República Bolivariana De Venezuela Ministerio Del Poder Popular Para La Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica De La Fuerza Armada Nacional UNEFA - Edo. Cojedes
CONCEPTOS Y COMPONENTES DE MULTIPLEXADO POR LONGITUD DE ONDA
Profesora:
Estudiantes:
Ing. Daniela Arocha
Johnny Herrera C.I.: 25603141 Cindy Guanda C.I.: 20953230 Madeleine Castillo C.I.: 17594417 Diógenes Yhansi C.I.: 22599115
7mo Semestre Ing. De Telecomunicaciones
TINAQUILLO, MARZO DEL 2017
Índice
Introducción .............................................................................................................3 Multiplexado por longitud de onda ...........................................................................4 Características de WDM.......................................................................................5 Principios Operacionales .........................................................................................7 Componentes Pasivos ...........................................................................................10 Los Acopladores de Fibra ..................................................................................10 Los Acopladores de Guía de Onda ....................................................................11 Acopladores estrella ..............................................................................................12 Multiplexores Basados En Interferómetros Mach-Zehnder ....................................13 Filtro de Rejilla .......................................................................................................15 Fuentes Sintonizable Y Filtros Sintonizables .........................................................16 Conclusiones .........................................................................................................18 Webgrafía ..............................................................................................................19
Introducción En el actual trabajo se tiene como intención detallar los principios operativos del WDM y los componentes necesarios para su implementación. En telecomunicación, la multiplexación por división de longitud de onda (WDM, del inglés (Wavelength Division Multiplexing) es una tecnología que multiplexa varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser o un LED.
3 Pág.
Multiplexado por longitud de onda La multiplexación por división de onda (WDM, Wave División Multiplexing) la multiplexación y la demultiplexación involucran señales luminosas transmitidas a través de canales de fibra óptica. La idea es la misma: se combina distintas señales sobre frecuencias diferentes. Sin embargo, la diferencia es que las frecuencias son muy altas. En la siguiente figura da una visión conceptual de un multiplexador y demultiplexador WDM. Bandas de luz muy estrechas de distintas fuentes se combinan para conseguir una banda de luz más ancha. En el receptor, las señales son separadas por el demultiplexor.
El mecanismo de WDM es una tecnología muy compleja, pero sin embargo la idea es muy simple. Se quiere combinar múltiples haces de luz dentro de una única luz en el multiplexor y hacer la operación inversa en el demultiplexor. Combinar y dividir haces de luz se resuelve fácilmente un prisma. Como la física básica que un prisma curva un rayo de luz basándose en el ángulo de incidencia y la frecuencia.
4 Pág.
Usando esta técnica, se puede hacer un multiplexor que combine distintos haces de luz de entrada, cada uno de los cuales contiene una banda estrecha de frecuencia, en un único haz de salida con una banda de frecuencia más ancha. También se puede hacer un demultiplexor para hacer la operación para revertir el proceso como se ve en la siguiente figura.
Diagrama en bloques de una WDM.
Características de WDM Los sistemas de comunicación que utilizan como medio de transmisión una fibra óptica se basan en inyectar en un extremo de la misma la señal a transmitir (previamente la señal eléctrica procedente del emisor se ha convertido en óptica mediante un LED o Láser y ha modulado
5 Pág.
una portadora) que llega al extremo
receptor, atenuada y,
probablemente con alguna distorsión debido a la dispersión cromática propia de la fibra, donde se recibe en un foto detector, es decodificada y convertida en eléctrica para su lectura por el receptor. El tipo de modulación y/o codificación que se emplea con los sistemas de fibra óptica depende de una serie de factores y algunas fuentes de luz se adaptan mejor a unos tipos que a otros. Así el LED, con un amplio espectro en el haz luminoso, admiten muy bien la modulación en intensidad, mientras que el láser -un haz de luz coherente adapta mejor a la modulación en frecuencia y en fase. En distancias cortas, como es en el entorno de una oficina, la atenuación de la fibra (mínima para una longitud de onda de 1,55 (mm) y la dispersión (mínima para 1,3 (mm) no presenta un gran problema, pero a distancias mayores, como las que se requieren en los enlaces de comunicaciones a larga distancia, realmente lo es y se requiere el uso de amplificadores/repetidores que regeneren la señal cada cierta distancia. Por ejemplo en los cables trasatlánticos se colocan repetidores cada 75 Km. que, primero, convierten la señal óptica degradada en eléctrica, la amplifican y la vuelven a convertir en óptica mediante un diodo láser, para inyectarla de fibra óptica, todo un proceso complejo y que introduce retardos debido a los dispositivos electrónicos por los que ha de pasar la señal. Este inconveniente se evitaría si todo el camino pudiese ser óptico (all-optical), algo que ya es posible gracias a los resultados obtenidos, hace ya más de una década, por investigadores de la
6 Pág.
Universidad de Southampton, que descubrieron la manera de amplificar una señal óptica en una longitud de onda de 1,55 mm haciéndola pasar por una fibra de 3 metros de longitud dopada con iones erbio e inyectando en ella una luz de láser a 650 mm (fenómeno que se conoce como bombeo o pumping).
Principios Operacionales En los enlaces punto-a-punto, una línea simple de fibra tiene una fuente óptica en su extremo llamado transmisor y un fotodetector en el receptor. Distintas señales de fuentes lumínicas utilizan fibras ópticas de manera separada y asignada específicamente a un modo, el WDM no es más que un múltiplex por división en frecuencia a frecuencias ópticas de portadora y los estándares de WDM desarrollados por la Unión Internacional de Telecomunicaciones especifica distancias entre canales en términos de frecuencia. La razón principal para la elección de un espaciado fijo de frecuencias entre canales en vez de un espaciado en longitudes de onda, es que cuando un láser opera en un determinado modo, es la frecuencia del láser la que se fija. La Recomendación UIT-T G.692 especifica la selección de los canales entre una serie de frecuencias referidas a 193,100 THz (1552,524 nm) y separadas 100 GHz (0,8 nm a 1552 nm). Otros espaciados alternativos contemplados en la norma son 50 GHz (0,4 nm) y 200 GHz (1 ,6 nm) El término WDM denso o DWDM, para diferenciarlo del WDM convencional. Este término no indica una región especial de operación ni unas determinadas características de implementación, sino que es una designación histórica y en general, se refiere a las separaciones especificadas en la norma UIT- T G. 692. El propósito srcinal del WDM
7 Pág.
fue la mejora de la capacidad de los enlaces punto-a-punto ya instalados. Típicamente, esto se consiguió gracias a la adición de longitudes de onda separadas varias decenas, o incluso centenas, de nm, con el objetivo de no imponer restricciones demasiado severas a los distintos transmisores y receptores ópticos. A finales de los años 80, con la aparición de los láseres sintonizables de anchos de línea muy pequeños, se consiguió tener bandas de señal muy próximas las unas a las otras. Esto es la base del DWDM.
Una de las características fundamentales de los sistemas
WDM es que las distintas longitudes de onda forman un conjunto de portadoras ortogonales, con lo que se pueden separar, enrrutar y encaminar sin interferencia alguna entre ellas. Esto es así siempre que la intensidad óptica se mantenga lo suficientemente baja con objeto de prevenir la aparición de efectos no lineales, tales como la dispersión estimulada de Brillouin o los procesos de mezcla de cuatro ondas, los cuales degradan la calidad del enlace. Aquí aparece, por tanto, la primera de las limitaciones que nos van a imponer los sistemas WDM para minimizar los efectos perjudiciales de las no-linealidades en fibra: mantener la intensidad óptica dentro de unos límites tales que, sin degradar la relación señal-a-ruido (SNR, Signal-to-Noise Ratio), prevengan la aparición de dichos fenómenos. La implementación de redes WDM precisa una cierta cantidad de elementos pasivos y/o activos para combinar, distribuir, aislar y amplificar la potencia óptica a diferentes longitudes de onda. Los dispositivos pasivos no requieren control externo para su correcto funcionamiento, por lo que su uso tiene muchas limitaciones en el campo de las redes WDM. Estos componentes se usan principalmente
para
dividir
y
combinar
8 Pág.
señales
ópticas.
El
funcionamiento de los dispositivos activos puede controlarse de forma electrónica, lo que dota a la red de una gran flexibilidad. Los componentes activos WDM van desde filtros y fuentes sintonizables hasta amplificadores ópticos. En la Figura podemos ver el uso de tales componentes en un enlace típico WDM, además de observar distintos tipos de amplificadores ópticos. En el extremo transmisor, hay varias fuentes moduladas de luz independientes, cada una emitiendo en una única longitud de onda. En este punto, se necesita un multiplexor que combine estas salidas ópticas en un espectro de longitudes de onda separadas una cierta distancia y acoplarlas en un único cable de fibra. En el extremo receptor, necesitamos un demultiplexor que separe las señales ópticas en canales adecuados de detección para el procesado posterior de la señal. En el extremo transmisor, el reto para el diseñador consiste en minimizar las pérdidas en la señal desde la fuente óptica hasta la salida del multiplexor. Como las señales ópticas que se combinan apenas emiten potencia fuera de la anchura espectral del canal especificado, la diafonía intercanal es irrelevante en dicho extremo transmisor. Para el demultiplexor existen diferentes requisitos, ya que los fotodetectores suelen ser sensibles a un amplio rango de longitudes de onda, el cual incluye todos los canales WDM. Para prevenir señales espurias en la recepción de un determinado canal, es decir, para aislar dicho canal de las distintas longitudes de onda usadas, el demultiplexor debe presentar un margen espectral estrecho de operación, o bien usar filtros ópticos muy estables y muy selectivos en longitud de onda. Los niveles permitidos de diafonía intercanal varían dependiendo de la aplicación. En general, un nivel de -10 dB no es aceptable, mientras que un nivel de -30 dB es bastante adecuado. En principio, cualquier de
9 Pág.
multiplexor se puede utilizar como multiplexor y, en general, la palabra "multiplexor" se usa tanto para el dispositivo que combina como para el que
separa
señales,
excepto
cuando
hay
que
distinguirlos
específicamente.
Componentes Pasivos Concebidos en un principio como elementos pasivos para la utilización de la fibra óptica como bus de transmisión, evolucionaron posteriormente para permitir la técnica de transmisión óptica de transmisión conocida como “multiplexado de longitudes de onda”. En la actualidad forman parte de las redes pasivas PON, tanto como elementos que permiten el envío/recepción simultáneo de las señales de voz, datos y vídeo (FWDM en el esquema 2), como constitutivos del componente divisor de la señal que permite enlazar la central con el usuario.
Los Acopladores de Fibra: Dispone de 3 o más puertas. Su función es dividir la señal óptica de entrada en varias salidas. Esta división puede ser simétrica (igual potencia por cada puerta) o asimétrica (distinto valor). Se aplica para obtener valores de monitoreo de potencia y para redes de distribución de señales (por ejemplo en CATV). Un componente pasivo que incrementa su participación dentro de las redes ópticas es el Splitter o coupler. La estructura de puertas es NxM (número de entrada y número de salida). El splitter o coupler se encuentra disponible en distintas longitudes de onda para segunda y tercera ventana (1310 y 1550 nm). Se obtiene una atenuación uniforme en un amplio ancho de banda, inferior a
10 Pág.
0,2 dB en una banda de 100 nm. Una configuración útil para derivaciones y control es la 1x2. En aplicaciones de CATV se utiliza la estructura 1xN para efectuar derivaciones de señal de vídeo. Debido a los parámetros de típicos de pérdida de inserción los coupler se clasifican en Premium, Grade A y Grade B. En una configuración 1x2 se puede realizar una relación entre puertas de tipo 50/50 (igual potencia óptica en cada puerta), 40/60, 30/70, 20/80 y 10/90 (10% de potencia en una puerta y 90% en la otra). Puede realizarse una distribución de potencia a solicitud del cliente.
Los Acopladores de Guía de Onda: La óptica integrada, en la que se trata de aplicar las técnicas microelectrónicas para realizar ciruitos fotónicos integrados capaces de manipular la luz a escala micro o nanométrica, están encontrando un gran numero de aplicaciones como por ejemplo, realización de laseres y fotodetectores, espectrómetros, circuitos de comunicaciones o biosensores. La luz viaja por dentro de estos circuitos a través de guias de onda. Uno de los componentes mas utilizados en estos circuitos son los acopladores, que son circuitos capaces de dividir o combinar potencia entre diferentes guias de entrada imponiendo desfases específicos entre las ondas acopladas a cada guía de salida. Más en particular, en óptica integrada se usan generalmente dos tipos de acopladores: acopladores direccionales (AD) y acopladores de interferencia multi-modal (MMI).
11 Pág.
Los primeros tienen las ventajas de un diseño sencillo y de ratios de división arbitrarios, mientras que los segundos ofrecen generalmente mejores tolerancias de fabricación y un mayor margen de longitudes de onda de operación (ancho de banda). Uno de los problemas de estos acopladores es precisamente su reducido ancho de banda pues, aunque se han propuesto varias técnicas para mejorarlo todas tienen como contrapartida unas perores prestaciones y un excesivo incremento del tamaño. La presente invención ofrece un dispositivo acoplador de guías de ondas que mejora, en un factor de x5 el ancho de banda de los dispositivos actualmente existentes manteniendo las mismas prestaciones y tamaño.
Acopladores estrella El papel principal de todos los acopladores en estrella es combinar las potencias de N entradas y dividirlas uniformemente entre M puertos de salida. Las técnicas para fabricar acopladores en estrella son muy variadas, e incluyen fusión de fibras, rejillas, técnicas microópticas y esquemas de óptica integrada.
12 Pág.
Multiplexores Basados En Interferómetros Mach-Zehnder Para describir el funcionamiento del MZI, vamos a considerar que opera como un demultiplexor, es decir, utiliza una única entrada, en este caso la Entrada 1. Las explicaciones siguientes se harán tomando como referencia el esquema anterior. El esquema de un filtro de Mach-Zehnder, está compuesto por dos acopladores de -3dB y dos tramos de fibra de diferente longitud, uno de L + ΔL y otro L . El substrato utilizado es normalmente silicio y las regiones de la guía de ondas son de SiO 2 , el cual tiene un elevado índice de refracción.
Para describir el funcionamiento del MZI, vamos a considerar que opera como un demultiplexor, es decir, utiliza una única entrada, en este caso la Entrada 1. Las explicaciones siguientes se harán tomando como referencia el esquema anterior. Si se le aplica una señal de entrada al filtro MZI, al llegar ésta al primer acoplador direccional, su potencia se divide por igual entre el brazo de arriba (de longitud L ) y el de abajo (de longitud L+ΔL). Pero la señal en uno de los brazos experimenta un salto de fase de π/2 con
respecto al otro. Concretamente, la señal que se acopla al brazo de
13 Pág.
arriba no sufre ningún cambio, sin embargo la parte de la señal que se acopla al brazo de abajo sufre un cambio de fase de π/2 . Tras
propagarse a lo largo de los brazos, las señales llegan al segundo acoplador direccional. En este punto, la señal que se propaga por el brazo de abajo experimenta un desfase adicional de βΔL , debido a la
diferencia de longitud entre los dos caminos. Para la Salida 1, la señal procedente del brazo de abajo sufre otro retraso de fase de π/2
respecto a la señal que se transmite por el brazo de arriba, de esto modo la diferencia de fase relativa total entre las dos señales en la Salida 1 es de π/2 + βΔL + π/2 . Sin embargo para la Salida 2, la señal transmitida por el brazo de arriba sufre un cambio de fase de π/2 ,
quedando una diferencia de fase relativa total entre las dos señales de π/2 + βΔL - π/2 = βΔL. Si se considera βΔL = k π y k impar, las señales en la Salida 1 se
añaden en fase. Por ejemplo, si k =3, la diferencia de fase entre las señales es 3 π + π = 4 π, con lo cual al fina l están en fase. Por otro
lado, en la Salida 2 las señales se añaden en oposición de fase, es decir con una diferencia de fase igual a π, cancelándose entre ellas. Se
deduce de todo esto, que las señales que pasan de la Entrada 1 a la Salida 1 son las que tienen un βΔL = k π siendo k impar y las señales que pasan de la Entrada 1 a la Salida 2, son las que tienen un βΔL= k π
siendo k par [RaSi98] . La respuesta en frecuencia óptica que cumple lo expuesto hasta ahora es la siguiente
donde ΔΦ=βΔL= 2πnfΔL /c.
14 Pág.
H11(f) representa la función de transferencia de la Entrada 1 a la Salida 1, y H21(f) representa la función de transferencia entre la Entrada 1 y la Salida 2. La representación de la matriz anterior] se pueden observar en las siguientes figuras. Comparando las dos funciones se aprecia el impacto del desfase π que hay entre H11(f) y H21(f).
Filtro de Rejilla Para garantizar la compatibilidad de los productos de distintos fabricantes y diseñadores de equipos se estableció un éstandar por la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Éste establece una malla o rejilla de longitudes de onda para la ubicación de los canales WDM. Esta rejilla está situada en la tercera ventana (bandas L, C y S), ya que es la región de mínima atenuación para las fibras y porque los amplificadores ópticos adecuados operan en esta región. La rejilla de la UIT esta especificada en términos de frecuencias. La frecuencia de referencia es 193.1 THz (1552.524 nm) y las restantes se sitúan separadas unas de otras una distancia de 100 ó 50 GHz (0.8 y 0.4 nm, respectivamente). Actualmente se está desarrollando sistemas donde la separación entre canales se reduce a 25 GHz. Esta separación ha de ser tal que se evite la interferencia entre canales adyacentes y la distorsión de las señales. Esto depende de la estabilidad y selectividad en frecuencia de los filtros y demultiplexores, y de la estabilidad y la anchura espectral de las fuentes ópticas. Como ejemplo la siguiente tabla muestra los canales de la rejilla de la UIT para un espaciado de 100GHz.
15 Pág.
Código de canal 29 30 31
Longitud de onda (μm)
1554.13 1553.33 1552.53
Frecuencia (THz) 193.2 193.1 193.0
32 33
1551.72 1550.92
192.9 192.8
Fuentes Sintonizable Y Filtros Sintonizables Para generar el espectro de longitudes de onda que necesita un sistema WDM se plantean tres alternativas básicas:
Una serie de láseres DFB o DBR fijados a una determinada frecuencia.
Láseres sintonizables en frecuencia o en longitud de onda.
Una matriz láser de múltiples longitudes de onda. La primera opción es la más sencilla, aunque también es la más
cara debida al elevado coste de los láseres. Además, las fuentes han de ser controladas en todo momento para evitar posibles derivas en la longitud de onda de referencia debidas a variaciones en la temperatura. Si utilizamos un láser sintonizable tan sólo necesitamos una fuente. Estos dispositivos están basados en un láser DFB o DBR, al que se le añade una estructura en rejilla tipo guía de onda. El sintonizado de la frecuencia se logra variando la temperatura del dispositivo o bien cambiando la corriente que se le inyecta al láser. Como resultado de estos cambios se produce una variación en el índice efectivo de refracción, lo que causa desplazamiento en la longitud de onda máxima de salida. Y, por último, una matriz de láseres sintonizables facilita la
16 Pág.
implementación de grandes redes WDM. Además, estas matrices se pueden integrar en el mismo substrato, dando una mayor flexibilidad al sistema. La mayoría de estas matrices son una combinación de arquitecturas DFB y MQW (Multíple Quantum WefD, es decir, láseres de pozo cuántico, los cuales permiten el confinamiento de la portadora óptica en áreas activas del material muy pequeñas. Los filtros sintonizables se utilizan para aumentar la flexibilidad de una red WDM. La principal diferencia con los filtros pasivos es que al menos una de las ramas del acoplador puede variar su longitud o su índice de refracción mediante un mecanismo externo basado en cambios de la temperatura o del potencial eléctrico. Esto permite al operador seleccionar una frecuencia óptica determinada, que va a ser la permitida por el filtro, rechazando el resto. A la hora de diseñar el filtro hay que tener en cuenta cuatro parámetros fundamentales:
El rango de sintonía
La distancia entre canales
El máximo número de canales
La velocidad de sintonía.
Existen muchas tecnologías para la fabricación de filtros ópticos sintonizables, aunque todas ellas utilizan separaciones entre canales que sean múltiplos de 100 GHz (o 0,8 nm en la 3ª ventana de transmisión). Algunos ejemplos de filtros sintonizables son los acopladores direccionales 2x2 sintonizables, los interferómetros Mach Zehnder sintonizables, los filtros Fabry-Perot, los filtros sintonizables acustoópticos (AOTFs, acousto-optic tunab/e filter), etc.
17 Pág.
Conclusiones
WDM es un tipo de multiplexación por longitud de onda usado principalmente en fibra óptica
Tiene la capacidad de mandar varias longitudes de onda por una sola fibra
Dentro de la familia de WDM se encuentran: DWDM de larga distancia, ultra larga distancia, metropolitana y CWDM
Las técnicas para fabricar acopladores en estrella son muy variadas
El tipo de modulación y/o codificación que se emplea con los sistemas de fibra óptica depende de una serie de factores.
18 Pág.
Webgrafía
http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/index.htm
http://www.uv.es/=esanchis/cef/pdf/Temas/C_T3.pdf
http://umapatent.uma.es/es/patent/dispositivo-acoplador-deguias-de-onda-y-meto4af/
http://hectordhoygregorimicharedes.blogspot.com/2011/11/guiasde-ondas-en-la-comunicacion.html
http://www.c3comunicaciones.es/componentes-pasivos-parainstalaciones-de-fibra-optica/
https://es.scribd.com/document/75834692/MULTIPLEXACIONPOR-DIVISION-DE-LONGITUD-DE-ONDA-WDM
19 Pág.
