Visión general de la tecnología DWDM y los componentes del sistema DWDM

Las telecomunicaciones utilizan a menudo técnicas ópticas en las que la onda portadora pertenece al dominio óptico clásico. La modulación de onda permite transmitir señales analógicas o digitales de hasta unos pocos gigahercios (GHz) o gigabits por segundo (Gbps) en una portadora de frecuencia muy alta, normalmente de 186 a 196 THz. De hecho, la velocidad binaria puede aumentarse aún más, utilizando varias ondas portadoras que se propagan sin interacción significativa en una sola fibra. Es evidente que cada frecuencia corresponde a una longitud de onda diferente. La multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) está reservada a las frecuencias muy próximas. Este blog cubre una introducción a la tecnología DWDM y a los componentes del sistema DWDM. El funcionamiento de cada componente se analiza individualmente y al final del blog se muestra la estructura completa de un sistema DWDM fundamental.

Introducción a la tecnología DWDM

La tecnología DWDM es una extensión de las redes ópticas. Los dispositivos DWDM (multiplexores, o Mux para abreviar) combinan la salida de varios transmisores ópticos para su transmisión a través de una única fibra óptica. En el extremo receptor, otro dispositivo DWDM (demultiplexor, o Demux para abreviar) separa las señales ópticas combinadas y pasa cada canal a un receptor óptico. Sólo se utiliza una fibra óptica entre dispositivos DWDM (por dirección de transmisión). En lugar de necesitar una fibra óptica por par de transmisor y receptor, DWDM permite que varios canales ópticos ocupen un único cable de fibra óptica. Como se muestra a continuación, al adoptar la tecnología AAWG Gaussian de alta calidad, DWDM Mux/Demux de FS proporciona una baja pérdida de inserción (3,5 dB típica) y una alta fiabilidad. Con la estructura mejorada, estos multiplexores y demultiplexores DWDM pueden ofrecer una instalación más sencilla.

Una ventaja clave de la DWDM es que es independiente del protocolo y la velocidad binaria. Las redes basadas en DWDM pueden transmitir datos en IP, ATM, SONET, SDH y Ethernet. Por tanto, las redes basadas en DWDM pueden transportar distintos tipos de tráfico a diferentes velocidades por un canal óptico. Transmisión de voz, correo electrónico, vídeo y datos multimedia son sólo algunos ejemplos de servicios que pueden transmitirse simultáneamente en sistemas DWDM. Los sistemas DWDM tienen canales en longitudes de onda espaciadas con 0,4 nm o 0,8 nm.

La DWDM es un tipo de multiplexación por división de frecuencia (FDM). Una propiedad fundamental de la luz es que las ondas luminosas de distintas longitudes de onda pueden coexistir independientemente en un medio. Los láseres son capaces de crear pulsos de luz con una longitud de onda muy precisa. Cada longitud de onda individual de luz puede representar un canal diferente de información. Combinando pulsos de luz de diferentes longitudes de onda, se pueden transmitir muchos canales simultáneamente a través de una sola fibra. Los sistemas de fibra óptica utilizan señales de luz dentro de la banda infrarroja (de 1 mm a 750 nm de longitud de onda) del espectro electromagnético. Las frecuencias de la luz en la gama óptica del espectro electromagnético suelen identificarse por su longitud de onda, aunque la frecuencia (distancia entre lambdas) proporciona una identificación más específica.

Componentes del sistema DWDM

Un sistema DWDM consta generalmente de cinco componentes: Transmisores/receptores ópticos, filtros DWDM Mux/DeMux, multiplexores ópticos Add/Drop (OADM), amplificadores ópticos, transpondedores (convertidores de longitud de onda).

Transmisores y receptores ópticos

Los transmisores se describen como componentes DWDM, ya que proporcionan las señales de origen que luego se multiplexan. Las características de los transmisores ópticos utilizados en los sistemas DWDM son muy importantes para el diseño del sistema. En un sistema DWDM se utilizan varios transmisores ópticos como fuentes de luz. Los bits de datos eléctricos entrantes (0 o 1) activan la modulación de un flujo luminoso (por ejemplo, un destello de luz = 1, la ausencia de luz = 0). Los láseres crean pulsos de luz. Cada pulso de luz tiene una longitud de onda exacta (lambda) expresada en nanómetros (nm). En un sistema basado en portadoras ópticas, un flujo de información digital se envía a un dispositivo de capa física, cuya salida es una fuente de luz (un LED o un láser) que interconecta un cable de fibra óptica. Este dispositivo convierte la señal digital entrante de forma eléctrica (electrones) a forma óptica (fotones) (conversión eléctrica a óptica, E-O). Los unos y ceros eléctricos activan una fuente de luz que destella (por ejemplo, luz = 1, poca o ninguna luz =0) luz en el núcleo de una fibra óptica. La conversión E-O no afecta al tráfico. El formato de la señal digital subyacente no cambia. Los pulsos de luz se propagan a través de la fibra óptica mediante reflexión interna total. En el extremo receptor, otro sensor óptico (fotodiodo) detecta los pulsos de luz y convierte la señal óptica entrante de nuevo en forma eléctrica. Un par de fibras suele conectar dos dispositivos cualesquiera (una fibra de transmisión y otra de recepción).

Los sistemas DWDM requieren longitudes de onda de luz muy precisas para funcionar sin distorsión ni diafonía entre canales. Para crear cada uno de los canales de un sistema DWDM suelen utilizarse varios láseres. Cada láser funciona con una longitud de onda ligeramente distinta. Los sistemas modernos funcionan con separaciones de 200, 100 y 50 GHz. Se están investigando nuevos sistemas que admiten espaciamientos de 25 GHz y 12,5 GHz. En general, hoy en día se pueden encontrar en el mercado transceptores DWDM (DWDM SFP, DWDM SFP+, DWDM XFP, etc.) que funcionan a 100 y 50-GHz.

Filtros DWDM Mux/Demux

Las múltiples longitudes de onda (todas dentro de la banda de 1550 nm) creadas por varios transmisores y que operan en diferentes fibras se combinan en una fibra mediante un filtro óptico (filtro Mux). La señal de salida de un multiplexor óptico se denomina señal compuesta. En el extremo receptor, un filtro óptico de caída (filtro DeMux) separa todas las longitudes de onda individuales de la señal compuesta en fibras individuales. Las fibras individuales pasan las longitudes de onda demultiplexadas a otros tantos receptores ópticos. Normalmente, los componentes Mux y Demux (transmisión y recepción) están contenidos en una única caja. Los dispositivos Mux/DeMux ópticos pueden ser pasivos.

Las señales de los componentes se multiplexan y demultiplexan ópticamente, no electrónicamente, por lo que no se requiere una fuente de alimentación externa. La siguiente figura muestra el funcionamiento DWDM bidireccional. N pulsos de luz de N longitudes de onda diferentes transportados por N fibras diferentes se combinan mediante un Mux DWDM. Las N señales se multiplexan en un par de fibras ópticas. Un DWDM Demux recibe la señal compuesta y separa cada una de las N señales componentes y pasa cada una a una fibra. Las flechas de señal transmitida y recibida representan el equipo del lado del cliente. Esto requiere el uso de un par de fibras ópticas: una para transmitir y otra para recibir.

Multiplexores ópticos Add/Drop

Los multiplexores ópticos de agregar/soltar (es decir, los OADM) tienen una función diferente de "add/drop", en comparación con los filtros Mux/Demux. Esta figura muestra el funcionamiento de un OADM DWDM de 1 canal. Este OADM está diseñado para agregar o soltar únicamente señales ópticas con una longitud de onda determinada. De izquierda a derecha, una señal compuesta entrante se divide en dos componentes, soltar y transmitir. El OADM sólo descarta el flujo de señal óptica roja. El flujo de señal soltado se pasa al receptor de un dispositivo cliente. El resto de las señales ópticas que pasan por el OADM se multiplexan con un nuevo flujo de señal de adición. El OADM añade un nuevo flujo de señal óptica roja, que funciona a la misma longitud de onda que la señal descartada. El nuevo flujo de señal óptica se combina con las señales de paso para formar una nueva señal compuesta.

Los OADM diseñados para funcionar en longitudes de onda DWDM se denominan OADM DWDM, mientras que los que funcionan en longitudes de onda CWDM se denominan OADM CWDM. Ambos se pueden encontrar ya en el mercado.

Amplificadores ópticos

Los amplificadores ópticos aumentan la amplitud o añaden ganancia a las señales ópticas que pasan por una fibra estimulando directamente los fotones de la señal con energía extra. Son dispositivos "en fibra". Los amplificadores ópticos amplifican las señales ópticas en una amplia gama de longitudes de onda. Esto es muy importante para la aplicación de sistemas DWDM. Los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) son el tipo más utilizado de amplificadores ópticos en fibra. Los EDFA utilizados en sistemas DWDM se denominan a veces EDFA DWDM, en comparación con los utilizados en sistemas CATV o SDH. Para ampliar la distancia de transmisión de su sistema DWDM, puede elegir entre distintos tipos de amplificadores ópticos, como EDFA DWDM, EDFA CATV, EDFA SDH, EYDFA y amplificador Raman, etc. Esta figura muestra el funcionamiento de un EDFA DWDM.

Transpondedores (convertidores de longitud de onda)/OEO

Los transpondedores convierten las señales ópticas de una longitud de onda entrante a otra saliente adecuada para aplicaciones DWDM. Los transpondedores son convertidores de longitud de onda óptico-eléctrico-ópticos (O-E-O). Un transpondedor realiza una operación O-E-O para convertir longitudes de onda de luz, por lo que algunos los llaman "OEO" para abreviar. Dentro del sistema DWDM, un transpondedor convierte la señal óptica del cliente de nuevo en una señal eléctrica (O-E) y, a continuación, realiza las funciones 2R (Reamplificar, Reformar) o 3R (Reamplificar, Reformar y Retemporizar). La siguiente figura muestra el funcionamiento bidireccional del transpondedor. Un transpondedor WDM se encuentra entre un dispositivo cliente y un sistema DWDM. De izquierda a derecha, el transpondedor recibe un flujo de bits ópticos que funciona a una longitud de onda determinada (1310 nm). El transpondedor convierte la longitud de onda operativa del flujo de bits entrante en una longitud de onda conforme a la UIT. Transmite su salida a un sistema DWDM. En el lado de recepción (de derecha a izquierda), el proceso es inverso. El transpondedor recibe un flujo de bits conforme a la norma ITU y vuelve a convertir las señales a la longitud de onda utilizada por el dispositivo cliente.

Los transpondedores se utilizan generalmente en sistemas WDM (de 2,5 a 40 Gbps), incluyendo no sólo sistemas DWDM, sino también sistemas CWDM. Y los transpondedores WDM (convertidores OEO) pueden venir con distintos puertos de módulo (SFP a SFP, SFP+ a SFP+, XFP a XFP, etc.).

Cómo colaboran los componentes del sistema DWDM con la tecnología DWDM

• 1. El transpondedor acepta la entrada en forma de impulso láser monomodo o multimodo estándar. La entrada puede proceder de diferentes medios físicos y diferentes protocolos y tipos de tráfico.

• 2. La longitud de onda de la señal de entrada del transpondedor se asigna a una longitud de onda DWDM.

• 3. Las longitudes de onda DWDM del transpondedor se multiplexan con señales de la interfaz directa para formar una señal óptica compuesta que se lanza a la fibra.

• 4. Un postamplificador (amplificador de refuerzo) aumenta la intensidad de la señal óptica a medida que sale del multiplexor.

• 5. Un OADM se utiliza en una ubicación remota para soltar y agregar flujos de bits de una longitud de onda específica.

• 6. Se pueden utilizar amplificadores ópticos adicionales a lo largo del tramo de fibra (amplificador en línea) según sea necesario.

• 7. Un preamplificador aumenta la señal antes de que entre en el demultiplexor.

• 8. La señal entrante se demultiplexa en longitudes de onda DWDM individuales.

• 9. Las lambdas DWDM individuales se asignan al tipo de salida requerido a través del transpondedor o se transmiten directamente al equipo del cliente.

Gracias a la tecnología DWDM, los sistemas DWDM proporcionan el ancho de banda necesario para grandes cantidades de datos. De hecho, la capacidad de los sistemas DWDM crece a medida que avanzan las tecnologías que permiten espaciar más estrechamente las longitudes de onda y, por tanto, aumentar su número. Pero la DWDM también está yendo más allá del transporte para convertirse en la base de las redes totalmente ópticas con aprovisionamiento de longitudes de onda y protección basada en malla. La conmutación en la capa fotónica hará posible esta evolución, al igual que los protocolos de enrutamiento que permiten que las rutas de luz atraviesen la red de forma muy similar a como lo hacen hoy los circuitos virtuales. Con el desarrollo de las tecnologías, los sistemas DWDM pueden necesitar componentes más avanzados para ofrecer mayores ventajas.