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 mediante el uso de diferentes longitudes de onda (es decir, colores) de luz láser . [1] Esta técnica permite comunicaciones bidireccionales a través de un solo hilo de fibra (también llamada duplexación por división de longitud de onda ), así como la multiplicación de capacidad. [1]
El término WDM se aplica comúnmente a una portadora óptica, que generalmente se describe por su longitud de onda, mientras que la multiplexación por división de frecuencia generalmente se aplica a una portadora de radio, que generalmente se describe por frecuencia . [2] Esto es puramente convencional porque la longitud de onda y la frecuencia comunican la misma información. Específicamente, la frecuencia (en Hertz, 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 (normalmente indicada con la letra c minúscula). En la fibra de vidrio, la velocidad es sustancialmente más lenta, normalmente alrededor de 0,7 veces c. La velocidad de datos en los sistemas prácticos es una fracción de la frecuencia portadora.
Un sistema WDM utiliza un multiplexor en el transmisor para unir las diversas señales y un demultiplexor en el receptor para separarlas. [1] Con el tipo correcto de fibra, es posible tener un dispositivo que haga ambas cosas simultáneamente y pueda funcionar como un multiplexor óptico add-drop . Los dispositivos de filtrado óptico utilizados han sido convencionalmente etalons ( interferómetros de Fabry-Pérot de estado sólido estables y de una sola frecuencia en forma de vidrio óptico recubierto con una película delgada). Como existen tres tipos diferentes de WDM, uno de los cuales se denomina WDM , la notación xWDM se utiliza normalmente 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 se estaban realizando en el laboratorio. Los primeros sistemas WDM combinaban sólo dos señales. Los sistemas modernos pueden manejar 160 señales y, por tanto, pueden ampliar un sistema básico de 100 Gbit/s a través de un único par de fibras a más de 16 Tbit/s . También está presente un sistema de 320 canales (espaciado entre canales de 12,5 GHz, ver más abajo).
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 acomodar 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 a menudo se hace mediante el uso de traducción óptica a eléctrica a óptica (O/E/O) en el borde mismo de la red de transporte, permitiendo así la interoperabilidad 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 multimodo (también conocidos como cables locales) que tienen diámetros de núcleo de 50 o 62,5 µm.
Los primeros sistemas WDM eran caros y complicados de ejecutar. Sin embargo, la reciente estandarización 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, suelen 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), gruesa (CWDM) y densa (DWDM). El WDM normal (a veces llamado BWDM) utiliza dos longitudes de onda normales, 1310 y 1550 nm, en una fibra. Coarse WDM proporciona hasta 16 canales a través de múltiples ventanas de transmisión de fibras de sílice. Dense WDM (DWDM) utiliza la ventana de transmisión de banda C (1530 nm-1565 nm) pero con un espaciado de canales más denso. Los planes de canales varían, pero un sistema DWDM típico usaría 40 canales con un espaciado de 100 GHz u 80 canales con un espaciado de 50 GHz. Algunas tecnologías son capaces de establecer un espaciado de 12,5 GHz (a veces llamado WDM ultradenso). Las nuevas opciones de amplificación ( amplificación Raman ) permiten extender las longitudes de onda utilizables a la banda L (1565-1625 nm), duplicando más o menos estas cifras.
La multiplexación por división de longitud de onda gruesa (CWDM), a diferencia de DWDM, utiliza un mayor espaciado de canales para permitir diseños de transceptores menos sofisticados y, por lo tanto, más baratos. Para proporcionar 16 canales en una sola fibra, CWDM utiliza toda la banda de frecuencia que abarca la segunda y tercera ventana de transmisión (1310/1550 nm respectivamente), incluidas las frecuencias críticas donde puede ocurrir dispersión OH. Se recomiendan fibras de sílice sin OH si se van a utilizar longitudes de onda entre la segunda y la tercera ventana de transmisión [ cita requerida ] . Evitando 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 todos 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 para la 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 canales diferentes. En general, la elección de la separación de canales y la frecuencia en estas configuraciones impidió 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 de CWDM era 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 longitudes de onda de 1270 nm a 1610 nm con un espaciado de canales de 20 nm. ITU G.694.2 fue revisado en 2003 para cambiar 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 con especificación G.652 más antiguas , debido a la mayor atenuación en las bandas de 1270 a 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 todos. 18 canales ITU CWDM en redes metropolitanas.
La principal característica del reciente estándar CWDM de la UIT es que las señales no están espaciadas adecuadamente para su amplificación mediante 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 que no son WDM.
CWDM se utiliza en redes de televisión por cable , donde se utilizan diferentes longitudes de onda para las señales ascendentes y descendentes . En estos sistemas, las longitudes de onda utilizadas suelen estar muy separadas. Por ejemplo, la señal descendente podría estar a 1310 nm mientras que la señal ascendente está a 1550 nm. [ cita necesaria ]
El estándar de capa física de 10 Gbit/s 10GBASE-LX4 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 gigabit por segundo (Gbit/s), para transportar 10 Gbit/s. s de datos agregados. [7]
Passive CWDM 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 CWDM pasivo para implementar fibra en el hogar. [ cita necesaria ]
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 y 1565 nm ( Banda C ), o 1570–1610 nm ( banda L ). Los EDFA se desarrollaron originalmente para reemplazar 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 velocidad 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 puedan multiplexarse 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 mejorar la velocidad de bits de un enlace óptico de un solo canal reemplazando solo el equipo en los extremos del enlace, manteniendo al mismo tiempo el EDFA existente o una serie de EDFA a través de una ruta de largo recorrido. Además, los enlaces de longitud de onda única que utilizan EDFA se pueden actualizar de manera similar a enlaces WDM a un costo razonable. De este modo, el coste del EDFA se aprovecha en tantos canales como puedan multiplexarse en la banda de 1550 nm.
En esta etapa, un sistema DWDM básico contiene varios componentes principales:
La introducción de la red 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 exactamente 100 GHz (aproximadamente 0,8 nm) de separación en frecuencia óptica, con una frecuencia de referencia fijada en 193,10 THz (1552,52 nm). [9] La rejilla principal se coloca dentro del ancho de banda del amplificador de fibra óptica, pero se puede ampliar 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 canales de 50 GHz o incluso 25 GHz para una operación 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 deriva en una ventana de frecuencia muy estrecha del orden de unos pocos GHz. Además, dado que DWDM proporciona una mayor capacidad máxima, tiende a usarse en un nivel más alto en la jerarquía de comunicaciones que CWDM, por ejemplo en la red troncal de Internet y, por lo tanto, se asocia con velocidades de modulación más altas, creando así un mercado más pequeño para dispositivos DWDM con muy alto rendimiento. Estos factores de menor volumen y mayor rendimiento dan como resultado que los sistemas DWDM suelen ser más caros que los CWDM.
Las innovaciones recientes en los sistemas de transporte DWDM incluyen módulos transceptores conectables y sintonizables 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 convertidores de longitud de onda originalmente traducían la longitud de onda de transmisión de una señal de capa de cliente a una de las longitudes de onda internas del sistema DWDM en la banda de 1.550 nm. Tenga en cuenta que lo más probable es que sea necesario traducir incluso las longitudes de onda externas en los 1.550 nm, ya que es casi seguro que no tendrán las tolerancias de estabilidad de frecuencia requeridas ni tendrán la potencia óptica necesaria para el EDFA del sistema.
Sin embargo, a mediados de los años 90, los transpondedores convertidores de longitud de onda asumieron rápidamente la función adicional de regenerar la señal . La regeneración de señal en los transpondedores evolucionó rápidamente de 1R a 2R y 3R y a regeneradores 3R de múltiples velocidades de bits con monitoreo superior. Estas diferencias se describen a continuación:
Para DWDM, el rango entre C21-C60 es el rango más común, para Mux/Demux en 8, 16, 40 o 96 tamaños.
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 en 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 tarjetas de longitud de onda específicas interrumpe la señal óptica de múltiples longitudes de onda.
Con un ROADM, los operadores de red pueden reconfigurar remotamente el multiplexor enviando comandos suaves. La arquitectura del ROADM es tal que eliminar o agregar longitudes de onda no interrumpe los canales de paso . Se utilizan numerosos enfoques tecnológicos para diversos ROADM comerciales, siendo el equilibrio entre costo, potencia óptica y flexibilidad.
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). Varias categorías de OXC incluyen dispositivos electrónicos ("opacos"), ópticos ("transparentes") y selectivos de longitud de onda.
El sistema WDM mejorado 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 XENPAK , X2 o XFP DWDM. El sistema WDM mejorado puede utilizar conexiones DWDM pasivas o reforzadas para permitir un mayor alcance para la conexión. Además de esto, los módulos conectables de factor de forma C ofrecen Ethernet de 100 Gbit/s adecuado para conexiones troncales de Internet de alta velocidad.
WDM de onda corta utiliza transceptores láser de emisión de superficie 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.
Existen varias herramientas de simulación que se pueden utilizar para diseñar sistemas WDM.