Tecnología de dispositivos WDM (Wavelenght division multipexing) Pablo Villarroel Pedro Rojas

Introducción El rápido crecimiento de la demanda de transmisión de datos de alta velocidad es uno de los principales motivos del desarrollo de la tecnología WDM. WDM posibilita la transmisión de varias portadoras ópticas independientes sobre la misma fibra, es decir, varios canales por una sola fibra, con una separación de 0.8 – 1.6 [nm] por canal. Los primeros sistemas WDM combinaban tan sólo dos señales. Actualmente pueden soportar hasta 160 señales y lograr una capacidad total 25.6 Tb/s sobre la fibra

Aspectos generales Conceptualmente el esquema de WDM es el mismo que el de FDM, pero como se trata de luz es más apropiado hablar de la longitud de onda de esta misma. Permite transportar cualquier formato de transmisión en cada canal óptico. Así, es posible enviar información síncrona o asíncrona, analógica o digital, a través de la misma fibra. Según la venta en la cual se trabaja utilizando WDM se puede aprovechar de mejor manera el espectro óptico.

Sistema WDM Los sistemas WDM están compuestos por múltiples dispositivos . . . . . . Esto da lugar a ciertas consideraciones que se debe tener a la hora de diseñar.

Sistema WDM Consideraciones básicas Perdida de Inserción Es la variación de potencia entre la señal de entrada y la salida. Insertion loss (dB) = -10log(Pout/Pin) Se busca minimizar Valores típicos [0.1 - 1 dB] Perdida de retorno Es la variación entre la potencia retornada y la de entrada. Return loss (dB) = -10log(Pref / Pin) Se busca maximizar Valores típicos mayores a 60 dB

Sistema WDM Consideraciones básicas Crosstalk Ocurre cuando la potencia del canal X se combina con la potencia del canal Y, y ésta es comparable con la potencia de X o Y. Crosstalk (dB) =10lg(PX→Y/PX) Se busca minimizar Valores típicos [0.1 - 1 dB]

Sistema WDM Consideraciones básicas Interconexión de componentes Como en cualquier sistema, es necesario interconectar los distintos dispositivos que constituyen a dicho sistema, como los TX, la fibra óptica, amplificadores, RX, etc. Los conectores óptico son quienes cumplen esta función. Niveles de potencia En cierto casos, por seguridad, es necesario limitar la potencia con que llega la señal a algunos dispositivos. Para esto se utilizan los atenuadores ópticos.

Conectores ópticos Un enlace óptico suele empezar y terminar en conectores, los que permiten conectar y desconectar distintos dispositivos a la fibra. Un conector consta de un medio cerámico sólido que se llama ferrula que dispone de un orificio circular en el cual se va a disponer la fibra óptica. Las pérdidas en conectores son más elevadas que en los empalmes por fusión, típicamente del orden de 0.1 a 0.25 dB en uniones conector-conector.

Conectores ópticos Existen variados tipos de conectores los que tienen distintas aplicaciones de uso. ESCON (Enterprise Systems Connection) Utilizado por equipos IBM Ferrula de 2.5mm Acoplamiento de ajuste LC (Local Connector) Utilizados en casos de alta densidad de conectores Ferrula de 1.25mm ST (Straight Tip) Utilizado en enlaces mutimodo y raramente en monomodo. ferrula de 2.5 mm Acoplamiento tipo bayoneta

Conectores ópticos Existen variados tipos de conectores los que tienen distintas aplicaciones de uso. TOSLINK (Toshiba Link ) Utilizado en equipos de audio. Acoplamiento de ajuste SC (Standard Connector ) Uno de los conectores mas comunes. Ferrula de 2.5mm

Atenuadores ópticos Un atenuador óptico es un dispositivo utilizado para reducir el nivel de potencia de potencia óptica en la fibra. Son componentes de muy fácil utilización e instalación y que permiten evitar los problemas derivados de un exceso de potencia, por ejemplo en enlaces muy cortos, donde pueden llegar a saturarse los receptores

Atenuadores ópticos Estos se pueden dividir principalmente en dos grupos Atenuadores Fijos Atenuaciones típicas desde 5 hasta 30 dB Acoplamiento de ajuste Atenuadores Variables Cuentan con factor de atenuación controlado por una señal eléctrica. Otros se regulan mediante ajustes mecánicos. Pueden utilizarse con realimentación para ajustarse a la potencia de entrada

Esquema WDM

Fuentes Laser Estos deben cumplir con ciertos requerimientos para poder crear enlaces WDM. Potencias menores a 100 mW Generación precisa y estable de las longitudes de onda de la luz que emiten Sintonización dentro del ancho de banda de los amplificadores ópticos tales como los EDFA´s. Rapidez de conmutación de la longitud de onda.

Fuentes Laser Dependiendo de la aplicación existen distintos tipos de laser. Láser discretos de una sola longitud de onda Láser sintonizables en longitud de onda Arreglo de láser de múltiples longitudes de onda.

Fuentes Laser Algunos tipos . . . Laser Fabry Perot: Es el diodo láser clásico, funciona en la segunda y tercera ventana Es un laser de cavidad resonante Adecuado para enlaces de corta y mediana distancia Ancho espectral: 3-20 [nm] SMSR: 3 – 20 dB (side mode suppression ratio) Son altamente polarizados

Fuentes Laser Algunos tipos . . . Ejemplo de laser en el mercado Láser DFB (Distributed Feedback): sistemas fiables, compactos, de fácil integración y alto rendimiento. Funciona en la 3º ventana Ejemplo de laser en el mercado LFO – 17 – i D – 572 (DFB)

Isolator(Aislador) Un aislador óptico, o diodo óptico, es un componente que permite la transmisión de la luz en una sola dirección. Se utilizan normalmente para evitar retornos no deseados en un oscilador óptico.

Isolator(Aislador) Características generales: Baja perdida por inserción (< 1 dB) Alta perdida por retorno (> 50 dB) Generalmente utilizado después de un láser o amplificador para evitar que señales reflejas afecten el rendimiento del sistema.

Isolator(Aislador) Funcionamiento Permiten la transmisión en sólo sentido Toda transmisión en sentido opuesto es bloqueada

Isolator(Aislador) Ejemplo de isolator en el mercado Isolator-WDM Hybrid Polarization-Independent Fiber Isolator

MUX/DEMUX Su función es juntar o separar canales para la transmisión de datos, es decir, juntar o separar haces de luz en distintas longitudes de onda, ya sea en una o varias fibras. Es muy importante que presenten bajo crosstalk. Estos tienen un espaciamiento típico entre canales de: Para aplicaciones WDM 10~90nm. Para aplicaciones DWDM 1~9nm.

MUX/DEMUX Existen diferentes tipos de multiplexores, estos dependen principalmente de su funcionamiento y por ende método de fabricación, algunos de estos son: Basados en el principio de ángulo de dispersión: La luz incide en la superficie de un prisma, cada componente de longitud de onda es refractado. Entonces una lente enfoca cada longitud de onda a un punto donde necesita entrar en una fibra. Los mismos componentes se pueden usar de forma inversa para multiplexar diferentes longitudes de onda en una fibra.

MUX/DEMUX Y otro muy comúnmente utilizado . . . Basados en interferencia: Cuando una fuente de luz policromática incide en una rejilla de difracción, cada longitud de onda es difractada con un ángulo diferente y por tanto a un punto distinto del espacio. Usando una lente, estas longitudes de onda se pueden enfocar en fibras individuales. Perdidas de inserción en el rango 3~8 dB, estas no aumentan con el numero de canales. Sensibles a la temperatura y la polarización.

MUX/DEMUX Algunos no muy populares son: Mux – Demux AWG: Los AWGs dependen de la polarización (que se puede compensar), y exhiben una respuesta espectral plana y de baja pérdida de inserción. Un inconveniente potencial es que son sensibles a las temperaturas de forma que no se pueden emplear en todos los ambientes . Filtros de interferencia: Los filtros de interferencia de película delgada tienen una ganancia mayor. Los filtros ofrecen buena estabilidad y aislamiento entre canales a un precio moderado pero con una alta pérdida de inserción. para las cuentas de grandes canales, donde el uso de filtros de película delgada en cascada es impracticable.

MUX/DEMUX Algunos presentes comercialmente como . . . 100GHz Dense WDM Mux & DeMux (8 channel) Multi-Channel Mux-Demux Module 100Ghz Spacing

Coupler Splitter(Acoplador) Componentes pasivos utilizados para dividir la potencia óptica para distribución a los nodos receptores y/o interconectar fibras ópticas. Los acopladores y splitters pertenecen al mismo tipo de dispositivos . Su misión consiste en dividir el haz de luz en diferentes caminos ópticos. La diferencia entre ellos está en cómo lo hacen: Los acopladores basan su funcionamiento en el acoplamiento de modos entre dos fibras monomodo. Los splitters reparten la potencia a base de dividir físicamente el camino. Los acopladores y splitters pertenecen al mismo tipo de dispositivos cuya misión consiste en dividir el haz de luz en diferentes caminos ópticos. La diferencia entre ellos está en cómo lo hacen: los acopladores basan su funcionamiento en el acoplamiento de modos entre dos fibras monomodo, mientras que los divisores reparten la potencia a base de dividir físicamente el camino

Coupler Splitter(Acoplador) Consideraciones generales: Pérdidas de inserción (entre puertas) (insertionloss) Pérdidas en exceso (del acoplador) (excessloss) log10Razón de acoplo (entre puertas) (couplingratio) Para acopladores con dos patas de salida Uniformidad (del acoplador) (uniformity) Directividad (entre puertas de entrada) (directivity) Pérdidas de retorno (para una puerta) (backscatteringloss) ILi,j = -10Log(Pi,j/Pi) Eli,j=-10LogΣj(Pi,j/Pi) CR%2=(P1,2/P2)x100 CR%3=100-CR%2 UL=ILmax-ILmin Di,j’=-10LogPi,j’/Pi Bli=-10LogPi(out)/Pi(in) Los acopladores y splitters pertenecen al mismo tipo de dispositivos cuya misión consiste en dividir el haz de luz en diferentes caminos ópticos. La diferencia entre ellos está en cómo lo hacen: los acopladores basan su funcionamiento en el acoplamiento de modos entre dos fibras monomodo, mientras que los divisores reparten la potencia a base de dividir físicamente el camino

Coupler Splitter(Acoplador) Básicamente existen dos formas de funcionamiento Acopladores por fusión (FBT) (Fused Biconical Tapered Couplers): Objetivo: acercar los núcleos lo suficiente para que pueda existir una transferencia de potencia efectiva Se fabrican por el método de prueba y error. Su mayor problema es que dependen de la longitud de onda. divisores ópticos: La información que entra por 1 se reparte por todas las puertas de salida, normalmente de forma homogénea Potencia de salida = Potencia de entrada/N –pérdidas No dependen de la longitud de onda. normalmente se fabrican con técnicas de óptica integrada en donde el camino óptico se va dividiendo a base de estructuras en “Y”. Los acopladores y splitters pertenecen al mismo tipo de dispositivos cuya misión consiste en dividir el haz de luz en diferentes caminos ópticos. La diferencia entre ellos está en cómo lo hacen: los acopladores basan su funcionamiento en el acoplamiento de modos entre dos fibras monomodo, mientras que los divisores reparten la potencia a base de dividir físicamente el camino

Coupler Splitter(Acoplador) Ejemplo de acopladores y splitters en el mercado Prisma singlemode multiband couplers/splitters OCM5 - Modular wideband couplers/splitters Planar Optical Splitter/Coupler Module Los acopladores y splitters pertenecen al mismo tipo de dispositivos cuya misión consiste en dividir el haz de luz en diferentes caminos ópticos. La diferencia entre ellos está en cómo lo hacen: los acopladores basan su funcionamiento en el acoplamiento de modos entre dos fibras monomodo, mientras que los divisores reparten la potencia a base de dividir físicamente el camino

Filtros en longitud de onda Permiten filtrar señales y seleccionar una o varias longitudes de onda asociadas a una portadora(canal). Algunas características deseables . . . Amplio rango de selección. Crosstalk despreciable. Mecanismo de selección de canal rápido. Baja perdida de inserción. Insensibilidad a la polarización. Estabilidad independiente del ambiente. Bajo costo de producción. Existen filtros fijos(pasivos) y sintonizables(semipasivos). estos últimos requieren un mecanismo de selección de longitud de onda.

Filtros en longitud de onda Sintonizables: existen diferentes tipos según su modo de operación, uno es por Difracción. Cavidad resonante de Fabry-Perot, formada por 2 espejos que actúan como un filtro óptico. Son filtros de banda estrecha Para sintonizar el filtro, se varía la distancia entre los espejos de la cavidad con un piezoeléctrico. Se produce interferencia constructiva en el canal seleccionado, destructiva en los otros casos.

Filtros en longitud de onda Sintonizables: Otro modo es por interferencia óptica Filtro Mach-Zehnder , Basado por cambios de fase por diferencia de caminos ópticos entre las ramas del interferómetro M-Z. Sintonización por cambios en el retardo. Conexión de dos acopladores (2x2) con un retardo de fase en una de sus ramas.

Filtros en longitud de onda Pasivos: uno de los mas comunes. . . Filtro Fiber Bragg Grating(FBG) , Basado por cambios de fase por diferencia de caminos ópticos entre las ramas del interferómetro M-Z. Reflexión de cierta longitud de onda que depende de las características de la fibra y del periodo de la red de difracción. Grabado de la red de difracción en el núcleo de la fibra mediante la interferencia de dos haces UV. Útiles en aplicaciones de Add & Drop y también para realizar compensación de la dispersión.

Filtros en longitud de onda Comúnmente en el mercado se pueden encontrar en el siguiente formato 100GHz WDM Filter Programmable Optical Tunable Filter OTF-920

Amplificadores Como en cualquier sistema de comunicaciones ópticas estos cumplen una tarea importante. Se requiere amplificar gran número de canales simultáneamente lo cual constituye un problema considerable. Existen dos tipos de amplificadores comercialmente más usados.

Amplificadores Los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) es en parte a quien se le debe la aparición de la tecnología WDM siendo capas de amplificar hasta 96 canales simultáneamente. Una de las características mas destacables es que pueden trabajar en la 3º venta de operación. Requiere de baja potencia de bombeo para desarrollar grandes ganancias. Presentan un inconveniente, la amplificación no es uniforma para las distintas longitudes de onda Esto se compensa mediante ecualizadores o filtros. Básicamente es un trozo de fibra dopada con erbio, la cual es bombeada por un laser y Un aislador se encarga de arrojar la señal de salida.

Amplificadores Otra alternativa es la amplificación Raman. A diferencia de los EDFAs, los amplificadores Raman se basan en un una interacción no lineal entre la señal óptica y la señal de bombeo de alta potencia. De esta forma, la fibra convencional ya instalada puede ser usada como medio con ganancia para la amplificación Raman. Su funcionamiento se basa en el efecto no lineal SRS ( esparcimiento Raman estimulado) Gran ancho espectral de ganancia (arriba de 6 THz) Una ventaja es que se pueden amplificar varios canales con una sola potencia de bombeo, pero este bombeo requiere gran potencia. La amplificación es bidireccional.

Amplificadores Algunas diferencias importantes . . . EDFAS RAMAN Operan solo en la 3º ventana Gran amplificación, típicamente 20dB, con una baja potencia de bombeo. Su potencia de saturación depende del material, y de su ganancia. Amplifica ruido RAMAN Su amplificación de banda depende de la onda de bombeo Ganancia entre 4 y 11 dB, Se aproxima a las potencias de bombeo. No amplifica ruido

Amplificadores Comúnmente en el mercado se pueden encontrar en el siguiente formato wra217_ds_cms_ae MAN-L2K_MultiPort_GainBlock

Circulador de Fibra Óptica Usados para separar potencias ópticas que viajan en sentidos opuestos. Es un dispositivo de tres puertos que permite que la luz viaje dentro de él en una sola dirección, es decir, las señales viajan desde el puerto 1 hacia el puerto 2 y de el 2 hacia el 3.

Circulador de Fibra Óptica Algunas aplicaciones comunes son: Aplicaciones de Add & Drop. Con circuladores + Fiber grating Transmisiones bidireccionales en una fibra Usando circuladores en el puerto de transmisión y recepción

Circulador de Fibra Óptica Ejemplo de circuladores en el mercado Serie PMCIR Nortel

Receptor Es el encargado de recuperar la señal: Existen 2 tipos de fotodiodos receptores PIN. Avalanche Photodiode (APD). PIN Fotodiodo construido de material p, i intrínseco y material n. APD Es un fotodiodo que exhibe una amplificación interna de la fotocorriente gracias a la ionización de impacto.

Receptor Algunos presentes en el mercado PIN photodiode Serie 7011

Preguntas . . . ¿?