreado, y otro canal

que en ese momento necesite enviar mucha información, va a ser muestreado

según se calculó. Por ejemplo, en un sistema con 8 canales de entrada, cada

canal debe esperar 8 tiempos de muestreo, y ésto no es muy práctico en algunos

sistemas. Sobre todo, en sistemas con una mayor cantidad de señales de entrada.

Pero la multiplexación por división de tiempo tiene sus ventajas sobre la técnica

FDM, una de ellas es que un canal no interfiere con el otro. En TDM todo el ancho

de banda es ocupado por un intervalo de tiempo por cada señal. En FDM, este

ancho de banda es compartido, como se explicó en la sección anterior. Por lo cual,

si la frecuencia de la señal portadora se corre un poco de su sub-banda, comienza

a interferir con la otra señal. Con TDM se logró eliminar los problemas de ruido y

filtraje de FDM.

Los multiplexores TDM al obtener tramas de bits, son capaces de eliminar la

información redundante en los paquetes, muy útil en las comunicaciones de voz.

La primera aplicación TDM en telefonía fue en 1962 al introducirse el sistema

digital T1.


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Para que un sistema TDM funcione correctamente, la señales entrantes primero

deben convertirse a formato digital, ésto quiere decir que la señal debe convertirse

en una tira de información de ceros ó unos. Ésto significó un aumento de los

costos al inicio, pero era más barato que reemplazar los cables. Al principio de los

80, los sistemas TDM comenzaron a utilizar multiplexores inteligentes y

empezaron a aparecer en redes privadas de datos, conformando el método

primario para compartir instalaciones costosas de transmisión de datos entre

muchos usuarios.

Como se mencionó anteriormente, se considera ineficiente que una señal deba

esperarse a que el sistema tome muestra de todas las señales si alguna de éstas

no envía información muy seguido. Ésta ineficiencia fue eliminada con la

introducción de la técnica ATM (Modo de transferencia asíncrono ó asynchronous

transfer mode), que es una multiplexación estadística. La desventaja de esta

técnica es que tiene un límite a la velocidad que puede ser alcanzada por la

electrónica para la segmentación y reensamblado de celdas ATM que transportan

el paquete de datos.

A nivel internacional se adoptó el sistema SDH / SONET como el estándar para

transporte óptico de datos. Ésto fue definido por CCITT (Comité Consultativo

Internacional de Telegrafía y Telefonía), actual ITU (Internacional

Telecommunications Union), en 1990. SDH significa “synchronous digital

hierarchy”, pero en los Estados Unidos es llamada “synchronous optical network”,

donde los muxes utilizan interfaces ópticos. El SDH usa valores de 155.52 Mbps y

múltiplos de éstos por factores de 4n. Estos estándares especifican los parámetros

de las interfaces, capacidades, formato de tramas, métodos de multiplexado y

administración de TDM sincrónico sobre fibra. SDH / SONET toma n flujos de bits,

los multiplexa y modula, enviando la señal hacia la fibra. La desventaja de los

sistemas SDH es la inexistencia de noción de prioridad o descongestionamiento.


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34

Al principio de los años 70 se da el desarrollo de los sistemas de transmisión

digital, basándose en el método PCM (Pulse Code Modulation ó modulación por

codificación de pulsos) lo cual introdujo ventajas como:

1) La señales pueden regenerarse periódicamente durante la transmisión,

puesto que la información ya no se encuentra contenida en la amplitud

continuamente variable de los pulsos, sino que consiste en símbolos

discretos.

2) Toda clase de circuitos digitales puede emplearse durante la totalidad del

procesamiento.

3) Las señales pueden ser procesadas digitalmente según convenga.

4) El ruido y la interferencia pueden ser apropiadamente minimizados

mediante códigos.

A principios de los años 80, los sistemas digitales se volvieron más complejos, con

el fin de satisfacer las demandas de tráfico de esa época. Por ejemplo, en Europa

se debió aumentar las tasas de transmisión de 140 Mbps hasta 565 Mbps. Los

costos de ancho de banda y del equipo era el problema. La solución fue

desarrollar un sistema que permitiera la combinación gradual de tasas no

sincrónicas, conocidas como pleosincronos, lo cual derivó en lo que hoy se conoce

como PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

Existen tres estándares incompatibles con esta técnica, centrados en Europa,

Estados Unidos y Japón. El estándar europeo está basado en un multiplexor

primario de 30 canales, mientras los estándares estadounidenses y japonés en

uno de 24. Estos estándares se definen como E1, T1 y J1. De ésto se hablará más

adelante.

Las redes de transporte actuales incluyen estas dos principales estructuras PDH y

SDH / SONET. La estructura PDH se define por los estándares mencionados en el

párrafo anterior, mientras que la estructura SDH / SONET son definidas por la ITU


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– T (Internacional Telecommunications Union – Telecommunications Sector) y por

la ANSI (American National Standards Institute). SDH / SONET constituyen la

segunda jerarquía digital sobre la cual está basada la infraestructura física de las

fibras ópticas.

Estructura PDH

En una red de transmisión la cual no ha sido diseñada para una operación

sincrónica , las entradas al multiplexor digital no necesariamente pueden estar

sincronizadas, sin embargo, ellas tienen el mismo valor nominal de tasa de

transferencia. Por lo general, estas entradas son originadas por diferentes

osciladores y pueden variar sin la tolerancia del reloj. La palabra plesiósincrono,

tiene su origen en el griego y significa casi el mismo reloj. Entonces, PDH define

un conjunto de sistemas de transmisión que utiliza dos pares de alambre (uno

para transmitir y otro para recibir) y un método de multiplexación TDM para

interpolar múltiples canales de voz y de datos digitales.

A nivel internacional existen tres estándares para PDH

1) T1, el cual es el estándar de Norteamérica que consiste en 24 canales de

64 kbps (canales DS – 0) dando una capacidad total de 1.544 Mbps.

2) E1, el cual es el estándar europeo, definido por la ITU-T, pero utilizado en el

resto del mundo, incluyendo Costa Rica. E1 consiste de 30 canales de

64 kbps (canales E0) y 2 canales reservados para la señalización y

sincronía, la capacidad total es de 2.048 Mbps.

3) J1, el estándar japonés, con una capacidad de 1.544 Mbps, usando la

misma estructura de 24 canales de 64 kbps. La longitud de su trama es de

193 bits (24 x 8 canales de voz/datos más un bit de sincronización), el cual

es transmitido a una tasa de 8000 tramas por segundo.


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a)

b)

Figura 17.Estructura PDH a) Europea b) Norteamericana Fuente: Flood. Telecommunications Networks. 1999

La estructura PDH tiene una serie de debilidades como la existencia de tres

estándares a nivel mundial, todos incompatibles. No existe un estándar mundial

para las interfaces ópticas. Además, la estructura asincrónica de multiplexación es

muy rígida y su capacidad de administración es limitada. Por estas desventajas es

que nace una nueva técnica de multiplexación.


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Estructura SDH / SONET

SDH y SONET son los estándares europeo y norteamericano para la transmisión

por fibra óptica. Estos estándares se establecieron en 1990. La velocidad de

transmisión es de 155.52 Mbps y múltiplos de 4n de éstos. El sistema SDH incluye

canales de administración, los cuales tienen un formato estándar para los

mensajes administradores de la red.

La señal básica SDH se conoce como módulo de transporte síncrono nivel 1

(STM–1). Este tiene nueve segmentos iguales, con bytes de cabecera al inicio de

cada uno. Los bytes restantes contienen una combinación de tráfico y cabeceras

(información), dependiendo del tipo de tráfico acarreado. La longitud total de la

traza es de 2430 bytes, con cada cabecera usando nueve bytes. Así, el valor

máximo de velocidad es de 155 520 kbps, el cual es usualmente llamado “155

Mbps”.

Los niveles de servicio de SDH / SONET incluyen:

• OC (Optical Carrier): define las velocidades de transmisión de SONET

para señales ópticas en incrementos de 51.84 Mbps

• STS (Synchronous Transport Signal): define las velocidades de

transmisión de SONET para señales eléctricas en incrementos de 51.84

Mbps.

• STM : define las velocidades de transmisión de SDH para señales

eléctricas y ópticas en incrementos de 155.52 Mbps.

SDH y SONET le brindan a los proveedores de servicios de telecomunicaciones

más ancho de banda para transportar tráfico de voz y datos que la tecnología

PDH. Además entre las ventajas de SDH / SONET están ser el primer estándar

mundial en formato digital, primer interface óptico, su compatibilidad con otras

estructuras minimizan los costos, estructura de multiplexación síncrona flexible,

capacidad poderosa de administración.


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Cuando se refiere a STS–n es la señal de SONET en el tiempo y OC-n se refiere a

la señal en el dominio óptico. La tasa base de transmisión en SONET es 51 Mbps.

En SDH, la tasa es de 155 Mbps y STM – n se refiere a la señal SDH tanto en el

tiempo como en el dominio óptico. En la siguiente tabla se muestran las

equivalencias entre SONET y SDH

Tabla 2. Equivalencias en tasas de transmisión entre SONET y SDH

SONET SONET SDH Ambos

STS OC STM Tasa (Mbps)

STS-1 OC-1 N/D 51.84

STS-3 OC-3 STM-1 155.52

STS-12 OC-12 STM-4 622.08

STS-48 OC-48 STM-16 2,488.32

STS-192 OC-192 STM-64 9,953.28

STS-768 OC-768 STM-256 39,813.12

Fuente: Flood. Telecommunications Networks. 1999

La red SONET / SDH es segura porque su topología es de anillo, por lo tanto, un

corte en la fibra de algún sector, siempre tendrá una ruta de respaldo que permita

mantener la comunicación. La comunicación se restaura con un margen de 50

milisegundos.

ISDN

La red digital de servicios integrados provee acceso a servicios de red de

cobertura amplio (WAN, wide area network). Se utilizan canales de 64 kbps para

voz y datos, los cuales son llamados canales B (bearer channel). Además, se

cuenta con un canal de señalización de 16 kbps llamado canal D (delta channel).


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Además, los proveedores de red en Europa ofrecen una interface para ISDN con

30 canales B y un canal D, para adaptarse al formato E1. En Norteamérica, el

servicio equivalente ofrece 23 canales B y uno D, para adaptarse al formato T1. El

servicio 2B + D se conoce como tasa de acceso básico, que provee acceso a

WAN a pequeñas empresas y usuarios residenciales, con servicios como voz,

datos y acceso a Internet. Los servicios 30 B + D y 23B + D se conocen como tasa

de acceso primarios, que se utilizan para acceso a WAN de grandes empresas,

con servicios de voz, datos, videoconferencia, fax e Internet a altas velocidades.3

B – ISDN

Es la red digital de servicios integrados de banda amplia. Está diseñada para

operar sobre una infraestructura de telecomunicaciones basada en fibra óptica. Se

planteó al principio como una extensión de ISDN. Aunque finalmente la ITU – T

definió una serie de estándares para la integración de los servicios. Es una

tecnología que no ha sido implementada a la fecha.

ATM converge a SDH / SONET

“La tecnología de transporte de capa física como ATM (Asynchronous Transfer

Mode) está convergiendo hacia SONET/SDH, con STS-3 y STM-1

respectivamente. Debido a que ATM provee multiplexación, la carga útil total del

STS-3 puede ser usado para el transporte de celdas sin el adicional overhead

requerido por los otros sistemas.” (Calderón, 2003:41). Esto porque SDH / SONET

ofrece ventajas tales que puede ser usado como transporte para servicios ISDN y

B-ISDN, así como celdas ATM. Además que puede transportar un gran ancho de

banda. SDH /SONET seguirá teniendo un papel importante en la siguiente

generación de sistemas de transmisión de las redes para la mayoría de los

proveedores de servicios.

3 Flood J.E.. Telecommunications Networks. The Institution of Electrical Engineers, Reino Unido 1999: 344


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La demanda en infraestructura de transporte por aplicaciones que requieren ancho

de banda y en Internet, ha excedido los límites de TDM. La fibra está siendo

saturada, costosa y compleja. Además, hay un aumento del transporte de datos, y

TDM fue originalmente hecha para el transporte de voz, por lo cual, no es la

técnica más adecuada para los datos.

De ahí la introducción de la técnica WDM, que puede conectar un router o un ATM

a una red de transporte. Por ejemplo, para el proyecto frontera – frontera en Costa

Rica se utiliza la técnica DWDM, ésto se ampliará en el capítulo 5.

3.2 Introducción al sistema de multiplexado por longitud de onda WDM

3.2.1 Descripción y funcionamiento

La multiplexación por división de longitud de onda (WDM), nace para aprovechar

de una manera más eficiente y económica los medios ya existentes. La capacidad

de transmisión de información se incrementa usando una sola fibra.

Con WDM, todos los canales transmiten simultáneamente y utilizan cada uno de

ellos todo el ancho de banda del medio de transmisión. Se les asigna una longitud

de onda en particular, por medio de un modulador electro – óptico, el cual

convierte la señal eléctrica en energía luminosa, con una longitud de onda

específica, que se distribuye en forma simultánea en toda la fibra óptica. Para

alimentar la energía luminosa a la fibra, se utilizan dispositivos que se les llama

distribuidores selectivos de longitudes de onda, éstos tienen aplicación en

sistemas de distancias cortas y enlace sin repetidores. Un sistema completo se

muestra a continuación


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Figura 18.Sistema de transmisión de fibra óptica con WDM

Fuente: Jardón. Sistemas de Comunicaciones por Fibras Ópticas. 1995

Los multiplexores de este tipo pueden ser unidireccionales o bidireccionales. En

los WDM unidireccionales, las señales se transmiten en una misma dirección con

varios portadores ópticos con diferentes longitudes de onda. Los WDM

bidireccionales transmiten la información en dos sentidos sobre la misma fibra,

utilizando diferente longitud de onda en cada sentido. Cada uno de los dispositivos

WDM combina señales con una determinada longitud de onda para transmitirlas

sobre la fibra, desde luego, también en el receptor se requieren dispositivos que

separen estas señales.

Este tipo de sistemas básicamente se forman con:

• Fuentes ópticas: Convierten la señal eléctrica en energía luminosa y la

emiten con diferentes longitudes de onda.

• Multiplexores ópticos: combinan la energía luminosa emitida por las fuentes

ópticas para alimentar la fibra.

• Medio de transmisión: Esta es la fibra óptica, debe tener una baja

atenuación para las longitudes de onda de interés.

• Demultiplexores ópticos: Dispositivos que separan la energía luminosa que

le llega a través de la fibra por medio de la longitud de onda.


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• Fotodetectores: Este es el elemento que se encarga de hacer la conversión

de energía óptica a señal eléctrica.

Para esta técnica, básicamente existen tres tipos de multiplexores, los cuales son:

• Los de rejilla de difracción.

• Los de filtros de interferencia

• Los de prisma

Siendo las siguientes las características más importantes que estos dispositivos

deben cubrir:

• Bajas pérdidas por inserción

• Baja diafonía

• Facilidad de fabricación

• Fácil adaptación de conectores, para tener una transmisión directa.

• Tamaño pequeño

• Alta confiabilidad

Los más utilizados son los de rejilla y los de interferencia, ya que tienen menor

costo y menores pérdidas que los de prisma.

La separación de los canales depende del tipo de fuente óptica. Con los LED se

tiene una separación de 400 nm y con los láser es de 4 a 50 nm. También se debe

de tomar en cuenta la atenuación introducida en los distribuidores, que es

normalmente de 0.8 a 1 dB.

3.2.2 Utilización

Los sistemas WDM se utilizan en redes locales, en telecomunicaciones de larga

distancia (entre troncales), en telecomunicaciones de banda ancha, tales como

videoteléfono, video conferencia, TV, audio y otros. Una red de

telecomunicaciones que utiliza WDM de tres canales se muestra a continuación.


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Figura 19.Red de telecomunicaciones de banda ancha que utiliza distribuidores WDM de tres

canales Fuente: Jardón. Sistemas de Comunicaciones por Fibras Ópticas. 1995

A principios de los 90, se denominó transmisión WDM en banda ancha a la

transmisión de una señal a 1550nm y otra de retorno a 1310nm. Más tarde, a

mitad de los 90, el desarrollo WDM permitía espaciamientos más cortos,

implementando transporte bidireccional de 2x2 y 4x4 canales a 1550 nm,

alcanzando velocidades de 2,5 Gbps en enlaces punto a punto. Finalmente, a

finales de los 90, los sistemas densos (DWDM) llegaron a ser una realidad cuando

gran número de servicios y multitud de longitudes de onda comenzaron a coexistir

en la misma fibra, llegando a enviar 32/40/64/80/96 longitudes de onda a 2,5 Gbps

y 10Gb/s. Aún así, pronto veremos los sistemas ultra-densos (UDWDM) con

transmisión de 128 y 256 longitudes de onda a 10Gbps y 40 Gbps por canal, ya

que la infraestructura actual de fibra óptica no será suficiente para cubrir la

demanda.

3.2.3 Sistemas de multiplexación DWDM

DWDM (dense – WDM) es una técnica de multiplexación por división de longitud

de onda. Cuando el número de longitud de onda (canales) multiplexados es

superior a 8, se está hablando de DWDM. Esta técnica combina múltiples señales


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ópticas de tal manera que pueden ser amplificadas como un grupo y transportadas

sobre una única fibra para incrementar su capacidad, cada una de las señales

puede tener una velocidad distinta (STM -1/OC-3 a STM – 16/OC – 48, ó incluso

STM-64/OC-192) y un formato diferente (ATM, Frame Relay).

WDM es una tecnología óptica basada en la multiplexación de diferentes

longitudes de onda generadas por diferentes emisores de luz dentro de una misma

fibra óptica. Esta técnica conceptualmente es idéntica a FDM, excepto que la

multiplexación involucra haces de luz a través de fibras ópticas. La idea es la

misma, combinar diferentes señales de diferentes frecuencias, sin embargo aquí

las frecuencias son muy altas (1x1014 Hz) y por lo tanto se manejan comúnmente

en longitudes de onda (wavelenght). WDM, así como DWDM son técnicas de

multiplexación muy importantes en las redes de transporte basadas en fibras

ópticas.

De esta forma, se logra aumentar la capacidad de transmisión o ancho de banda

de la fibra más allá de los límites que impone el propio material que la conforma.

Básicamente, un sistema basado en DWDM extiende los componentes que

integran cada bloque del esquema indicado en la sección 3.2.1 para describir un

sistema de comunicaciones convencional basado en fibra óptica. En DWDM,

además de los bloques emisor, de transmisión y de recepción, hay un cuarto que

adquiere una importancia crucial: el amplificador EDFA (Erbium Doped Fiber

Amplifier).

El bloque emisor en DWDM está constituido por una serie de diodos láser que

emiten señales luminosas a diferentes longitudes de onda; estos diodos son

normalmente del tipo DFB (Distributed FeedBack). Las tendencias en este

contexto se dirigen a tratar de obtener arreglos de láseres sobre un único sustrato

como una solución para reducir costos fundamentalmente. Estas diferentes


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45

longitudes de onda emitidas por los láseres se multiplexan mediante un equipo

multiplexador y se transfieren a la fibra óptica (el segundo bloque) dando lugar a

diferentes canales que se pueden contemplar como diferentes fibras ópticas

virtuales integradas dentro de la fibra óptica real. Actualmente, el número de

canales en los sistemas instalados es de 32 tras una secuencia que se inicia en

1993 con 4 canales para pasar en 1996 a 8 canales y a 16 en 1997.En un sistema

DWDM un rango angosto de longitudes de onda van a ser utilizadas, el

espaciamiento entre estas longitudes de onda va a determinar la cantidad de

canales que se pueden transmitir por una sola fibra.

El tercer bloque que conforma el sistema DWDM está constituido por el conjunto

de fotodetectores que reciben la radiación luminosa que ha viajado a través de la

fibra. Las diferentes longitudes de onda que aparecen al final de la fibra se

distribuyen mediante un dispositivo que puede ser un acoplador pasivo en estrella.

Cada receptor lleva asociado un filtro óptico sintonizable que permite eliminar las

señales no deseadas (es decir, seleccionar un solo canal/ longitud de onda) y

minimizar el ruido generado por el amplificador EDFA encargado de regenerar las

señales que han perdido potencia a su paso por la fibra . Estos filtros están

constituidos por un etalón de Fabry-Perot que consiste en dos espejos que forman

una cavidad resonante en la que se puede seleccionar la longitud de onda.

Cuando se modifica la distancia entre los espejos se modifica al mismo tiempo la

longitud de onda de la luz que resuena en la cavidad, lo que constituye un medio

para sintonizar el filtro .

DWDM es llamada multiplexación densa, ya que las longitudes de onda están

separadas entre sí por distancias muy pequeñas.


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La multiplexación por longitud de onda (WDM) asigna señales ópticas entrantes a

frecuencias específicas de luz dentro de una cierta banda de frecuencias. Este

multiplexado es parecido a la forma en que las estaciones de radio transmiten

diferentes longitudes de onda sin interferir entre ellas, como cada canal es

transmitido a distinta frecuencia se puede seleccionar usando un selector.

En los sistemas WDM cada una de las longitudes de onda es transmitida y

demultiplexada en el receptor final, cada señal es transmitida independientemente

de las otras, cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado, todas las

señales llegan al mismo tiempo, a diferencia de TDM.

La diferencia entre WDM y DWDM es fundamentalmente que los espacios en

DWDM son más cerrados que los considerados en WDM y tiene más capacidad.

El límite de ese espaciado no es conocido y se han obtenido capacidades de

hasta 128 longitudes de onda en una sola fibra.

DWDM tiene un gran número de funciones, amplifica todas las longitudes de onda

de una vez sin tener que convertir a señal eléctrica, transporta señales de

diferentes velocidades y tipos simultáneamente, tiene independencia entre

protocolos y capacidades.

WDM y DWDM usan fibras monomodo para el transporte y difieren de las fibras

multimodo, dado que, a pesar de tener varios modos de luz, todos tienen la misma

longitud de onda e ingresan a la fibra con diferentes ángulos.


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CAPÍTULO IV: Multiplexación CWDM 4.1 Necesidad de los sistemas CWDM

El incremento del tráfico de datos y de voz, debido a las necesidades de un

mercado creciente, produce una gran demanda de ancho de banda. Por ejemplo,

con el protocolo de Internet (IP) se presenta un incremento del 300 % de tráfico de

Internet por año, y de un 13% para el tráfico tradicional de voz.

A la hora de aumentar la capacidad de las redes metropolitanas y de acceso, los

operadores pueden escoger entre varias opciones. La primera de ellas consistiría

en aumentar la capacidad del canal que está siendo transmitido por fibra óptica;

una segunda opción es transmitir nuevos canales por nuevos segmentos de fibras,

transmitiendo un único canal por cada fibra óptica. La tercera opción es la que

constituye las tecnologías WDM, y consiste en transmitir varios canales por una

misma fibra mediante multiplexación por división de longitud de onda. De las tres

opciones, la tecnología WDM es la que maximiza la utilización global de los

tendidos de fibra, requiere un menor número de equipos, y sobre todo, la que

permite con mayor facilidad, aumentar la capacidad de la red para adaptarla a las

necesidades de capacidad de transmisión, que pueden ser requeridas en un

futuro.

A mediados de los años 80 quedó demostrado que la tecnología TDM

(multiplexación de señales en el dominio del tiempo) no sería suficiente para

afrontar la avalancha de demanda que se podía predecir. El tráfico de datos

necesitó entonces el despliegue de la multiplexación de longitud de onda (WDM),

modulando señales discretas en diferentes bandas de frecuencia.

A principios de los 90, se denominó transmisión WDM en banda ancha a la

transmisión de una señal a 1550nm y otra de retorno a 1310nm. Más tarde, a


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mitad de los 90, el desarrollo WDM permitía espaciamientos más cortos,

implementando transporte bidireccional de 2x2 y 4x4 canales a 1550 nm,

alcanzando velocidades de 2,5 Gbps en enlaces punto a punto. En WDM existen

dos tecnologías: CWDM y DWDM.

En el caso de DWDM, los canales se disponen en las bandas C y L de la fibra

óptica, correspondientes a las longitudes de onda situadas entre 1530 y 1625 nm,

por ser estas longitudes de onda las de actuación de los amplificadores EDFA. El

espaciado entre los distintos canales multiplexados en DWDM es muy pequeño,

típicamente de 1.6 nm, 0.8 nm, 0.4 nm y hasta 0.2 nm. Por el contrario, en el caso

de CWDM, el espaciado entre los distintos canales que se introducen en una fibra

es mucho mayor, generalmente de 20 nm. Además, la disposición de los canales

no se limita exclusivamente a las longitudes de onda de DWDM, sino que se hace

uso de un mayor margen del espectro de utilización de la fibra óptica. Esto se

establece en la norma ITU – T G.694.2.

Figura 20.Separación entre canales para CWDM y comparativa con DWDM.

Fuente: Hurtado y González. CWDM: Aspectos económicos de la multiplexación en longitud de

onda. Revista Perspectiva. Número 339. Febrero 2003


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Al disponer de gran ancho de banda se generan nuevas aplicaciones que emplean

más ancho de banda. Creando una nueva necesidad de mayor ancho de banda, lo

cual conduce a ocupar una indefinida cantidad de fibra y de servicios.

La multiplexación en longitud de onda se desarrolló a gran velocidad para cubrir

una necesidad a corto plazo, lo que no se desarrolló a tal ritmo fue la

infraestructura asociada. Así, el más común de los usos de la fibra sigue siendo el

enlace punto a punto.

En la primera opción, usando TDM los datos son transmitidos normalmente a

2.5 Gbps y se pueden incrementar hasta 10 Gbps. La circuitería electrónica que

hace posible esto es compleja y costosa, para comprarla y mantenerla. También

se tiene que la transmisión a 10 Gbps es 16 veces más afectada por la dispersión

cromática que a 2.5 Gbps. Además para un nivel de transmisión alto se requiere

más potencia, lo cual introduce efectos no lineales, anteriormente mencionados,

que pueden afectar la calidad de la forma de la onda. Otro efecto que limita la

distancia que un pulso de luz puede viajar sin degradación es la dispersión por la

polarización de modos, ya comentada en el capítulo II.

En la segunda opción varias longitudes de onda son combinadas dentro de una

sola fibra, con lo cual, sin tener que instalar nueva fibra, la capacidad efectiva

aumenta. Desde la perspectiva técnica y económica, las tecnologías WDM tiene

la mejor opción para proveer mayor capacidad de transmisión. En este caso se

analizarán las ventajas de la técnica esparcida (CWDM)

4.2 Partes de un sistema CWDM

En un enlace punto a punto sin dispositivos de encaminamiento, los elementos

básicos en un sistema CWDM son:


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1) Láseres sin refrigeración (Uncooled lasers), componentes convencionales

de equipos de comunicaciones tradicionales.

2) Filtros ópticos.

3) Fibras optimizadas de espectro amplio (full - spectrum optimizad fibers).

Los láseres utilizados en CWDM son de bajo costo. Éstos pueden lograr tasas de

transmisión de 2.5 Gbps y además, no necesitan ningún tipo de refrigeración para

estabilizar su longitud de onda de emisión. Al ser mayor la separación de los

canales permite que las longitudes de onda de los láseres DFB puedan sufrir

derivas con los cambios de temperatura, evitando emplear controladores de

temperatura. Con esto, el tamaño de los láseres llega a ser hasta un 70 % menor

que el de otros tipos de láseres. Reduce además el consumo de potencia (un valor

medio de 0.5 W para láseres CWDM en comparación con más de 2 W para un

transmisor láser DWDM, conforme a la norma ITU – T G.694.2).

Esta norma de la ITU (Internacional Telecommunications Union) ha estandarizado

una rejilla de longitudes de onda para CWDM con un espaciado entre canales de

20 nm. La elección de este valor no es algo accidental, sino que es el resultado de

un minucioso estudio económico, asegurándose una reducción significativa en los

costos de los transmisores y de los filtros ópticos, así como un número razonable

de canales por fibra óptica.

Los filtros ópticos son los componentes básicos de los demultiplexores. Son

dispositivos que reciben los canales multiplexados y los separan para su envío a

receptores independientes. Al ser la distancia entre canales en CWDM

relativamente grande, los filtros utilizados no son muy restrictivos, con lo cual, su

proceso de fabricación será también de menor costo.

Por último, hay que hacer referencia a las denominadas fibras optimizadas de

espectro amplio. Existen varias clases de fibras monomodos utilizadas en los


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entornos WDM: G.652, G.653 y G.655. La fibra G.652 ya considerada fibra óptica

convencional ("old style fiber"), aparece en la mayor parte de la base instalada,

fundamentalmente en lo que respecta a Estados Unidos, lo cual no es de extrañar

dado el carácter pionero de este país en la utilización de fibra óptica en las

comunicaciones. G.652 presenta una dispersión en torno a los 18ps/nm*km. La

dispersión es un efecto que consiste en la ampliación de la anchura del pulso

óptico, asociada a la transmisión del pulso a lo largo de la fibra y se mide en

picosegundos (ps) de retardo por la diferencia en longitud de onda dada en

nanómetros (nm) por kilómetro de propagación, o sea, en ps/nm*km.

El fundamento físico de la dispersión consiste en la dependencia de la potencia

óptica de la señal luminosa con el índice de refracción del material por donde se

propaga la luz . El tipo de dispersión que aparece mayoritariamente en G.652 es la

dispersión cromática, originada por la variación del índice de refracción de la fibra

con la longitud de onda de la radiación luminosa, generándose que diferentes

longitudes de onda se propaguen a diferentes velocidades en la misma fibra,

produciendo a su vez, un ensanchamiento del pulso óptico (el pulso óptico está

constituido por un grupo de longitudes de onda diferentes). Las fibras monomodo

G.652 convencionales presentan una atenuación significativa de 1350 nm a 1450

nm debido al pico de absorción del agua, como se observa en la figura 21.


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Figura 21.Planificación de canales en sistemas CWDM.

Fuente: Ramos. Redes ópticas basadas en CWDM: Revista Electrónica y Comunicaciones.

Número 178. Junio 2003

La segunda generación de fibra óptica, aparecida en términos de instalación y

operatividad hace sólo unos seis años aproximadamente, constituye un avance y

mejora de las técnicas de compensación de la dispersión. A estas fibras,

denominadas G.653, se les conoce también mediante las siglas DSF (Dispersion

Shifted Fiber), debido a que su diseño se basa en un desplazamiento de la

llamada longitud de onda de dispersión cero . En efecto, la dispersión en una fibra

óptica toma el valor cero en una longitud de onda determinada, que en el caso de

la fibra convencional G.652 es de 1 . 3 micrómetros (es la longitud de onda para la

cual el parámetro dispersión es cero). La dispersión toma valores negativos para

longitudes de onda menores que la correspondiente a ese punto de dispersión

cero. En este tipo de fibra la longitud de onda para la cual se tiene dispersión cero

se desplaza desde 1,3 a 1,55 micrómetros (lo cual se puede conseguir

modificando el perfil del índice de refracción de la fibra) para hacerla coincidir con

la atenuación mínima de la fibra y con la mayor ganancia del amplificador.


Agosto del 2004

53

Las fibras optimizadas de espectro amplio son de reciente aparición en el

mercado, han supuesto una revolución puesto que han logrado eliminar el pico de

absorción de agua de las fibras. Este pico de atenuación era debido a la

acumulación, en el proceso de fabricación, de iones OH- y que hacía inútil esa

zona del espectro para las comunicaciones ópticas. Al eliminar las pérdidas en

ella, la atenuación de la fibra es prácticamente constante y muy pequeña entre

1280 y 1625 nm, con lo cual se amplía el margen de longitudes de onda que

puede utilizarse para transmitir información. Por ejemplo, la fibra G.652.C, elimina

el pico y produce un aumento de hasta 33 % en la capacidad extra.

Esto es particularmente beneficioso para el caso de la tecnología CWDM, puesto

que al presentar un espaciado entre canales de 20 nm, el número de canales que

se pueden introducir en una fibra es limitado. Si se utilizan este tipo de fibras, se

puede usar también la región de 1400 nm para introducir nuevos canales

aumentando con ello la capacidad, como se mencionó anteriormente. Las fibras

convencionales (SMF) ofrecen 8 canales en las bandas S – C – L y 4 canales en

la banda O; con las ZWPF (Zero Water Peak Fibers) se permiten 4 canales más

en la banda E, y ofrecen, por tanto, un total de 16 canales con espaciado de 20

nm. Como se observa en la figura 21, en su parte inferior. Por debajo de 1310 nm,

no obstante, predominan las pérdidas causadas por dispersión de Rayleigh y no

se puede transmitir en entornos metropolitanos, quedando su uso limitado al bucle

de abonado o aplicaciones de corto alcance como aquellas definidas en IEEE

802.3ae.

4.3 Funcionamiento de un sistema CWDM

La multiplexación por división de longitud de onda es la tecnología óptica basada

en la multiplexación de diferentes longitudes de onda generadas por diferentes

emisores de luz dentro de una misma fibra óptica. Desde el punto de vista

conceptual, esta técnica es idéntica a FDM, excepto que la multiplexación


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54

introduce varios haces de luz a través de fibras ópticas. La idea es combinar

diferentes señales de diferentes frecuencias, sólo que en el caso de WDM, las

frecuencias son más altas (1x1014 Hz) y por lo tanto se manejan en valores de

longitud de onda. La técnica CWDM es muy utilizada en redes metropolitanas y en

redes de acceso.

De esta forma, se aumenta la capacidad de transmisión o ancho de banda de la

fibra óptica más allá de los límites que impone el propio material que la conforma.

Cuando el número de longitudes de onda que se multiplexan (también conocidas

como canales) es superior a 8, la técnica es conocida como Multiplexación por

longitud de onda densa (Dense WDM). Cuando el número es inferior a 8 y el

espaciado entre canales es de 20 nm, la técnica se conoce como Multiplexación

por división de longitud de onda esparcida (Coarse WDM). Aún cuando en la

actualidad con CWDM se introducen hasta 18 canales.

Un sistema de transmisión convencional basado en fibra óptica está conformado

por tres bloques principales:

1) La fuente que emite la señal en un rango de frecuencias del espectro

electromagnético, es decir, una fuente que emite la señales luminosas y

que consiste normalmente en un diodo láser.

2) El medio físico por donde se transmite la señal luminosa, que es el cable de

fibra óptica constituido por un material de determinado índica de refracción

(el núcleo) y revestido por otro material de distinto índice de refracción (el

revestimiento). Como se explicó en el capítulo II.

3) Un dispositivo fotodetector situado en el extremo final de la fibra que capta

la señal emitida por la fuente y que ha viajado a lo largo de la fibra óptica.

Es también perfectamente conocida la superioridad de la fibra óptica frente a sus

homólogos en el contexto del cable, como el coaxial o el par trenzado (donde las


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señales son eléctricas), en términos de inmunidad al ruido, fiabilidad y,

fundamentalmente, ancho de banda. Estas ventajas convierten a la fibra óptica en

el medio de transmisión por excelencia en un entorno multimedia, en el que la

transmisión de vídeo, voz y datos simultáneamente y la interactividad sean una

realidad.

El sistema CWDM se considera una alternativa de bajo costo a los sistemas

DWDM para transporte óptico en cortas distancias (menos de 50 Km) desde las

instalaciones de las empresas al backbone metropolitano de los proveedores del

servicio. Una diferencia fundamental entre los sistemas DWDM y CWDM, es la

inserción de un bloque de amplificación en DWDM. En CWDM no se agrega o muy

pocas veces se usa, debido a que la técnica se dirige a aplicaciones de corta

distancia, donde no se necesita amplificación de la señal que sale del receptor.

El bloque emisor en CWDM está constituido por una serie de diodos láser que

emiten señales luminosas a diferentes longitudes de onda; estos diodos son

normalmente del tipo DFB (Distributed FeedBack). Las tendencias en este

contexto se dirigen a tratar de obtener arreglos de láseres sobre un único sustrato

como una solución para reducir costos fundamentalmente. Estas diferentes

longitudes de onda emitidas por los láseres se multiplexan mediante un equipo

multiplexador y se transfieren a la fibra óptica (el segundo bloque) dando lugar a

diferentes canales que se pueden contemplar como diferentes fibras ópticas

virtuales integradas dentro de la fibra óptica real. En un sistema CWDM por la

rejilla determinada por la ITU – T, los canales tienen una separación de 20 nm

entre ellos.

Los láseres utilizados en CWDM tienen un menor costo que los utilizados en

DWDM, debido a que la separación entre canales es mayor. Al tener 20 nm entre

cada canal, el láser no utiliza un control de temperatura, por lo tanto, son láseres

sin refrigeración. En los láseres para DWDM el sistema de control de temperatura


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56

debe mantener el haz de luz centrado en la longitud de onda, debido al poco

espaciamiento entre los canales. Así, en CWDM si la longitud de onda se corre un

poco no se corre peligro de interferencia entre canales adyacentes. Con esto, el

tamaño de un láser para CWDM es de hasta un 70 % menor, porque no requieren

ir acompañados de un refrigerador y su encapsulado es, por tanto, mucho más

simple. También, como se mencionó anteriormente, los láseres CWDM tiene un

menor consumo de potencia, de 3 a 5 veces menor que el consumo de los

utilizados en DWDM.

Figura 22.Variaciones con la temperatura de la longitud de onda de emisión de un láser DFB

no refrigerado en un canal de CWDM a 1554 nm. Fuente: Hurtado y González. CWDM: Aspectos económicos de la multiplexación en longitud de


Luego, el tercer bloque de recepción se conforma por los demultiplexores. Cada

receptor lleva asociado un filtro óptico sintonizable que permite eliminar las

señales no deseadas (es decir, seleccionar un solo canal/ longitud de onda). Estos

filtros están constituidos por un etalón de Fabry-Perot que consiste en dos espejos

que forman una cavidad resonante en la que se puede seleccionar la longitud de

onda.


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57

Cuando se modifica la distancia entre los espejos se modifica al mismo tiempo la

longitud de onda de la luz que resuena en la cavidad, lo que constituye un medio

para sintonizar el filtro

Los filtros reciben los canales multiplexados y deben de demultiplexarlos para que

la señal de cada canal se envíe a su debido receptor. Estos filtros son pasa banda,

pero el ancho de banda no es tan angosto como ocurre en DWDM, debido a la

mayor separación entre los canales de CWDM. Las diferentes longitudes de onda

que aparecen al final de la fibra se distribuyen mediante un dispositivo que puede

ser un acoplador pasivo en estrella.

Actualmente se desarrollan otros componentes de la red de comunicación, éstos

se conocen como OADM (optical add/drop multiplexer), éstos se utilizan para

insertar y extraer longitudes de onda en la red WDM. Para transmitir datos, los

OADMs toman varias señales y convierten cada canal en longitudes de onda que

se agregan al haz óptico. Cuando recibe dicho haz, el OADM realiza la función

inversa, demultiplexa las longitudes de onda en sus fuentes de luz originales.

La multiplexación por longitud de onda (WDM) asigna señales ópticas entrantes a

frecuencias específicas de luz dentro de una cierta banda de frecuencias. Este

multiplexado es parecido a la forma en que las estaciones de radio transmiten

diferentes longitudes de onda sin interferir entre ellas, como cada canal es

transmitido a distinta frecuencia se puede seleccionar usando un selector.

En los sistemas WDM cada una de las longitudes de onda es transmitida y

demultiplexada en el receptor final, cada señal es transmitida independientemente

de las otras, cada canal tiene su propio ancho de banda dedicado, y todas las

señales llegan al mismo tiempo, a diferencia de TDM.


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58

La diferencia entre WDM, DWDM y CWDM es fundamentalmente que los espacios

en CWDM son mayores que los considerados en WDM. El límite de ese espaciado

es de 16 longitudes de onda en una sola fibra.

CWDM tiene un gran número de funciones, amplifica todas las longitudes de onda

de una vez sin tener que convertir a señal eléctrica, transporta señales de

diferentes velocidades y tipos simultáneamente, tiene independencia entre

protocolos y capacidades. Además, de un menor costo económico y muy útil en

redes de acceso y metropolitanas, especialmente en las menores a 50 Km. Entre

esas distancias, la tecnología CWDM puede admitir diversas topologías: anillos

con distribuidor (hubbed ring), punto a punto y redes ópticas pasivas. Además, se

adapta correctamente a las aplicaciones de redes metropolitanas. Por ejemplo,

anillos locales CWDM que conectan oficinas centrales con los principales anillos

express metropolitanos (DWDM) y a las aplicaciones relativas al acceso, como los

anillos de acceso y las redes ópticas pasivas. En cuanto a sus aplicaciones, estas

se analizarán más específicamente en la sección 4.5.

WDM, DWDM y CWDM usan fibras monomodo para el transporte, y difiere de las

fibras multimodo donde a pesar de tener varios modos de luz, todos tienen la

misma longitud de onda pero entraron a la fibra con diferentes ángulos.

4.4 Multiplexores y amplificadores

Para iniciar esta sección se dará una breve explicación de la utilización de los

amplificadores en DWDM para demostrar la diferencia y por qué el uso de CWDM

en redes de corta distancia.

La tecnología DWDM se sostiene sobre ciertos pilares tecnológicos asociados

que, de un modo u otro, disparan la implantación de estos sofisticados sistemas

de comunicación de banda ancha.


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59

El amplificador óptico es uno de estos pilares. Los amplificadores basados en el

bombeo sobre fibra dopada con Erbio (EDFAS) fueron introducidos en la red

durante los 80, siendo en los 90 un elemento de uso común. Básicamente,

amplifican toda una ventana óptica y por consiguiente, todos los canales

(longitudes de onda) incluidos en esa ventana (típicamente desde 1525nm hasta

1565nm).

Un sistema de comunicaciones basado en fibra óptica utiliza amplificadores a lo

largo de la fibra para regenerar la señal luminosa, que va perdiendo intensidad a lo

largo de su paso por la fibra (regenerar se refiere al proceso de reproducir la señal

original con la misma potencia óptica y sin distorsiones). Estos amplificadores

están basados normalmente en tecnología opto-electrónica que conlleva

conversiones electro-ópticas y opto-electrónicas que consumen ancho de banda .

En CWDM no se necesitan los amplificadores, ésto es debido a que sus

aplicaciones se refieren a redes de poca distancia, como máximo de 50 Km. Con

ésto, los costos de un sistema CWDM se minimizan, ya que es un bloque menos

del sistema de transmisión. Por eso, en la actualidad se trata de introducir DWDM

sobre CWDM en las redes de acceso y metropolitanas, porque el implementar

equipos tan costosos en redes pequeñas no tiene gran utilidad, cuando existe una

tecnología más barata.

Otra tecnología que avala la eficiencia y potencia del sistema CWDM, es la

posibilidad de construir módulos que extraigan ciertos canales de la red y puedan

incorporar esos u otros canales a la misma, sin necesidad de un complejo

escalado de extracción e inserción.

Estos módulos conocidos como OADM, mencionados anteriormente, están

especialmente diseñados para permitir el uso y extracción de canales en lugares


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60

pequeños, con lo cual, el uso de tecnología CWDM se abre paso en el mercado

metropolitano, donde la conectividad ha sido siempre un obstáculo al compararla

con los grandes enlaces y su costo de bit por kilómetro.

Los OADMs actuales, soportan una extracción / inserción de 4 y 8 canales. En el

futuro permitirán cualquier combinación de canales, serán flexibles y trabajarán al

tiempo que los amplificadores ópticos, ya que estos OADMs requieren balance de

potencia al efectuar la operación extracción-inserción.

4.5 Aplicaciones

Como se ha mencionado anteriormente, la tecnología CWDM se implementa

actualmente en las redes metropolitanas y en las de acceso.

Las redes metropolitanas son aquellas que proporcionan el interfaz entre las redes

de larga distancia y cubren distancias entre 200 – 300 km, mientras que las redes

de acceso son las que prestan los servicios a los usuarios finales, tanto

residenciales como empresas con distancias de varias decenas de km. El objetivo

de estas redes es, por lo tanto, distribuir la capacidad proporcionada por el núcleo

de la red de larga distancia hasta los extremos de la red, así como también

recolectar las distintas tributarias de información correspondientes a los usuarios

finales que constituyen los extremos de la red, acumularlas y traspasárselas de

nuevo al núcleo de la red de larga distancia. En estos casos se necesita, en mayor

medida, que las redes sean flexibles, fácilmente escalables y sobre todo que

presenten una gran eficiencia entre el costo total de las infraestructuras y su

mantenimiento y los servicios que pueden ser ofrecidos con las mismas a los

usuarios finales.

Para dichas redes, la tecnología CWDM presenta ventajas fundamentales para su

elección. La principal ventaja es su precio. Es una alternativa económica para


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61

aumentar la capacidad de las redes de acceso y metropolitanas en comparación

con el costo de otras soluciones, como puede ser los sistemas basados en

tecnología SONET/SDH y sobre todo más económica que las soluciones basadas

en equipos de tecnología Metro DWDM, o lo que es lo mismo DWDM de entorno

metropolitano. El menor costo no sólo es debido al propio precio de adquisición de

los equipos, sino también, al costo de funcionamiento. En cuanto al

mantenimiento, tanto DWDM como CWDM tienen un costo similar. El menor costo

de funcionamiento, es debido a lo comentado en las secciones anteriores, el

consumo de potencia de un transmisor CWDM es del 13.3 % del consumo de un

transmisor DWDM. Como se observa en la siguiente figura

Figura 23.Comparación de costos CWDM y DWDM.

Fuente: Hurtado y González. CWDM: Aspectos económicos de la multiplexación en longitud de


Otra de las ventajas de CWDM son el menor tamaño de los equipos y su mayor

simplicidad. En DWDM al ser el espaciado entre canales reducido y alto el número

de canales multiplexados en longitud de onda, los equipos de transmisión deberán

emplear componentes mucho más desarrollados. Si se observa la separación en


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62

los canales de DWDM, que únicamente de 0.8 ó 0.4 nm e incluso menor, vemos

que se requiere una gran precisión en la longitud de onda de emisión de los

láseres que configurarán cada canal en los equipos transmisores, ya que cualquier

desplazamiento puede tener consecuencias desastrosas en el sistema, como

acoplo entre señales, pérdida de información.

La UIT ha establecido una norma mundial para las redes de "fibra óptica"

metropolitanas que incrementará la utilización de la multiplexación por división

aproximada de longitud de onda (CWDM) en las redes metropolitanas. Se prevé

que con esta norma, indispensable para responder a la creciente demanda de los

servicios vocales, de datos y multimedios en materia de soluciones de transporte

de corto alcance y a bajo costo, los operadores de telecomunicaciones podrán

realizar economías de las que, según se espera, sacarán provecho los

consumidores.

Según un informe publicado recientemente por Gartner DataQuest, el mercado

mundial de "redes metropolitanas ópticas" pasará de 1 100 millones de dólares

en 2001 a 4 300 millones de dólares en 2005. Gracias a la adopción de esta nueva

norma, la técnica de multiplexación CWDM está a punto de conquistar una parte

considerable de este mercado. Las aplicaciones CWDM son particularmente

eficaces para alcanzar una cobertura de hasta 50 kilómetros. Para distancias más

cortas y una menor capacidad requerida, las aplicaciones CWDM permiten utilizar

un espaciado de canales más amplio y equipos más baratos garantizando el

mismo grado de calidad que los sistemas de fibras ópticas de largo alcance.

Existen diversos escenarios, además de las ya comentadas redes metropolitanas,

donde CWDM constituye una opción atractiva. Por ejemplo, los sistemas de

acceso de banda ancha sobre redes HFC requieren a menudo la transmisión de

tráfico de retorno desde los nodos HFC hacia la cabecera situada a unos 75 km de

distancia de éstos, siendo CWDM un candidato ideal para esta aplicación. El


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63

alcance de las transmisiones digitales banda base sobre CWDM es de hasta 75

km, si bien en el caso de retorno analógico se tiene un alcance más reducido

debido a los requisitos de relación señal a ruido. La estandarización de esta

aplicación está llevándola a cabo en Estados Unidos la SCTE (Society of Cable

Television Engineers). Los sistemas de acceso de bucle de abonado FTTC (fiber

to the curb), FTTB (fiber to the building) o FTTH (fiber to the home), caracterizados

por alcances de hasta 20 km, constituyen otro campo de aplicación donde CWDM

puede ser beneficioso.

Pero además del requisito de acomodar un amplio margen de alcances del

sistema, los proveedores de servicio deben ser capaces también de proporcionar

múltiples servicios (voz, vídeo y datos) a los usuarios finales a distintas longitudes

de onda usando una variedad de protocolos y tasas de bit: SONET/SDH, ATM,

QAM, ESCON, FICON, DV-6000, OC-3 hasta OC-48, Gigabit Ethernet, etc. En

este caso, CWDM se ajusta perfectamente a este paradigma, ya que ofrece ancho

de banda escalable de una forma económica. Si en un futuro se necesitara

aumentar la capacidad por encima de los 16 canales, entonces podrían colocarse

varios canales DWDM en sustitución de uno o dos canales CWDM de la banda C.

Esta técnica se conoce como DWDM-over-CWDM y permite hacer crecer el

sistema de una forma flexible con un coste inicial reducido.

La mayoría de sistemas CWDM que ya se encuentran implantados en la

actualidad transportan tráfico de almacenamiento (SAN, storage area networking)

de las redes de grandes empresas. Esta aplicación se encuentra en auge

últimamente y los sistemas CWDM son un candidato ideal debido a su bajo costo,

por lo que nadie se preocupa de desperdiciar un canal CWDM completo para

transportar un flujo ESCON de 200 Mbps.

Los fabricantes de routers y conmutadores Ethernet están añadiendo capacidades

CWDM en sus equipos por medio de GBICs (gigabit interface converters). Por


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64

ejemplo, Cisco Systems ha incorporado GBICs en siete de sus productos. De

hecho, más de veinte vendedores de sistemas están ofreciendo soluciones CWDM

en sus catálogos de productos. Según los analistas, el mercado mundial de

sistemas CWDM en el año 2002 se situó en torno a los 100 millones de euros y se

espera que en el futuro esta tecnología se convierta en un importante nicho de

mercado.


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65

CAPÍTULO V: Tendencias de CWDM 5.1 Nuevas Técnicas

En 1981, Bill Gates dijo que 640 kbps era más que suficiente para satisfacer las

demandas de ancho de banda del cliente. Una afirmación que con el paso del

tiempo se convirtió en una observación errónea y sin visión futurista. El ancho de

banda suficiente es aquel que satisfaga las necesidades del usuario, eso significa

que con el paso del tiempo la cantidad de bits por segundo irá aumentando. Se

puede visualizar como un juego de ping pong, de un lado se aumenta la velocidad

de transmisión de los sistemas, pero por el otro lado, aparecen nuevas

aplicaciones que necesitan un mayor ancho de banda, con lo cual, los sistemas

deben evolucionar para lograr cubrir esta nueva necesidad, y así continuamente.

Un importante desarrollo mencionado en el capítulo anterior, que permite el

aumento del ancho de banda, es el tipo de fibra monomodo que elimina el pico de

absorción de agua. Aparte, si se desarrollan nuevos tipos de fibras estos deben

soportar los efectos no lineales que afectan la transmisión. El futuro de las redes

estará consecuentemente caracterizado por la centralización y escalonamiento de

servicios. La centralización de datos redundará en la construcción de redes

acomodadas para el tráfico de datos, dado que éste continuará creciendo en un

gran porcentaje. El escalonamiento trae consigo la flexibilidad de un sistema,

donde el flujo total de información puede dividirse en paquetes, relativamente

pequeños, a la hora de descomponer la señal hasta el más bajo nivel. Cuanto más

preciso es el escalonamiento, mayor es la potencia, rapidez y flexibilidad.

Los servicios ofrecidos estarán caracterizados por voz y líneas privadas DS1 y

DS3; líneas privadas OC-3 y OC-12; líneas interurbanas OC-12 y OC-48 ATM;

líneas interurbanas de internet, vídeo y Gigabit LANs OC-3 a OC-48, cada uno


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66

transmitido por su propia longitud de onda; y OC-192 y OC-768 reemplazarán

eventualmente a OC-48.

Las técnicas actuales en transmisión de información no darán respuesta a la

continua demanda de ancho banda. La necesidad de ancho de banda a nivel

mundial es imposible de calcular, pero se sabe que el máximo que se puede

obtener con una fibra monomodo es 50 THz. La técnica CWDM no es para

solucionar dicho problema, porque su aplicación se ve reducida a las redes

metropolitanas y redes de acceso. Ésto debido a sus características analizadas en

el capítulo anterior, como un menor número de longitudes de onda multiplexadas

en una fibra monomodo en comparación con técnicas como DWDM y el no uso de

amplificadores. Mientras, que una red de transporte si requiere una mayor

cantidad de información introducida en la fibra monomodo. Aún así, la técnica que

se aplique a las redes metropolitanas o a las redes de acceso deben de satisfacer

las demandas de ancho de banda del usuario terminal y además, al menor costo

posible.

En la siguiente tabla se realiza una comparación de las tecnologías WDM según

su aplicación:


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Tabla 3. Equivalencias en tasas de transmisión entre SONET y SDH

Aplicación/parámetro CWDM acceso/MAN

DWDM MAN/WAN

DWDM largo alcance

Canales por fibra 4-16 32-80 80-160

Espectro utilizado O, E, S, C, L C, L C, L, S

Espaciado entre canales 20 nm (2500 GHz) 0,8 nm (100 GHz) 0,4 nm (50 GHz)

Capacidad por canal 2,5 Gbps 10 Gbps 10-40 Gbps

Capacidad de la fibra 20-40 Gbps 100-1000 Gbps >1 Tbps

Tipo de láser uncooled DFB cooled DFB cooled DFB

Tecnología de filtros TFF TFF, AWG, FBG TFF, AWG, FBG

Distancia hasta 80 km cientos de km miles de km

Coste Bajo medio Alto

Amplificación óptica Ninguna EDFA EDFA, Raman Fuente: Ramos, Francisco. Redes ópticas basadas en CWDM. Revista Electrónica y

Comunicaciones. Junio 2003

En el estándar ITU G.694.2, que es el más reciente de la ITU – T sobre CWDM,

especifica un total de 18 longitudes de onda para esta técnica, con lo cual, ya no

son 8 o 16 como máximo. Estas 18 longitudes de onda están centradas entre los

1270 nm a los 1610 nm. Con los tipos de fibra estándar se pueden acomodar 5

canales desde los 1270 nm a los 1350 nm, esto es en la banda O. Además, se

acomodan 8 canales desde 1470 nm a los 1610 nm (bandas S, C y L). Y con las

fibras con un pico de agua bajo se pueden adicionar 5 canales entre los 1350 nm y

los 1450 nm. También, las señales de retorno analógico de banda base se pueden

transmitir a 50 km o más, dependiendo de la potencia del láser, fibra, pérdidas en

los componentes y sensitividad en el receptor. Cuando se realiza una combinación

con transmisión digital la distancia puede exceder los 75 km.

Las redes de telecomunicaciones actuales, que utilizan fibra óptica, están basadas

en tecnología de Jerarquía Digital Sincrónica (SONET/SDH: Synchronous Optical


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Network / Synchronous Digital Hierarchy) como capa estándar para la interfaz con

capas superiores de protocolo. Si bien, esta configuración funciona correctamente

para servicios de mediana velocidad, no es viable para la masificación de servicios

de banda ancha en los usuarios finales. Estudios realizados indican que la máxima

velocidad que se puede obtener en redes SDH es de 10 Gbps, con lo que se

restringen las posibilidades de escalamiento futuro en ancho de banda, en lo que a

esta tecnología se refiere.

Como se nombró anteriormente, hoy, las tecnologías WDM se utilizan en la

mayoría de enlaces punto a punto usando tecnología SONET/SDH como la capa

estándar para la interfaz con capas superiores de protocolo. Sin embargo, se

desea eliminar esta capa y correr IP directamente sobre WDM, debido a la

habilidad de IP de ser una capa común de convergencia y de WDM de ser una

capa de transporte y acceso altamente eficiente en ancho de banda.

Otro aspecto a desarrollar es la posible integración de CWDM y DWDM. Para

realizar esta integración primero debe tenerse una red DWDM funcionando, ya

que se tiene, existen tres alternativas para integrar estos sistemas:

1. Los dos sistemas pueden ser integrados vía transponders, típicamente a

1310 nm o 850 nm, basados en los estándares. Siendo éste el estándar, de

manera que cualquier SONET puede ser integrado dentro de los sistemas

WDM.

2. La posibilidad de integración de CWDM funcionalmente en los productos

del bloque de la red localizados en la oficina central. Esto evita la necesidad

de una interconexión basada en un transponder y deja una gran unificación

de arquitecturas.


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3. Aún así, hasta aquí la posibilidad de implementar DWDM y CWDM en la

misma fibra se encuentra extraviada. Esta posibilidad se abre con la

combinación de dos mapas de canales de las normas ITU, los estándares

G.694.1 y G.694.2. Como se muestra en la siguiente figura, es posible

introducir 8 canales DWDM (200 GHz) en un canal CWDM. O sea, se

aprovechan las longitudes de onda habilitadas en G.694.1 para ser

bandeadas en las longitudes de onda de G.694.2.

Figura 24.Introducción de canales DWDM sobre un canal CWDM

Fuente: Dr. Richard Lauder. Key applications for CWDM in the metro network. Página web de

Computer Graphics World.

Otra técnica a utilizar para CWDM en anillos metropolitanos es el método

regenerativo, con está técnica cada canal es regenerado en cada nodo. Además,

CWDM regenerado es más económica que los sistemas DWDM amplificados

ópticamente. También, CWDM es desplegado en ambientes extremos, ya que el

regenerador puede ser localizado en los gabinetes de la calle. Los regeneradores

reforman, retemporizan y reamplifican completamente la señal de salida, ellos

compensan cualquier dispersión acumulada. Además, usando regeneradores en

línea dejan que señales STM – 16 o OC – 48 CWDM, moduladas directamente a

bajo costo, sean transportadas cientos de kilómetros.


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70

5.2 Nuevas Aplicaciones

Los sistemas LAN han sido dominados por sistemas de transmisión en serie.

Hasta hace poco tiempo, las arquitecturas LAN en serie podían fácilmente

conseguir el ancho de banda que necesitaban. Pero, con la adopción de Gigabit

Ethernet se introdujo una seria limitación en cuanto a la distancia que se puede

propagar la transmisión en serie (<550 m sobre 1300 nm; <220 m sobre 850 nm)

sobre una fibra multimodo. Dado que la mayoría de la fibra instalada en LAN es

multimodo y el estándar anterior de 100 Mbps tenía una longitud máxima de

transmisión de 2 km, implica que Gigabit Ethernet no se puede instalar en la

mayoría de las instalaciones de la fibra. Blaze Network Products ha desarrollado

un transmisor Gigabit GBIC utilizando CWDM con el fin de incrementar el ancho

de banda de las fibras instaladas. La señal serie Gigabit de entrada se divide entre

el número de canales CWDM con el fin de ralentizar el reloj y minimizar las

propiedades de dispersión modal de la fibra multimodo. Con el fin de transmitir una

señal de 1,25 Gbps sobre 2 km, se han usado 8 canales.

Migrando al siguiente nivel de 10GbE (Gigabit Ethernet), los anchos de banda y

las distancias de transmisión disminuyen. Es posible la modulación directa, la

detección y la amplificación de las señales ópticas a 10 G, pero a un precio

significativamente mayor y también mayores complejidades de empaquetados. La

distancia se reduce a menos de 30 m en las fibras multimodo. Un VCSEL de 4

canales basado en CWDM operando a 3.125 Gbps por canal alcanzando 100 m

de transmisión sobre fibra instalada, y 1 km sobre fibra óptica más nueva

optimizada para 850 nm.

Otra aplicación para CWDM es en las redes híbridas fibra – coaxial. Los sistemas

de acceso de banda ancha sobre redes HFC requieren a menudo la transmisión

de tráfico de retorno desde los nodos HFC hacia la cabecera situada a unos 75 km

de distancia de éstos, siendo CWDM un candidato ideal para esta aplicación. El


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71

alcance de las transmisiones digitales banda base sobre CWDM es de hasta 75

km, si bien en el caso de retorno analógico se tiene un alcance más reducido

debido a los requisitos de relación señal a ruido. Como se mencionó en el capítulo

anterior, la estandarización de esta aplicación está llevándola a cabo la SCTE

(Society of Cable Television Engineers). Los sistemas de acceso de bucle de

abonado FTTC (fiber to the curb), FTTB (fiber to the building) o FTTH (fiber to the

home), caracterizados por alcances de hasta 20 km, constituyen otro campo de

aplicación donde CWDM puede ser beneficioso.

Las fibras ópticas disponen de un gran ancho de banda de transmisión del orden

de Terahercios. Para aprovechar esta enorme capacidad de espectro óptico

pueden emplearse distintas técnicas de multiplexación de la información a

transmitir, como por ejemplo la multiplexación en longitud de onda (wavelength

division multiplexing, WDM). Pero en el caso de los sistemas ópticos analógicos

todavía es posible aumentar un escalón más el nivel de multiplexación si

modulamos cada portadora óptica con la señal multicanal de RF, proveniente de

un transmisor CATV o receptor de TV satélite. Esta técnica de multiplexación en el

dominio eléctrico se conoce con el nombre de SCM (subcarrier multiplexing).

Surgen de este modo los llamados sistemas híbridos WDM-SCM.

Los sistemas de subportadoras multiplexadas (subcarrier multiplexing, SCM) se

utilizan comúnmente para la transmisión de señales de RF sobre enlaces de fibra

óptica. SCM es una técnica en la que una señal de banda ancha compuesta por

diversos canales multiplexados en frecuencia se aplica directamente a un láser

modulado en intensidad. Estos sistemas se caracterizan por acomodar en el

espectro tanto canales analógicos como digitales, transportando señales de voz,

datos, vídeo, audio digital, TV de alta definición, y cualquier combinación de

servicios que se desee. Cada usuario puede servirse con una única subportadora,

o bien distribuir una señal multicanal entre todos los usuarios. Su enorme

flexibilidad los hace muy atractivos en el caso de aplicaciones de banda ancha,


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72

especialmente si los servicios se originan desde distintos proveedores utilizando

esquemas de modulación y anchos de banda diferentes.

La mayoría de redes WDM transportan tráfico homogéneo, por ejemplo todos los

canales ópticos transportan tramas SONET (Synchronous Optical NETwork) OC-

48 (2,5 Gbit/s) y OC-192 (10 Gbit/s). Sin embargo, en el caso de tráfico no

homogéneo (bien analógico/digital, o bien digital con distintas velocidades y

formatos de modulación) resulta más eficiente acudir a soluciones alternativas. En

esta situación, la solución consiste en proporcionar un nuevo nivel de

multiplexación sobre cada uno de los canales ópticos, es decir SCM. De este

modo, se llega a un esquema de multiplexación híbrido WDM-SCM, en el cual, se

tiene un canal de información independiente por cada una de las subportadoras

que componen cada uno de los canales ópticos WDM.

Las señales SCM a diferentes longitudes de onda, provenientes de distintos

transmisores ópticos, pueden multiplexarse en el dominio óptico empleando un

combinador e inyectarse posteriormente en una misma fibra. En la figura 25 se

representa el espectro óptico típico de uno de estos sistemas. En especial,

algunas de las portadoras ópticas podrían estar moduladas directamente por una

señal digital en banda base. La ventaja de este esquema de multiplexación

conjunto es que permite enrutar cada portadora hacia un determinado nodo óptico

en función de su longitud de onda, y posteriormente seleccionar la subportadora

de cada usuario en el dominio eléctrico.


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Figura 25. Espectro óptico del sistema WDM SCM Fuente: Francisco Ramos. Sistemas de comunicaciones ópticas híbridos WDM - SCM. Página

Web: http://ttt.upv.es/~framos/index.html.

En combinación con la modulación directa, la técnica WDM-SCM no requiere una

circuitería compleja de estabilización de frecuencia. Además, no necesita control

de polarización ni filtros selectivos. La inclusión de nuevos usuarios se realiza de

forma flexible sin modificar la arquitectura de la red, simplemente acomodando

nuevos canales ópticos o subportadoras de RF. Por último, no es necesaria

ningún tipo de sincronización entre los transmisores y los receptores.

Una de las principales fuentes de degradación de los sistemas WDM-SCM es el

proceso no lineal de mezclado de cuatro ondas, él cual se produce a lo largo del

trayecto de propagación por la fibra óptica. Para evitarlo es indispensable trabajar

en zonas de dispersión cromática no nula. Es por ello que se utilizan las llamadas

fibras de dispersión desplazada casi nula (NZDSF, nearly zero dispersion-shifted

fiber), puesto que además se reducen los niveles de dispersión cromática. De

hecho, el efecto conjunto de la dispersión cromática y de la automodulación de

fase introducida por la fibra, esto en el caso de potencias ópticas elevadas, es la

principal causa de distorsión no lineal sobre la señal multicanal SCM a la salida del

fotodetector. Adicionalmente, otro factor perjudicial lo constituye la diafonía


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producida por diversos efectos no lineales como por ejemplo la modulación de

fase cruzada o la dispersión estimulada de Raman. Finalmente, cuando los

canales SCM a una misma longitud de onda se introducen en el sistema

empleando transmisores ópticos distintos, la interferencia que se produce en el

fotodetector entre los espectros ópticos del ruido de fase de cada uno de los

láseres da lugar a un fondo de ruido que afecta principalmente a las frecuencias

bajas de la señal (menores de 1 GHz). Para evitarlo es necesario el empleo de

láseres con reducido ancho de línea.

5.3 Utilización en Costa Rica

5.3.1 Antecedentes

Desde la década anterior nuestro país comenzó a participar activamente en

proyectos de Cables Submarinos de fibra óptica. Es así que en octubre de 1993, el

ICE firmó el acuerdo de Construcción y Mantenimiento (C&MA) del cable

submarino Columbus II, en conjunto con más de 60 compañías de

telecomunicaciones. Éste cable parte de Cancún (México) y pasa por la Florida,

Saint Thomas (Islas Vírgenes de Estados Unidos), Islas Canarias, Islas Madeira y

Palermo. El ICE adquirió en el cable Columbus II cinco medios sistemas de 2

Mbps para conectarnos con los Estados Unidos y un medio sistema de 2 Mbps

para interconectarnos con España. El ICE se conecta a este cable en Cancún, a

través de la Red Regional Digital de Microondas que atraviesa toda Centroamérica

y a través de un enlace de fibra óptica en México. El cable Columbus II entró en

operación en 1994.

Luego, en diciembre de 1996, el ICE firmó el Acuerdo de Construcción y

Mantenimiento (C&MA) del cable Panamericano, que es un cable de fibra óptica

que parte de Árica (Chile) y va a Perú, Ecuador, Panamá, Colombia, Venezuela,

Aruba e Islas Vírgenes. El ICE adquirió en este cable, tres medios sistemas de 2

Mbps para conectarnos con Estados Unidos. El país se conecta a este cable en la


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Ciudad de Panamá por medio de la Red Regional Digital de Microondas. Este

entró en operación en 1999.

Siguiendo con la participación de Costa Rica en Cables submarinos, se firma en

1998 el C&MA del cable Columbus III, que es un cable que parte de la Florida,

Portugal, España e Italia. Aquí, el ICE adquiere un medio sistema de 2 Mbps para

conectarse con Suiza. Igual que en los anteriores, no hay punto de aterrizaje en

Costa Rica, por lo tanto, se conecta en la Florida por medio de la Red Regional

Digital de Microondas. El Columbus III entró en operación en diciembre de 1999.

El otro proyecto importante es el cable Maya I. Éste fue instalado en el año 2000.

El cable submarino Maya I es una obra tipo consorcio que conecta a La Florida

(Estados Unidos), con Tolú (Colombia), pasando por Cancún (México), Puerto

Cortés (Honduras), Gran Caymán (Islas Caymán), Puerto Limón (Costa Rica) y

Colón (Panamá).

Se adquirió en este cable una capacidad inicial de 150 sistemas de 2 Mbps, sin

embargo, esta capacidad puede incrementarse fácilmente mediante una

ampliación de la capacidad instalada del cable. Para conectarse desde San José

al punto de aterrizaje en Puerto Limón, el ICE construyó un enlace de fibra óptica,

el cual consiste en un anillo autoprotegido con una capacidad de 2.5 Gbps, lo cual

permitirá ofrecer un acceso al cable de una alta calidad y confiabilidad.

El cable submarino Maya I está formado por un anillo autoprotegido de fibra óptica

en Jerarquía Digital Síncrona (Synchronous Digital Hierarchy, SDH), con 7 nodos:

Hollywood (Florida, Estados Unidos), Cancún (México), Puerto Cortés (Honduras),

Gran Caymán (Islas Caymán), Puerto Limón (Costa Rica), Colón (Panamá) y Tolú

(Colombia), con una longitud de 4 400 Km.

Arcos I es un cable submarino de fibra óptica que interconecta a 15 países en la

región del Caribe: Estados Unidos, Bahamas, Turks & Caicos, República


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Dominicana, Puerto Rico, Curacao, Venezuela, Colombia, Panamá, Costa Rica,

Nicaragua, Honduras, Guatemala, Belice y México.

Para construir y mantener el cable Arcos I durante los 25 años de vida útil, se

firmó el Acuerdo de Construcción y Mantenimiento (C&MA), documento

constitutivo del consorcio mediante el cual el ICE y RACSA pasaron a formar parte

del mismo.

El punto de aterrizaje está localizado en Cieneguita, 2 km al sureste de Puerto

Limón. La estación terminal, denominada Bri-Bri, se encuentra en el Cerro Garrón,

que es el punto de interconexión con el Sistema Nacional de Telecomunicaciones

(SNT), lo que permite una conexión rápida y flexible.

Inicialmente con este cable se adquirió una capacidad de 18 sistemas de 2 Mbps,

a cambio del uso de la infraestructura en la estación de Bri-Bri en Limón. La

distribución de los 18 sistemas fue de la siguiente manera:

• 12 son utilizados por el ICE

• 6 por RACSA.

Dentro de las características más importantes de esta obra se mencionan las

siguientes:

• Conecta en forma indirecta 15 países.

• Su capacidad inicial es de 15 Gbps equivalente a 6 048 sistemas de 2

Mbps.

• Seguidamente, su capacidad final pasa a 960 Gbps equivalente a 387 072

sistemas de 2 Mbps.

• Gran capacidad de ampliación, la primera permitirá un incremento de

10 080 sistemas de 2 Mbps adicionales.

• Longitud: 8400 km.


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Con el fin de interconectar la capacidad de los cables Maya 1 y Arcos I con el SNT

desde Puerto Limón hasta San José, el ICE construyó un moderno enlace de fibra

óptica, formado por un anillo físico auto protegido, que permite una restauración

automática en caso de falla en la fibra óptica. Este enlace está en operación desde

mediados del año 2000.

Actualmente el ICE trabaja en un proyecto para extender la cobertura de este

anillo hasta la costa pacífica, para tener conectividad en el futuro con cables

submarinos que lleguen al Pacífico y además, ofrecer un canal electrónico a través

de nuestro país que interconecte los diversos cables de la red mundial de cables

submarinos de fibra óptica.

La idea de esta introducción con información sobre los proyectos de cable

submarino de fibra óptica donde Costa Rica participa, es porque desde hace años

somos parte activa del desarrollo de las comunicaciones globales por medio de la

óptica.

Actualmente en Costa Rica se desarrolla el proyecto de Internet Avanzada, esto

ha dado luz verde a la realización proyectos que son la plataforma para que la

idea funcione correctamente. Uno de estos es el proyecto frontera – frontera.


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Figura 26.Mapa de ubicación de los cables submarinos en los que participa Costa Rica

Fuente: Instituto Costarricense de Electricidad. Interconexión de Cables Submarinos.Página Web:

http://www.ice.go.cr

5.3.2 Proyecto Internet Avanzada

El número de usuarios que acceden a Internet y que han de compartir el ancho de

banda disponible se incrementa cada vez más. Al mismo tiempo, las empresas

han ido cobrando protagonismo en la red y esta se ha ido impregnando de un

carácter comercial en detrimento de sus objetivos iniciales, como lo eran

básicamente servir de enlace entre las comunidades científicas y académicas.

Así, cada día va tomando más fuerza la idea de la necesidad de una evolución a

nivel técnico y conceptual de la red Internet. Dentro de este marco, se están

implementando varias iniciativas, como las redes de alta velocidad para el trasiego

de información, en las que tanto el ICE como RACSA están abocados en la


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actualidad, procurando acordar el mejor procedimiento para facilitar esta nueva

ventaja a la ciudadanía a la mayor brevedad de la forma más económica posible.

El proyecto de Internet Avanzada implica el establecimiento de una red de

enrutadores conectados por fibra óptica con capacidad para 10 Gbps, los cuales

permitirían el establecimiento de 100.000 líneas de acceso a Internet con

velocidades superiores a los 33 kbps, utilizando la red telefónica de cobre del ICE.

Actualmente, el ICE brinda el servicio a 300 clientes como parte de un Plan Piloto

a través de una red Digital Subscriber Line (DSL), mientras RACSA estudia, junto

con las autoridades y técnicos del ICE, la viabilidad de utilizar para ello su red

Asynchronuos Transfer Mode (ATM), ya en operación para el servicio inicial de

Internet.

El Plan Piloto implementado por el ICE tiene como objetivo la experimentación

para la interconexión de las centrales de San Pedro, San José, Pavas, Tibás y

Escazú, lo anterior implementado con la instalación de 350 líneas digitales con

conexión permanente de banda ancha, así como la puesta en servicio del

backbone central utilizando multiplexación óptica (DWDM) en anillos de 2.5 Gbps.

La Red Internet Avanzada, va a permitir evolucionar hacia una red de nueva

generación con capacidad adecuada para satisfacer las necesidades nacionales e

internacionales de conexión para el transporte de tráfico IP. Esta red soportará

nuevos servicios de conmutación de paquetes IP que permiten aplicaciones como

VPN (Redes Privadas Virtuales), Mensajería Unificada, Acceso a Internet, Voz por

IP, entre otros.


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5.3.3 Proyecto Frontera - Frontera

En Costa Rica, la tecnología utilizada en el proyecto “Frontera – Frontera” es la

multplexación densa (DWDM). Como tal, el proyecto supone un inicio en esta

técnica de multiplexación en el país.

Esta red en fibra óptica permitirá el transporte de todo el sistema nacional de

infocomunicaciones, incluirá un 40% de tráfico tradicional nacional, un 10% de

capacidad internacional (Maya, Arcos u otro en el Pacífico), 15% de capacidad

empresarial, 15% de tráfico móvil, 20% de reserva y otras conexiones.

El proyecto en total se constituye por cinco anillos principales, distribuidos por todo

el territorio nacional. Además, el proyecto se planeó para aprovechar la

arquitectura SDH, ya implementada en el país. A continuación un mapa del

proyecto.

Figura 27.Mapa del proyecto frontera = frontera.

Fuente: Instituto Costarricense de Electricidad. Interconexión de Cables Submarinos.Página Web:

http://www.ice.go.cr


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Los anillos son el anillo Norte, el Central Norte, el Central Sur, Metropolitano y el

Sur. Según comentario de trabajadores del ICE, el anillo Metropolitano aunque

tiene forma de ocho, lógicamente trabaja como anillo, ya que la estructura de anillo

es lógica no física. También, se piensa implementar anillos lógicos SDH sobre los

anillos físicos.

La estructura de anillo se escoge porque es la más segura de todas las

arquitecturas, ya que si existe un corte en alguna de las líneas siempre existe un

camino de respaldo para la información.

A estos funcionarios, que aceptaron dar una explicación del proyecto se le

realizaron varias preguntas sobre el por qué de la escogencia de DWDM y no

CWDM en el proyecto frontera – frontera. La razón básica es que en Costa Rica lo

que se está implementando es una red de transporte, y como se ha mencionado

desde los capítulos anteriores, CWDM al introducir una menor cantidad de

longitudes de onda en la fibra, reduce su capacidad de transporte de información,

es por dicha razón que su implementación ha sido en distancias cortas. Eso

significa, que su implementación más importante se encuentra en las redes de

acceso y en las redes metropolitanas.

Porque además con el proyecto se quiere transmitir información sobre los 10 Gbps

en enlaces con distancias, en algunos casos, superiores a los 80 km, de ahí que

con las características mencionadas de CWDM, se recomienda su uso en

distancias menores a los 50 km.

También, los funcionaros del ICE explicaron que cuando se comenzó a gestar la

idea del proyecto frontera – frontera allá por el año 1999, la tecnología CWDM no

se había empezado a desarrollar, sólo se encontraba en el mercado la tecnología

DWDM. Él indicó que cuando llegaron a promocionar dicha tecnología por primera

vez fue la empresa Fujitsu, pero presentaba un gran problema, el SDH debía ser


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propietaria para conectarse. Eso significa que la marca del SDH debía ser la

misma del sistema de multiplexación, porque sino es incompatible, y en la

actualidad funciona equipo Alcatel, Ericsson, entre otros.

También, otro punto en contra que comentaron los funcionarios del ICE es que

casi todo el sistema CWDM es pasivo, o sea va a agregar una mayor cantidad de

pérdidas que perjudicarían la información, mientras que los elementos de DWDM

son activos.

Otra razón encontrada es que del proceso de planeación se encontró que debía

implementarse 32 longitudes de onda multiplexadas en cada fibra, situación que

solo DWDM podría cubrir, ya que aún con los avances mencionados en la sección

5.1 de este trabajo, lo máximo que se llega es a 18 longitudes, y en ese tiempo

eran 8.

Se mencionó como aspecto negativo también, que CWDM no tenía esquemas de

protección que si tiene DWDM, entonces que cuando ocurriera una falla no había

una respuesta adecuada para que el sistema siguiera funcionando. Pero, esta idea

de falta de protección, se debe a que la propuesta de Fujitsu no presentaba dichos

esquemas, aunque en otros partes como Europa se implementan sistemas con

esquemas de protección.

Como último punto que explicaron los funcionarios del ICE es que el tipo de fibra

que recomendaba Fujitsu no iba a ser compatible con el sistema que se pensaba

implementar, sólo que no precisó cuál era ese tipo de fibra.


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CAPÍTULO VI: Conclusiones y Recomendaciones 6.1 Conclusiones

Las cinco partes elementales que constituyen un sistema de comunicaciones

ópticas son: una fuente, un transmisor, un medio de transmisión, un receptor y un

destino. Este tipo de enlace es un caso particular de un sistema de

telecomunicación, la diferencia está en la banda de frecuencias que emplea para

realizar la transmisión.

Existen diferentes tipos de fibras, éstas se pueden clasificar por el número de

modos (rayos) guiados en ellas, en fibras monomodo (sólo un modo guiado) y

fibras multimodo (más de un modo guiado). La fibra óptica monomodo se ha

convertido en el medio más elegido para comunicaciones de alta velocidad y gran

distancia, mientras que la multimodo se utiliza en aplicaciones de corta distancia y

velocidades moderadas. En la actualidad, los avances logrados en la fibra han

permitido una mayor utilización del espectro de frecuencias permitiendo el envío

de una mayor cantidad de información.

Los sistemas ópticos han pasado por cinco estados. Siendo el último estado de los

sistemas ópticos los de quinta generación, basados en la transmisión de solitones.

Un solitón es un pulso ultracorto que preserva su forma temporal (no se ensancha)

a lo largo de la propagación a través de la fibra, sólo con la aparición del

amplificador de fibra dopada con erbio es que los solitones han dejado de ser

curiosidad para convertirse en una técnica de gran utilidad en la transmisión de

alta velocidad.

Los dos elementos que limitan a la fibra óptica como medio de transmisión son la

atenuación o pérdida de la potencia de la señal, y la dispersión, mecanismo que

provoca el ensanchamiento temporal de los pulsos transmitidos por la fibra y que


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limita la máxima velocidad de transmisión digital que puede soportar para evitar la

interferencia entre símbolos. Los últimos avances en la construcción de la fibra ha

permitido que estos efectos se minimicen. Además, las técnicas de envío de

información han mejorado para evitar severas pérdidas debido a estos factores.

Los dos métodos tradicionales para la multiplexación de señales en un sistema de

fibra óptica que utiliza luz coherente (láser), han sido multiplexación en división de

tiempo TDM (Time Division Multiplexing) y multiplexación en división de frecuencia

FDM (Frecuency Division Multiplexing). Recientemente, en el mercado ha entrado

la multiplexación en división de longitud de onda WDM (Wavelength Division

Multiplexing), que al contrario que los dos anteriores, cada señal tiene una

frecuencia láser diferente, de tal manera que se puede filtrar en el receptor.

Porque FDM es una técnica donde se subdivide en bandas todo el espectro de

frecuencias, por lo cual, pueden ser señales de diferentes frecuencias que se

modulan con subportadoras. Por otro lado, TDM es tomar muestras en base al

teorema de muestreo, funcionando como un multiplexor donde se tienen muchas

señales a la entrada y una a la salida que es la combinación de todas, donde el

receptor está sincronizado para poder diferenciar las señales.

Desde la década de los 80, se demostró que la avalancha de demanda que se

avecinaba no podía ser suplida por la técnica de modulación TDM. Por lo cual, se

desplegó la técnica WDM, que aprovechó los avances en los instrumentos de

emisión ópticos, en las fibras, entre otros aspectos. En multiplexación de longitud

de onda (WDM) muchas señales pueden ser transmitidas simultáneamente por

una sola fibra, modulando señales discretas en diferentes bandas de frecuencia.

Finalmente, a finales de los 90, los sistemas densos (DWDM) llegaron a ser una

realidad cuando gran número de servicios y multitud de longitudes de onda

comenzaron a coexistir en la misma fibra, llegando a enviar 32/40/64/80/96

longitudes de onda a 2,5 Gbps y 10Gbps. Siendo está la solución para redes de

transporte pero con un costo alto.


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En los últimos años, al ver el costo tan alto de DWDM aparece CWDM. Una

técnica de menor costo, siendo una opción a considerar en redes locales y

metropolitanas. Su canales presentan una separación de 20 nm, mucho mayor

que la separación de DWDM. Se puede transmitir en las cinco ventanas ópticas,

cuestión que no se puede en DWDM. Alcanzando velocidades similares a las

obtenidas en DWDM, no se ocupan repetidores para distancias menores a 50 km,

ni tampoco láseres tan finos.

Las partes principales de un sistema CWDM son: multiplexor por división de

longitud de onda, láseres sin refrigeración, filtros ópticos, el medio de transmisión

(el cable de fibra óptica, siendo éstas de espectro amplio) y un demultiplexor por

división de longitud de onda. Otro equipo que se podría utilizar sería multiplexor

por longitud de onda ADD-DROP (ADM).

Actualmente, el número de canales en los sistemas instalados es de 16, utilizando

las fibras de pico de agua cero. Esto porque las fibras convencionales permiten 8

canales en las bandas S – C – L y 4 canales en la banda O. Pero, con la

introducción de este tipo de fibra se introducen 4 canales más en la banda E.

Manteniendo siempre la distancia de 20 nm entre canales, según la rejilla

estandarizada por la ITU – T, y no sucede como en DWDM donde dependiendo

del rango del sistema, el espaciamiento entre canales puede variar.

La diferencia entre WDM, DWDM y CWDM es fundamentalmente que los espacios

en CWDM son más abiertos que los considerados en WDM y DWDM. Aunque

tiene una menor capacidad de canales, pero permitiendo el uso de equipo menos

sofisticado y más barato.

La combinación del sistema CWDM con DWDM puede ser en un futuro una gran

inversión, ya que modulando dentro de los canales de CWDM en las bandas


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C – L, canales DWDM se puede introducir una gran cantidad de información,

permitiendo en una red metropolitana un ancho de banda como si fuera red de

transporte.

Además, si se implementa una red nueva, el costo de CWDM es menor, y al existir

un espaciamiento mayor entre canales, este tipo de sistema se puede ampliar sin

la necesidad de una gran inversión, porque por ejemplo, en DWDM al ser tan

pequeños los espaciados, para querer introducir más canales se deben de

introducir láseres y equipo más fino, aumentando el costo.

En Costa Rica, los sistemas DWDM se utilizarán en el proyecto del Instituto

Costarricense de Electricidad (ICE) llamado “Frontera-Frontera”, el cual supone un

inicio en esta técnica de multiplexación en el país. Esta red en fibra óptica

permitirá el transporte de todo el sistema nacional de infocomunicaciones, incluirá

un 40% de tráfico tradicional nacional, un 10% de capacidad internacional (Maya,

Arcos u otro en el Pacífico), 15% de capacidad empresarial, 15% de tráfico móvil,

20% de reserva y otras conexiones.

6.2 Recomendaciones

Se recomienda crear mayores espacios de aprendizaje para CWDM, porque por la

información que se obtuvo del proyecto, esta tecnología no se consideró porque

en ese momento no existía. Este aprendizaje se podría realizar por medio de

publicaciones o con la creación de un curso que cubra este sistema de

multiplexación, ya que como se mencionó en la investigación, es una buena

posibilidad para solucionar problemas de tráfico, de ancho de banda disponible en

las redes metropolitanas y de transporte. Además, CWDM combinado con otras

técnicas de multiplexación puede formar sistemas con una gran capacidad a las

redes de comunicaciones.


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También mención aparte merece UDWDM (ultra dense WDM, WDM ultra denso),

técnica que podría ser motivo de una investigación más afondo, ya que se

presenta como una opción para incrementar aún más la cantidad de canales de

WDM, ya que como su nombre lo menciona, la distancia entre las distintas

longitudes de onda es menor que hasta para DWDM, lo que hace que el equipo

necesario sea tan fino como para DWDM. Si eso es lo que se busca en un futuro.

Es muy recomendable un estudio a fondo de la combinación de CWDM y DWDM,

porque UDWDM es más caro, pero con el proyecto frontera – frontera en marcha

sería interesante evaluar esta nueva práctica, porque se puede aprovechar la

instalación ya hecha, y añadir un mayor número de canales que aprovecharían las

demás bandas, siendo estos canales de emergencia en caso de una falla.


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