En las comunicaciones por fibra óptica , la multiplexación por división de longitud de onda ( WDM ) es una tecnología que multiplexa una serie de señales portadoras ópticas en una única fibra óptica utilizando diferentes longitudes de onda (es decir, colores) de luz láser . [1] Esta técnica permite comunicaciones bidireccionales a través de una única hebra de fibra (también denominada dúplex por división de longitud de onda ), así como la multiplicación de la capacidad. [1]
El término WDM se aplica comúnmente a una portadora óptica, que se describe típicamente por su longitud de onda, mientras que la multiplexación por división de frecuencia se aplica típicamente a una portadora de radio, más a menudo descrita por la frecuencia . [2] Esto es puramente convencional porque la longitud de onda y la frecuencia comunican la misma información. Específicamente, la frecuencia (en hercios, que son ciclos por segundo) multiplicada por la longitud de onda (la longitud física de un ciclo) es igual a la velocidad de la onda portadora. En el vacío, esta es la velocidad de la luz (generalmente denotada por la letra minúscula, c). En la fibra de vidrio, la velocidad es sustancialmente más lenta, generalmente alrededor de 0,7 veces c. La tasa de datos en sistemas prácticos es una fracción de la frecuencia portadora.
Un sistema WDM utiliza un multiplexor en el transmisor para unir las distintas señales y un demultiplexor en el receptor para separarlas. [1] Con el tipo de fibra adecuado, es posible tener un dispositivo que haga ambas cosas simultáneamente y que pueda funcionar como un multiplexor óptico de adición y eliminación . Los dispositivos de filtrado óptico utilizados tradicionalmente han sido los etalones ( interferómetros Fabry-Pérot estables de estado sólido de frecuencia única en forma de vidrio óptico recubierto de película delgada). Como hay tres tipos diferentes de WDM, de los cuales uno se llama WDM , normalmente se utiliza la notación xWDM cuando se habla de la tecnología como tal. [3]
El concepto fue publicado por primera vez en 1970 por Delange [4] y en 1980 los sistemas WDM ya se estaban implementando en el laboratorio. Los primeros sistemas WDM combinaban sólo dos señales. Los sistemas modernos pueden manejar 160 señales y, por lo tanto, pueden ampliar un sistema básico de 100 Gbit/s sobre un solo par de fibras a más de 16 Tbit/s . También existe un sistema de 320 canales (espaciado entre canales de 12,5 GHz, consulte a continuación).
Los sistemas WDM son populares entre las empresas de telecomunicaciones porque les permiten ampliar la capacidad de la red sin tender más fibra. Al utilizar WDM y amplificadores ópticos , pueden dar cabida a varias generaciones de desarrollo tecnológico en su infraestructura óptica sin tener que revisar la red troncal. La capacidad de un enlace determinado se puede ampliar simplemente actualizando los multiplexores y demultiplexores en cada extremo.
Esto se hace a menudo mediante el uso de traducción óptica a eléctrica a óptica (O/E/O) en el mismo borde de la red de transporte, lo que permite la interoperación con equipos existentes con interfaces ópticas. [3]
La mayoría de los sistemas WDM funcionan con cables de fibra óptica monomodo que tienen un diámetro de núcleo de 9 μm. Ciertas formas de WDM también se pueden utilizar en cables de fibra óptica multimodo (también conocidos como cables de instalaciones) que tienen diámetros de núcleo de 50 o 62,5 μm.
Los primeros sistemas WDM eran costosos y complicados de operar. Sin embargo, la estandarización reciente y una mejor comprensión de la dinámica de los sistemas WDM han hecho que su implementación sea menos costosa.
Los receptores ópticos, a diferencia de las fuentes láser, tienden a ser dispositivos de banda ancha . Por lo tanto, el demultiplexor debe proporcionar la selectividad de longitud de onda del receptor en el sistema WDM.
Los sistemas WDM se dividen en tres patrones de longitud de onda diferentes: normal (WDM), grueso (CWDM) y denso (DWDM). El WDM normal (a veces llamado BWDM) utiliza las dos longitudes de onda normales 1310 y 1550 nm en una fibra. El WDM grueso proporciona hasta 16 canales a través de múltiples ventanas de transmisión de fibras de sílice. El WDM denso (DWDM) utiliza la ventana de transmisión de banda C (1530 nm-1565 nm) pero con un espaciado de canal más denso. Los planes de canal varían, pero un sistema DWDM típico utilizaría 40 canales con un espaciado de 100 GHz u 80 canales con un espaciado de 50 GHz. Algunas tecnologías son capaces de un espaciado de 12,5 GHz (a veces llamado WDM ultradenso). Las nuevas opciones de amplificación ( amplificación Raman ) permiten la extensión de las longitudes de onda utilizables a la banda L (1565–1625 nm), duplicando más o menos estos números.
La multiplexación por división de longitud de onda gruesa (CWDM), a diferencia de la DWDM, utiliza un mayor espaciamiento entre canales para permitir diseños de transceptores menos sofisticados y, por lo tanto, más económicos. Para proporcionar 16 canales en una sola fibra, la CWDM utiliza toda la banda de frecuencia que abarca la segunda y tercera ventanas de transmisión (1310/1550 nm respectivamente), incluidas las frecuencias críticas en las que puede producirse dispersión de OH. Se recomiendan fibras de sílice sin OH si se van a utilizar las longitudes de onda entre la segunda y la tercera ventanas de transmisión [ cita requerida ] . Al evitar esta región, quedan los canales 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61 y estos son los más utilizados. Con las fibras OS2 se supera el problema del pico de agua y se pueden utilizar los 18 canales posibles.
WDM, CWDM y DWDM se basan en el mismo concepto de utilizar múltiples longitudes de onda de luz en una sola fibra, pero difieren en el espaciado de las longitudes de onda, la cantidad de canales y la capacidad de amplificar las señales multiplexadas en el espacio óptico. EDFA proporciona una amplificación de banda ancha eficiente para la banda C , la amplificación Raman agrega un mecanismo de amplificación en la banda L. Para CWDM, la amplificación óptica de banda ancha no está disponible, lo que limita los tramos ópticos a varias decenas de kilómetros.
Originalmente, el término multiplexación por división de longitud de onda gruesa (CWDM) era bastante genérico y describía varias configuraciones de canal diferentes. En general, la elección de los espaciamientos de los canales y la frecuencia en estas configuraciones impedían el uso de amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA). Antes de la relativamente reciente estandarización del término por parte de la UIT, una definición común para CWDM era la de dos o más señales multiplexadas en una sola fibra, con una señal en la banda de 1550 nm y la otra en la banda de 1310 nm.
En 2002, la UIT estandarizó una cuadrícula de espaciado de canales para CWDM (ITU-T G.694.2) utilizando las longitudes de onda de 1270 nm a 1610 nm con un espaciado de canal de 20 nm. La UIT G.694.2 se revisó en 2003 para desplazar los centros de los canales en 1 nm, por lo que, estrictamente hablando, las longitudes de onda centrales son de 1271 a 1611 nm. [5] Muchas longitudes de onda CWDM por debajo de 1470 nm se consideran inutilizables en fibras de especificación G.652 más antiguas , debido a la mayor atenuación en las bandas de 1270-1470 nm. Las fibras más nuevas que cumplen con los estándares G.652.C y G.652.D [6] , como Corning SMF-28e y Samsung Widepass, casi eliminan el pico de atenuación relacionado con el agua a 1383 nm y permiten el funcionamiento completo de los 18 canales CWDM de la UIT en redes metropolitanas.
La característica principal de la reciente norma CWDM de la UIT es que las señales no están espaciadas adecuadamente para su amplificación por EDFA. Esto limita el alcance óptico total de CWDM a cerca de 60 km para una señal de 2,5 Gbit/s, que es adecuada para su uso en aplicaciones metropolitanas. Los requisitos relajados de estabilización de frecuencia óptica permiten que los costos asociados de CWDM se acerquen a los de los componentes ópticos no WDM.
La tecnología CWDM se utiliza en redes de televisión por cable , donde se utilizan longitudes de onda diferentes para las señales de subida y bajada . En estos sistemas, las longitudes de onda utilizadas suelen estar muy separadas. Por ejemplo, la señal de bajada puede estar a 1310 nm mientras que la señal de subida está a 1550 nm. [ cita requerida ]
El estándar de capa física 10GBASE-LX4 de 10 Gbit/s es un ejemplo de un sistema CWDM en el que se utilizan cuatro longitudes de onda cercanas a 1310 nm, cada una de las cuales transporta un flujo de datos de 3,125 gigabits por segundo (Gbit/s), para transportar 10 Gbit/s de datos agregados. [7]
La CWDM pasiva es una implementación de CWDM que no utiliza energía eléctrica. Separa las longitudes de onda mediante componentes ópticos pasivos, como filtros de paso de banda y prismas. Muchos fabricantes están promoviendo la CWDM pasiva para implementar fibra en el hogar. [ cita requerida ]
La multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) se refiere originalmente a señales ópticas multiplexadas dentro de la banda de 1550 nm para aprovechar las capacidades (y el costo) de los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA), que son efectivos para longitudes de onda entre aproximadamente 1525-1565 nm ( banda C ), o 1570-1610 nm ( banda L ). Los EDFA se desarrollaron originalmente para reemplazar a los regeneradores óptico-eléctrico-ópticos (OEO) SONET/SDH , que han dejado prácticamente obsoletos. Los EDFA pueden amplificar cualquier señal óptica en su rango operativo, independientemente de la tasa de bits modulada. En términos de señales de múltiples longitudes de onda, siempre que el EDFA tenga suficiente energía de bombeo disponible, puede amplificar tantas señales ópticas como se puedan multiplexar en su banda de amplificación (aunque las densidades de señal están limitadas por la elección del formato de modulación). Por lo tanto, los EDFA permiten actualizar la velocidad de bits de un enlace óptico de un solo canal reemplazando únicamente el equipo en los extremos del enlace, mientras se conserva el EDFA existente o la serie de EDFA a lo largo de una ruta de larga distancia. Además, los enlaces de una sola longitud de onda que utilizan EDFA se pueden actualizar de manera similar a enlaces WDM a un costo razonable. De este modo, el costo del EDFA se aprovecha en tantos canales como se puedan multiplexar en la banda de 1550 nm.
En esta etapa, un sistema DWDM básico contiene varios componentes principales:
La introducción de la cuadrícula de frecuencias ITU-T G.694.1 [8] en 2002 ha facilitado la integración de WDM con sistemas SONET/SDH más antiguos pero más estándar. Las longitudes de onda WDM se colocan en una cuadrícula que tiene un espaciado de exactamente 100 GHz (aproximadamente 0,8 nm) en frecuencia óptica, con una frecuencia de referencia fija en 193,10 THz (1.552,52 nm). [9] La cuadrícula principal se coloca dentro del ancho de banda del amplificador de fibra óptica, pero se puede extender a anchos de banda más amplios. La primera implementación comercial de DWDM fue realizada por Ciena Corporation en la red Sprint en junio de 1996. [10] [11] [12] Los sistemas DWDM actuales utilizan un espaciado de canal de 50 GHz o incluso 25 GHz para un funcionamiento de hasta 160 canales. [ necesita actualización ] [13]
Los sistemas DWDM tienen que mantener una longitud de onda o frecuencia más estable que las necesarias para CWDM debido al menor espaciamiento de las longitudes de onda. En los sistemas DWDM se requiere un control preciso de la temperatura del transmisor láser para evitar la desviación de una ventana de frecuencia muy estrecha del orden de unos pocos GHz. Además, dado que DWDM proporciona una mayor capacidad máxima, tiende a utilizarse en un nivel superior en la jerarquía de comunicaciones que CWDM, por ejemplo en la red troncal de Internet y, por lo tanto, se asocia con tasas de modulación más altas, lo que crea un mercado más pequeño para dispositivos DWDM con un rendimiento muy alto. Estos factores de menor volumen y mayor rendimiento dan como resultado que los sistemas DWDM sean típicamente más caros que los CWDM.
Las innovaciones recientes en los sistemas de transporte DWDM incluyen módulos transceptores enchufables y ajustables por software capaces de operar en 40 u 80 canales. Esto reduce drásticamente la necesidad de módulos enchufables de repuesto discretos, cuando un puñado de dispositivos enchufables pueden manejar la gama completa de longitudes de onda.
Los transpondedores de conversión de longitud de onda traducían originalmente la longitud de onda de transmisión de una señal de la capa cliente a una de las longitudes de onda internas del sistema DWDM en la banda de 1550 nm. Es muy probable que sea necesario traducir las longitudes de onda externas en la banda de 1550 nm, ya que es casi seguro que no tienen las tolerancias de estabilidad de frecuencia requeridas ni la potencia óptica necesaria para el EDFA del sistema.
Sin embargo, a mediados de los años 1990, los transpondedores de conversión de longitud de onda rápidamente asumieron la función adicional de regeneración de señales . La regeneración de señales en los transpondedores evolucionó rápidamente de 1R a 2R a 3R y a regeneradores 3R de múltiples velocidades de bits con monitoreo de sobrecarga. Estas diferencias se describen a continuación:
Para DWDM el rango entre C21-C60 es el rango más común, para Mux/Demux en tamaños 8, 16, 40 o 96.
Como se mencionó anteriormente, los sitios de amplificación óptica intermedia en los sistemas DWDM pueden permitir la eliminación y adición de ciertos canales de longitud de onda. En la mayoría de los sistemas implementados a partir de agosto de 2006, esto se hace con poca frecuencia, porque agregar o eliminar longitudes de onda requiere insertar o reemplazar manualmente tarjetas selectivas de longitud de onda. Esto es costoso y, en algunos sistemas, requiere que se elimine todo el tráfico activo del sistema DWDM, porque la inserción o extracción de las tarjetas específicas de longitud de onda interrumpe la señal óptica de múltiples longitudes de onda.
Con un ROADM, los operadores de red pueden reconfigurar de forma remota el multiplexor mediante el envío de comandos suaves. La arquitectura del ROADM es tal que la eliminación o adición de longitudes de onda no interrumpe los canales de paso . Se utilizan numerosos enfoques tecnológicos para diversos ROADM comerciales, y el equilibrio entre el costo, la potencia óptica y la flexibilidad es fundamental.
Cuando la topología de la red es una malla, donde los nodos están interconectados por fibras para formar un gráfico arbitrario, se necesita un dispositivo de interconexión de fibras adicional para enrutar las señales desde un puerto de entrada al puerto de salida deseado. Estos dispositivos se denominan conectores cruzados ópticos (OXC). Las distintas categorías de OXC incluyen dispositivos electrónicos ("opacos"), ópticos ("transparentes") y selectivos de longitud de onda.
El sistema Enhanced WDM de Cisco es una arquitectura de red que combina dos tipos diferentes de tecnologías de multiplexación para transmitir datos a través de fibras ópticas.
EWDM combina conexiones de multiplexación por división de onda gruesa (CWDM) de 1 Gbit/s mediante SFP y GBIC con conexiones de multiplexación por división de onda densa (DWDM) de 10 Gbit/s mediante módulos DWDM XENPAK , X2 o XFP . El sistema Enhanced WDM puede utilizar conexiones DWDM pasivas o potenciadas para permitir un mayor alcance de la conexión. Además de esto, los módulos conectables con formato C ofrecen Ethernet de 100 Gbit/s adecuada para conexiones de red troncal de Internet de alta velocidad.
La WDM de onda corta utiliza transceptores láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL) con cuatro longitudes de onda en el rango de 846 a 953 nm sobre una sola fibra OM5 o conectividad de dos fibras para fibra OM3/OM4. [7]
Consulte también transpondedores (comunicaciones ópticas) para conocer diferentes puntos de vista funcionales sobre el significado de los transpondedores ópticos.