Evolución de las fibras ópticas

CAPÍTULO 1

Introducción

1.1 Evolución de las comunicaciones

Las necesidades que experimentan las redes de transmisión de información, de transmitir voz y datos a mayores velocidades, va aumentando exponencialmente en todo el mundo, sin embargo se nota una tendencia a la mayor cantidad de transmisión de datos, Figura 1 [Dia00]. Asimismo, la cantidad de usuarios conectados aumenta rápidamente en perjuicio de la calidad de los servicios que estas redes proveen, Figura 2 (www.isc.org, 2000). También, el desarrollo de tecnologías de acceso de banda ancha, hace incrementar los requerimientos de nuevos servicios y aplicaciones multimediales con entrega en tiempo real. Por esto, se ve la necesidad de implementar redes que transmitan gran cantidad de información a altas velocidades, que sean eficientes, económicas y de amplia cobertura.

Figura 1. Demanda de servicios de Internet.

Figura 2. Hosts conectados a Internet.

1.2 Características de la fibra óptica

Hoy en día, la fibra óptica aparece como el medio de transmisión de información más eficiente para satisfacer esta demanda de ancho de banda, debido a sus principales características, como: Baja atenuación, 0.275 [dB/Km] en la ventana de los 1550 [nm] (Figura 3, [Dia00]); Alta capacidad de transmisión (Ancho de banda > 10 [THz]); Inmune a la interferencia electromagnética; Aislamiento eléctrico, debido al componente vidrio; y Confiabilidad, total confinamiento de las señales. Además, la luz es la mejor fuente para el transporte de la información en este medio (IEEE Communications Magazine, Vol. 38, Nº3, Marzo 2000, Editorial).

Figura 3. Espectro de atenuación en fibra óptica.

1.3 Oportunidades tecnológicas

Bajo la perspectiva descrita en los puntos 1.1 y 1.2, es que se desea implementar una red con estas características. Además, se planea utilizar tecnología de punta en lo que a fibra óptica se refiere, como es la implementación de la Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), en conjunto con el protocolo IP (Internet Protocol), que aparece como la plataforma más importante para el transporte de datos por la red, cualquiera sea la naturaleza de la fuente. Debido a que esta tecnología (IP/WDM) recién se está desarrollando es que se pretende utilizar para investigación y desarrollo en el área. La tecnología WDM, permite transmitir eficientemente la información sobre múltiples longitudes de onda en una misma fibra óptica [Ram98]. Una representación gráfica de esta tecnología se muestra en la Figura 4, representada por medio de una carretera de autos [Dia00]. Por otro lado, WDM permite incrementar y aprovisionar el ancho de banda de la fibra actual en más de dos ordenes de magnitud (www.gildertech.com, Abril 2000).

Figura 4. Tecnología WDM, representada como tráfico automovilístico.

1.4 Tecnología actual

Las actuales tecnologías utilizadas para abarcar un gran ancho de banda, apuntan a introducir cable módem, cable coaxial, ADSL y Will a los usuarios finales. No obstante, estas tendrían una alta obsolescencia, debido a la alta demanda por un ancho de banda mayor en el futuro próximo. Desde este punto de vista, cabe señalar que la fibra óptica proporciona un ancho de banda prácticamente ilimitado. Si bien, la instalación de la fibra óptica tiene un costo elevado, es un recurso ampliamente escalable bajo este concepto.

Las redes de telecomunicaciones actuales que utilizan fibra óptica, están basadas en tecnología de Jerarquía Digital Sincrónica (SONET/SDH: Synchronous Optical Network / Synchronous Digital Hierarchy) como capa estándar para la interfaz con capas superiores de protocolo. Si bien, esta configuración funciona correctamente para servicios de mediana velocidad, no es viable para la masificación de servicios de banda ancha en los usuarios finales. Estudios realizados indican que la máxima velocidad que se puede obtener en redes SDH es de 10 [Gbps], con lo que se restringen las posibilidades de escalamiento futuro en ancho de banda, en lo que a esta tecnología se refiere.

1.5 Tecnología de punta

Frente a escenarios futuros, donde se impondrán nuevos servicios y/o aplicaciones, las tecnologías de redes ópticas WDM (Wavelength Division Multiplexing, [Wil97]) aparecen como la opción más promisoria para sustentar la demanda creciente de ancho de banda en las estructuras de transporte. Ejemplos de nuevos servicios que puede ofrecer la tecnología WDM se muestran en la Figura 5 [Dia00].

Figura 5. Ejemplo de requerimientos de nuevas tecnologías en WDM.

Como se nombró anteriormente, hoy, WDM se utiliza en la mayoría de enlaces punto a punto usando tecnología SONET/SDH como la capa estándar para la interfaz con capas superiores de protocolo. Sin embargo, la red a implementar ("Redes Ópticas para Internet del Futuro") desea eliminar esta capa y correr IP directamente sobre WDM, debido a la habilidad de IP de ser una capa común de convergencia y de WDM de ser una capa de transporte altamente eficiente en ancho de banda (N. Ghani et al., "On IP-over-WDM Integration", IEEE Communications Magazine, Marzo 2000).

La ventaja clave de WDM es que ofrece un soporte multiprotocolo, lo que permite la coexistencia de redes de distintos protocolos, todas por la misma fibra. 1.5.1 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) Existen dos tipos de tecnología WDM, ellas son: Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) y Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM). La primera idea del proyecto es combinar ambas tecnologías en una misma red óptica. Los sistemas con más de cuatro longitudes de onda (Lambdas) y con una separación entre ellas de 1 [nm] aproximadamente, son considerados "densos" y son denominados sistemas DWDM. La ITU (International Telecommunication Union), ha estandarizado la separación de los canales usados en sistemas DWDM: esta separación corresponde aproximadamente a un mínimo de 100 [GHz] en el dominio de las frecuencias, que corresponde a 0.8 [nm] en el dominio de longitudes de onda, en la región de los 1550 [nm], donde la fibra posee la mínima atenuación. La tecnología DWDM permite combinar múltiples longitudes de onda, de manera que puedan ser transmitidas, amplificadas y propagadas por una misma fibra, aumentando así su capacidad.

1.5.2 CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) Los sistemas CWDM requieren de un espaciamiento entre longitudes de onda, mayor o igual a 20 [nm]. Esta holgura permite utilizar componentes de no tan alta precisión, lo que hace que este sistema sea bastante menos costoso que DWDM (0.1 aproximadamente), al eliminar la necesidad de algunos componentes muy sofisticados y precisos. CWDM es una implementación de WDM para redes de corto y mediano alcance. Actualmente, CWDM puede operar con 8 longitudes de onda, cada una operando a un Bit Rate que va desde los 156 [Mbps] a los 10 [Gbps], logrando anchos de banda de hasta 100 [Gbps], utilizando múltiples longitudes de onda.

Un detalle de estas tecnologías puede ser visto en el Anexo C.

1.5.3 Tecnología de amplificación óptica Los sistemas WDM han experimentado un notable impulso por el uso de amplificadores a fibra dopados con tierras raras [Pot97], usados para compensar la atenuación introducida por la fibra en los enlaces punto a punto. En particular, el advenimiento del amplificador a fibra dopada con Erbio (Ebium-Doped Fiber Amplifier, EDFA), vino a revolucionar los sistemas de comunicaciones ópticas, debido a su eficiente operación en la tercera ventana del espectro óptico de telecomunicaciones (( 1550 [nm]), donde las fibras poseen la menor atenuación [Des94]. La considerable potencia óptica disponible en la salida de estos amplificadores, permiten aumentar los tramos de transmisión, sin necesidad de una regeneración de la señal; por otra parte, el gran ancho de banda (en particular, de los EDFAs, ( 1 [THz]) y el espectro plano de ganancia en la tercera ventana del espectro óptico (aproximadamente 20 [nm] alrededor de los 1550 [nm]), de estos dispositivos, favorece la operación multicanal. En la actualidad, existen EDFAs de banda ancha que pueden amplificar sobre 100 señales ópticas, lo que podría traducirse en una capacidad de transmisión de 1 [Tbps] de información. Estos dispositivos son indispensables en redes Backbone, o de larga distancia, debido a la extensión de los trayectos.

1.5.4 Gigabit Ethernet El framing de Gigabit Ethernet (GbE), utilizado para regeneración, es un protocolo muy conocido por los administradores de redes de área local (LANs). Además, la trama Ethernet en el sistema de transporte, es la misma que en las redes de acceso. Asimismo, el desarrollo de los drivers GbE sólo permite transportar tráfico IP: la mayoría de las redes están implementadas sobre IP, y esta tendencia va en fuerte aumento.

Considerando los párrafos anteriores, combinar las tecnologías WDM y Gigabit Ethernet, permite instalar una red de fibra óptica de mayor capacidad de transmisión, más fácil de administrar y con las prestaciones necesarias para soportar el fuerte incremento de la demanda de tráfico Internet, a un costo muy inferior que una red óptica tradicional SONET/SDH.

1.6 Proyecto Fondef

La implementación de una red óptica se incluye en el marco del proyecto Fondef D00I1026, "Redes Ópticas para Internet del Futuro", en el cual participan diferentes entidades: Universidad de Santiago de Chile (USACH), Universidad de Chile (UdeCH), REUNA, Universidad de la Frontera (UFRO), Universidad de Tarapacá (UTA) y Universidad Técnica Federico Santa María (UTFSM). La red óptica que se va a implementar estará constituida por cuatro nodos: tres en Santiago (USACH, UdeCH y REUNA) y otro en Valparaíso (UTFSM). Esta red óptica ofrece conectividad Gigabit Ethernet y tecnología WDM, ya sea, DWDM, CWDM, ó ambas, en una misma red. La red contará con dos laboratorios de fibra óptica a escala real, para investigación y desarrollo de esta tecnología, uno en UTFSM u otro en USACH.

Los requerimientos mínimos de la red a implementar, en lo que a longitudes de onda se refiere, son los siguientes: se desea efectuar experimentos de investigación en la tecnología implementada, para ello se requiere de dos canales transparentes de fibra óptica, los cuales serán utilizados por laboratorios instalados en la UTFSM y en la USACH. También, otro requerimiento de la red, es ejecutar aplicaciones entre las entidades UTFSM, REUNA y UdeCH, para ello, se asignan otros dos canales de longitudes de onda, para este propósito. En resumen, la red requiere de cuatro longitudes de onda, como requerimiento mínimo: dos para investigación y dos para desarrollo de aplicaciones.

La tecnología WDM a utilizar depende de la relación costo/beneficio, es decir, dependiendo del presupuesto asignado para el proyecto va a depender la implementación de tecnología CWDM y/o DWDM. Un detalle con los requerimientos mínimos de longitudes de onda de la red a implementar, se presenta en la Figura 6. Debido a la extensión del trayecto entre REUNA y UTFSM, es necesaria la presencia de un amplificador óptico.

Figura 6. Red óptica proyecto FONDEF.

Los laboratorios de fibra óptica instalados en las universidades UTFSM y USACH dispondrán de instrumental necesario para realizar las experiencias que cubran los requerimientos de investigación y desarrollo (I&D) del proyecto Fondef D00I1026, "Redes Ópticas para Internet del Futuro".

En resumen, los dos puntos claves del proyecto son: la implementación de una red de fibra óptica que permita trabajar a nivel de capa física y a nivel de capa de aplicación; y la implementación de laboratorios a escala real de comunicaciones ópticas, que permitan trabajar en I&D sobre la red óptica implementada.

1.7 Distribución del trabajo

El presente trabajo de título, se basa en el marco del proyecto Fondef D00I1026: "Redes Ópticas para Internet del Futuro". En colaboración con el personal encargado de llevar a cabo este proyecto, se realizó este trabajo, el cual presenta los resultados de los puntos claves del proyecto: implementación de una red óptica e implementación de un laboratorio a escala real. Adicionalmente, se presentan posibles experiencias de laboratorio que permitan cubrir los requerimientos de I&D en comunicaciones ópticas.

En el Capítulo 2 se describe el procedimiento realizado para la implementación de la red óptica: descripción de la red óptica que se desea implementar, estudio de las propuestas presentadas por los distintos proveedores, análisis técnico de estas propuestas, y, la elección y descripción de la mejor propuesta.

En el Capítulo 3 se presenta una descripción de la implementación del laboratorio óptico de la UTFSM, en la cual se diseña el Layout del laboratorio; donde está ubicado el Rack, distribución de las líneas de la red óptica en Patch Panels, y otros detalles. En esta sección, también se describe el instrumental disponible para el laboratorio.

En el Capítulo 4 se presentan algunos procedimientos básicos para adquirir una familiarización con los instrumentos de mediciones ópticas disponibles en el laboratorio.

En el Capítulo 5 se presentan algunas experiencias de laboratorio. En el Capítulo 6 se presentan experiencias de red, para ser utilizadas en I&D en la tecnología óptica implementada en la red, utilizando los instrumentos de medición. En el Capítulo 7 se presentan algunas experiencias que se podrán realizar en el futuro.

Para finalizar el trabajo de título, en el Capítulo 8 se presentan las conclusiones y comentarios obtenidos con la realización de este trabajo.

Este trabajo fue realizado en estrecha colaboración por los dos autores, sin embargo, desde un punto de vista formal, se organizaron responsabilidades individuales en el trabajo escrito. Estas responsabilidades son: para Christian Fernández, las propuestas de red de los proveedores Alcatel, Cisco y Huawei, los instrumentos OSA y TOS, y las experiencias de investigación que utilizan estos instrumentos; en cambio, para Gustavo Teke, las propuestas de red de los proveedores Padtec, Nortel y Wri, los instrumentos OTDR y POA, y las experiencias de investigación que hacen uso de estos instrumentos. El resto del trabajo fue desarrollado en conjunto. Cabe señalar que este trabajo de título está basado en el marco del proyecto FONDEF D00I1026: "Redes Ópticas para Internet del Futuro", por lo cual corresponde a un trabajo de colaboración a las personas que llevan a cabo tal proyecto.

EVOLUCIÓN DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

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Correo: yuniorcastillo@yahoo.com

Santiago de los Caballeros, República Dominicana, 2015.

"DIOS, JUAN PABLO DUARTE Y JUAN BOSCH – POR SIEMPRE"®

Autor:

Ing.+Lic. Yunior Andrés Castillo S.