Multiplexación por división de longitud de onda

En las comunicaciones por fibra óptica , la multiplexación por división de longitud de onda ( WDM ) es una tecnología que multiplexa varias señales portadoras ópticas en una sola 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 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, que se describe más a menudo por la 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 (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 los sistemas prácticos es una fracción de la frecuencia portadora.

Un sistema WDM utiliza un multiplexor en el transmisor para combinar las distintas señales y un demultiplexor en el receptor para separarlas. ^{[ 1 ]} Con el tipo de fibra adecuado, es posible disponer de un dispositivo que realice ambas funciones simultáneamente y que pueda funcionar como un multiplexor óptico de adición/extracción . Los dispositivos de filtrado óptico utilizados tradicionalmente han sido etalones ( interferómetros Fabry-Pérot estables de estado sólido y frecuencia única en forma de vidrio óptico recubierto con una película delgada). Dado que existen tres tipos diferentes de WDM, uno de los cuales se denomina WDM , la notación xWDM se utiliza normalmente al hablar de esta tecnología. ^{[ 3 ]}

El concepto fue publicado por primera vez en 1970 por Delange, ^{[ 4 ]} y para 1980 los sistemas WDM ya se estaban implementando en el laboratorio. Los primeros sistemas WDM combinaban solo dos señales. Los sistemas modernos pueden manejar 160 señales y, por lo tanto, pueden ampliar un sistema básico.Sistema de 100 Gbit/s  sobre un único par de fibra a más de16 Tbit/s  . También dispone de un sistema de 320 canales (  espaciado entre canales de 12,5 GHz, véase más abajo).

Los sistemas WDM son populares entre las empresas de telecomunicaciones porque les permiten ampliar la capacidad de la red sin necesidad de instalar más fibra. Mediante el uso de WDM y amplificadores ópticos , pueden adaptarse a varias generaciones de desarrollo tecnológico en su infraestructura óptica sin tener que renovar la red troncal. La capacidad de un enlace determinado se puede ampliar simplemente actualizando los multiplexores y demultiplexores en cada extremo.

Esto se suele hacer mediante la traducción óptico-eléctrico-óptico (O/E/O) en el extremo de la red de transporte, lo que permite la interoperabilidad con equipos existentes con interfaces ópticas. ^{[ 3 ]}

La mayoría de los sistemas WDM funcionan con cables de fibra óptica monomodo con un diámetro de núcleo de 9  μm. Ciertas variantes de WDM también pueden utilizarse con cables de fibra óptica multimodo (también conocidos como cables de local) con diámetros de núcleo de 50 o 62,5  μm.

Los primeros sistemas WDM eran caros 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, 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), grueso (CWDM) y denso (DWDM). El WDM normal (a veces llamado BWDM) utiliza las dos longitudes de onda normales de 1310 y 1550  nm en una sola 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 la 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  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 estos números.

La multiplexación por división de longitud de onda gruesa (CWDM), a diferencia de la DWDM, utiliza un mayor espaciado 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 donde puede ocurrir la dispersión de OH. Se recomiendan fibras de sílice libres de OH si se van a utilizar las longitudes de onda entre la segunda y tercera ventanas de transmisión. ^{[ 5 ]} Al evitar esta región, los canales 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61 permanecen 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, el número de canales y la capacidad de amplificar las señales multiplexadas en el espacio óptico. Los amplificadores de fibra óptica dopada con erbio (EDFA) proporcionan una amplificación de banda ancha eficiente para la banda C , mientras que la amplificación Raman añade un mecanismo para la amplificación en la banda L. Para CWDM, no se dispone de amplificación óptica de banda ancha, lo que limita los alcances ópticos a varias decenas de kilómetros.

Originalmente, el término multiplexación por división de longitud de onda gruesa (CWDM) era bastante genérico y describía diversas configuraciones de canal. En general, la elección del espaciado y la frecuencia de los canales en estas configuraciones impedía el uso de EDFA. Antes de la estandarización relativamente reciente del término por la UIT, una definición común de CWDM era la multiplexación de dos o más señales en una sola fibra, una en la  banda de 1550 nm y la otra en la 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 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. ^{[ 6 ]} Muchas longitudes de onda CWDM por debajo de 1470  nm se consideran inutilizables en fibras antiguas con especificación G.652 , debido a la mayor atenuación en las  bandas de 1270–1470 nm. Las fibras más recientes que cumplen con los estándares G.652.C y G.652.D ^{[ 7 ]} , como Corning SMF-28e y Samsung Widepass, prácticamente eliminan el pico de atenuación relacionado con el agua a 1383  nm y permiten el funcionamiento completo de los 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 unos 60  km para una señal de 2,5 Gbit/s , lo que resulta adecuado para aplicaciones metropolitanas. Los requisitos menos estrictos de estabilización de frecuencia óptica permiten que los costes asociados a CWDM se aproximen a los de los componentes ópticos que no son WDM.

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 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 , a los que han vuelto prácticamente obsoletos. Los EDFA pueden amplificar cualquier señal óptica dentro de su rango de operación, 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, manteniendo el EDFA o la serie de EDFA existentes a lo largo de una ruta de larga distancia. Además, los enlaces de una sola longitud de onda que utilizan EDFA pueden actualizarse a enlaces WDM a un costo razonable. De esta manera, el costo del EDFA se aprovecha en tantos canales como se puedan multiplexar en la banda de 1550 nm. DWDM es utilizado por operadores y entre centros de datos para transportar grandes cantidades de datos. ^{[ 9 ] [ 10 ]} 

Sistemas DWDM

En esta etapa, un sistema DWDM básico contiene varios componentes principales:

1. Un multiplexor de terminal DWDM . El multiplexor de terminal contiene un transpondedor convertidor de longitud de onda para cada señal de datos, un multiplexor óptico y, cuando sea necesario, un amplificador óptico (EDFA). Cada transpondedor convertidor de longitud de onda recibe una señal de datos óptica de la capa del cliente, como SONET/SDH u otro tipo de señal de datos, la convierte al dominio eléctrico y la retransmite a una longitud de onda específica mediante un  láser de banda de 1550 nm. Estas señales de datos se combinan en una señal óptica multilongitud de onda mediante un multiplexor óptico, para su transmisión a través de una sola fibra (por ejemplo, fibra SMF-28). El multiplexor de terminal puede incluir o no un EDFA de transmisión local para la amplificación de potencia de la señal óptica multilongitud de onda. A mediados de la década de 1990, los sistemas DWDM contenían 4 u 8 transpondedores convertidores de longitud de onda; hacia el año 2000, ya existían sistemas comerciales capaces de transmitir 128 señales.
2. Se coloca un repetidor de línea intermedio  aproximadamente cada 80-100 km para compensar la pérdida de potencia óptica a medida que la señal viaja a lo largo de la fibra. La "señal óptica multilongitud de onda" se amplifica mediante un EDFA, que generalmente consta de varias etapas de amplificación.
3. Un terminal óptico intermedio , o multiplexor óptico de inserción/extracción (OADM) , es un sitio de amplificación remoto que amplifica la señal multiespectral que puede haber recorrido hasta 140  km o más antes de llegar al sitio remoto. En este sitio, a menudo se extraen o insertan diagnósticos ópticos y telemetría para permitir la localización de cualquier rotura de fibra o deterioro de la señal. En sistemas más sofisticados (que ya no son punto a punto), varias señales de la señal óptica multiespectral pueden extraerse y descartarse localmente.
4. Un demultiplexor de terminal DWDM . En el sitio remoto, el demultiplexor de terminal, que consta de un demultiplexor óptico y uno o más transpondedores convertidores de longitud de onda, separa la señal óptica multilongitud de onda en señales de datos individuales y las emite a través de fibras separadas para sistemas de capa cliente (como SONET/SDH). Originalmente, esta demultiplexación se realizaba de forma totalmente pasiva, excepto para cierta telemetría, ya que la mayoría de los sistemas SONET pueden recibir  señales de 1550 nm. Sin embargo, para permitir la transmisión a sistemas remotos de capa cliente (y para permitir la determinación de la integridad de la señal en el dominio digital), dichas señales demultiplexadas se suelen enviar a transpondedores de salida O/E/O antes de ser retransmitidas a sus sistemas de capa cliente. A menudo, la funcionalidad del transpondedor de salida se ha integrado en la del transpondedor de entrada, de modo que la mayoría de los sistemas comerciales tienen transpondedores que admiten interfaces bidireccionales tanto en su  lado de 1550 nm (es decir, interno) como en su lado externo (es decir, orientado al cliente). En algunos sistemas que admiten  un funcionamiento nominal de 40 GHz, los transpondedores también pueden realizar corrección de errores hacia adelante (FEC) mediante tecnología de encapsulado digital , tal como se describe en la norma ITU-T G.709 .
5. Canal de Supervisión Óptica (OSC) . Este es un canal de datos que utiliza una longitud de onda adicional, generalmente fuera de la banda de amplificación EDFA (a 1510  nm, 1620  nm, 1310  nm u otra longitud de onda propietaria). El OSC transmite información sobre la señal óptica multilongitud de onda, así como las condiciones remotas en la terminal óptica o el sitio EDFA. También se utiliza normalmente para actualizaciones de software remotas e información de administración de red para el usuario (es decir, el operador de red). Es el análogo multilongitud de onda del DCC (o canal de supervisión) de SONET. Las normas de la UIT sugieren que el OSC utilice una estructura de señal OC-3, aunque algunos proveedores han optado por utilizar Fast Ethernet u otro formato de señal. A diferencia de la  señal multilongitud de onda de 1550 nm que contiene datos del cliente, el OSC siempre termina en sitios de amplificación intermedios, donde recibe información local antes de la retransmisión.

La introducción de la cuadrícula de frecuencias ITU-T G.694.1 ^{[ 11 ]} en 2002 ha facilitado la integración de WDM con sistemas SONET/SDH más antiguos pero más estándar. Las longitudes de onda WDM se posicionan en una cuadrícula con un espaciado exacto de 100 GHz (aproximadamente 0,8 nm) en frecuencia óptica, con una frecuencia de referencia fijada en 193,10 THz (1552,52 nm). ^{[ 12 ]} La cuadrícula principal se ubica dentro del ancho de banda del amplificador de fibra óptica, pero puede extenderse a anchos de banda más amplios. El primer despliegue comercial de DWDM fue realizado por Ciena Corporation en la red Sprint en junio de 1996. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} Los sistemas DWDM actuales utilizan un espaciado de canales de 50 GHz o incluso 25 GHz para una operación de hasta 160 canales.      ^{[ 16 ]}

Los sistemas DWDM deben mantener una longitud de onda o frecuencia más estable que los sistemas CWDM debido a la menor separación entre las longitudes de onda. En los sistemas DWDM se requiere un control preciso de la temperatura del transmisor láser para evitar desviaciones de una ventana de frecuencia muy estrecha, del orden de unos pocos GHz. Además, dado que DWDM ofrece una mayor capacidad máxima, tiende a utilizarse en un nivel superior de 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 reducido para dispositivos DWDM de muy alto rendimiento. Estos factores de menor volumen y mayor rendimiento hacen que los sistemas DWDM sean generalmente más caros que los CWDM.

Las innovaciones recientes en los sistemas de transporte DWDM incluyen módulos transceptores conectables y configurables por software, capaces de operar en 40 u 80 canales. Esto reduce drásticamente la necesidad de módulos conectables de repuesto, ya que un pequeño número de dispositivos conectables puede gestionar todo el rango de longitudes 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 EWDM mejorado puede utilizar conexiones DWDM pasivas o amplificadas para lograr un mayor alcance. Además, los módulos conectables con factor de forma C ofrecen Ethernet de 100 Gbit/s, ideal para conexiones troncales de Internet de alta velocidad.

La multiplexación por división de longitud de onda corta (WDM) 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. ^{[ 8 ]}

Transceptores

Dado que la comunicación a través de una sola longitud de onda es unidireccional ( comunicación simplex ), y la mayoría de los sistemas de comunicación prácticos requieren comunicación bidireccional ( comunicación dúplex ), se necesitarán dos longitudes de onda si se utilizan en la misma fibra; si se utilizan fibras separadas en un llamado par de fibras, normalmente se utiliza la misma longitud de onda y no se trata de WDM. Como resultado, en cada extremo se requerirán tanto un transmisor como un receptor. La combinación de un transmisor y un receptor se denomina transceptor; este convierte una señal eléctrica en una señal óptica y viceversa. Los transceptores WDM diseñados para operar en una sola fibra requieren que los transmisores opuestos utilicen longitudes de onda diferentes. Además, los transceptores WDM requieren un divisor/combinador óptico para acoplar las rutas del transmisor y del receptor a la misma fibra.

• Longitudes de onda del transceptor WDM grueso (CWDM): 1271  nm, 1291  nm, 1311  nm  , 1331  nm, 1351  nm,  1371 nm, 1391 nm  , 1411  nm, 1431  nm, 1451  nm, 1471  nm, 1491  nm, 1511 nm, 1531  nm, 1551  nm, 1571  nm, 1591  nm, 1611  nm.
• Transceptores WDM densos (DWDM): Canal 17 a Canal 61 según la UIT-T.

Transpondedor

En la práctica, las señales de entrada y salida no serán eléctricas, sino ópticas (normalmente a 1550  nm). Esto significa que, en efecto, se necesitan convertidores de longitud de onda, que es precisamente lo que es un transpondedor. Un transpondedor puede estar compuesto por dos transceptores conectados en serie: el primero convierte la  señal óptica de 1550 nm en una señal eléctrica y el segundo la convierte en una señal óptica a la longitud de onda requerida. Actualmente se están desarrollando transpondedores que no utilizan una señal eléctrica intermedia (transpondedores totalmente ópticos).

Véase también transpondedores (comunicaciones ópticas) para conocer diferentes perspectivas funcionales sobre el significado de los transpondedores ópticos.

• Multiplexor de inserción/extracción : manipula el contenido de los canales DWDM. 
• Rejilla de guía de ondas en matriz : componente de multiplexor óptico 
• Acceso múltiple por división de código : método de acceso al canal utilizado por diversas tecnologías de radiocomunicación. 
• Fibra oscura : fibra óptica no utilizada. 
• Multiplexación por división de frecuencia : técnica de procesamiento de señales en telecomunicaciones. 
• IPoDWDM – Red óptica exclusivamente IP 
• Redes ópticas multilongitud de onda : propuesta sucesora de las redes ópticas SONET. 
• Foro de Interconexión Óptica – Organización sin ánimo de lucro 
• Red óptica en malla : red óptica que utiliza una topología de malla. 
• Red de transporte óptico : estándar para paquetes de datos ópticos. 
• Multiplexación del momento angular orbital : técnica de multiplexación óptica 
• Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura diferencial : tipo de codificación de datos 
• Fotodiodo : convierte la luz en corriente eléctrica. 
• Dispersión del modo de polarización – Forma de dispersión modal 
• Interfaz de comunicaciones modular conectable de factor de forma pequeño 
• Espectrómetro : se utiliza para medir los componentes espectrales de la luz. 
• Supercanal – DWDM mejorado 
• Multiplexación por división de tiempo : técnica de multiplexación para señales digitales. 

• Siva Ram Murthy C.; Guruswamy M., "Redes ópticas WDM: conceptos, diseño y algoritmos", Prentice Hall India, ISBN 81-203-2129-4.
• Tomlinson, WJ; Lin, C., "Multiplexor óptico por división de longitud de onda para la región espectral de 1 a 1,4 micras", Electronics Letters, vol. 14, 25 de mayo de 1978, págs.  345-347. adsabs.harvard.edu
• Ishio, H.; Minowa, J.; Nosu, K. (1984). "Revisión y estado de la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda y su aplicación". Journal of Lightwave Technology . 2 (4): 448– 463. Bibcode : 1984JLwT....2..448I . doi : 10.1109/JLT.1984.1073653 . ISSN 0733-8724 . 
• Cheung, Nim K.; Nosu Kiyoshi; Winzer, Gerhard "Editorial invitada / Técnicas de multiplexación por división de longitud de onda densa para sistemas de comunicación de acceso múltiple y alta capacidad", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 8 n.º 6, agosto de 1990.
• Arora, Amrinder S; Subramaniam, Suresh (2002). "Ubicación de la conversión de longitud de onda en redes ópticas de malla WDM". Photonic Network Communications . 4 (2): 167– 177. Bibcode : 2002PNCom...4..167A . doi : 10.1023/A:1015391312481 .