Diseño y Análisis de una Red de Acceso Tipo WDM...

Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas

Facultad de Ingenierıa

Diseno y Analisis de una Red de

Acceso Tipo WDM-PON por

Medio del Particionamiento

Espectral de una Fuente de Luz

de Banda Ancha

Proyecto de grado presentado por Juan Nicolas Silva Gonzalez

para obtener el grado de Ingeniero Electronico

Codigo: 20112005055

Director

Ing. Gustavo Adolfo Puerto Leguizamon Ph.D

2016

Ingenierıa Electronica

El exito consiste en obtener lo que se desea.

La felicidad, en disfrutar lo que se obtiene.

Emerson.

2

Dedicado a

mis padres Myriam Gonzalez y Javier Silva y

a mi hermana Natalia Silva.

3

Agradecimientos

Parte del proceso de la formacion como ingeniero es sin duda esas personas que

han hecho posible cada paso en esta etapa y no podrıa dejar de agradecer su gran

aporte en mi vida academica y personal. En primera instancia agradezco a Dios por

ser mi guıa y darme la fortaleza y sabidurıa de seguir siempre adelante con este

sueno, al que ha hecho participe a mi maravillosa familia con unos padres que lo han

dado todo por sus hijos, convirtiendose indiscutiblemente en mi mas grande fuente

de inspiracion por su dedicacion, esfuerzo y apoyo incondicional.

De igual manera quiero agradecer a todos esos companeros a los que tuve la opor-

tunidad de conocer y trabajar por que sin duda su colaboracion permitio culminar

en gran medida mis estudios. A mis amigos por ser siempre esas personas incondi-

cionales con las que pude compartir momentos de felicidad que desde luego siempre

estuvieron presentes en todas las circunstancias.

Adicionalmente a cada uno de los docentes de la Universidad Distrital Francisco

Jose de Caldas con los que me fue posible estar en un aula de clase, por que indu-

dablemente fueron los mentores de mi formacion como ingeniero.

Finalmente quiero agradecer a mi director Gustavo Puerto por permitirme tra-

bajar junto a el y brindarme su conocimiento y experiencia durante este proceso,

dandome a conocer siempre sus ideas que fueron la guıa de la realizacion de este

proyecto.

4

Indice general

Agradecimientos 4

1. Generalidades 13

1.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3. Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4. Objetivos y Estructura de la Investigacion . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4.2. Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.5. Metodologıa para la Investigacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.6. Alcances y Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.6.1. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.6.2. Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2. Conceptos Basicos en Redes de Acceso 19

2.1. Fibra Optica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2. Passive Optical Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2.1. BPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.2. GPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.3. EPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.4. WDM-PON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3. Transmisores Opticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3.1. LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.2. LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5

Indice general 6

2.4. Receptores Opticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4.1. Fotodiodo P-N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.2. Fotodiodo P-I-N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4.3. Fotodiodo de Avalancha APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5. Particionamiento Espectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.5.1. Fuentes de Luz de Banda Ancha . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3. Conceptualizacion y Analisis de AWG 35

3.1. Operacion Basica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2. Conceptualizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1. Convergencia focal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.2. Dispersion y Region de Libre Propagacion . . . . . . . . . . . 38

3.2.3. Rango Espectral Libre y Anchura Total a la Mitad del Maximo 39

3.2.4. Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2.5. AWG en Fuentes de Luz de Banda Ancha . . . . . . . . . . . 42

4. Diseno de la Red de Acceso por Medio del AWG 45

4.1. Elementos de la OLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.1. Generador de Bits Speudo-Aleatorio . . . . . . . . . . . . . . 47

4.1.2. Generador de Pulsos NRZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.1.3. Modulador de Mach-Zehnder . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.2. Elementos de la ONT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2.1. Fotodetector APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.2.2. Filtro Pasabajo de Bessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.2.3. Analizador de BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.3. Fibra Monomodo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.3.1. Regenerador 3R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.4. Analizador Espectral Optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.5. Fuente de luz ASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.6. AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.7. Diseno de PON con 8 ONTs en Bajada . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.8. Diseno de PON bidireccional con 4 ONTs . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.9. Diseno de PON bidireccional con 8 ONTs utilizando dos hilos de fibra 63

Indice general 7

5. Simulacion y Analisis de los Resultados 65

5.1. Simulacion de PON con 8 ONTs en Bajada . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.1.1. Presupuesto de Potencia y BER . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.2. Simulacion de PON Bidireccional con 4 ONTs . . . . . . . . . . . . . 80

5.2.1. Presupuesto de Potencia y BER . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.3. Simulacion de red bidireccional con 8 ONTs . . . . . . . . . . . . . . 90

5.4. Analisis de BER Respecto a Distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.5. Analisis de Penalizaciones de Potencia y BER Respecto a Ancho de

Banda del AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.6. Analisis de BER Respecto a la Variacion de la Tasa de Transmision . 103

6. Conclusiones 105

Bibliografıa 109

Indice de figuras

1.1. Arquitectura de bucle fotonico pasivo [6] . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2. Arquitectura para el particionamiento espectral [4] . . . . . . . . . . 18

2.1. Seccion transversal y perfil del ındice de refraccion de las fibras de

salto de ındice y de ındice gradual. [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2. Fibra multimodo y monomodo [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.3. Arquitectura de una PON [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4. Arquitectura de una GPON [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.5. Arquitectura de una WDM-PON [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.6. Diagrama de bloques de un transmisor optico [1] . . . . . . . . . . . . 26

2.7. Tabla comparativa LED vs LD [26] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.8. Diagrama de bloques de un receptor optico [1] . . . . . . . . . . . . . 29

2.9. Dependencia de la penalizacion del receptor de terminal de lınea optica

de ancho de corte espectral para diversas longitudes de fibra [22] . . . 32

2.10. Particionamiento espectral [22] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.11. Particionamiento espectral [32] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.1. Esquematico de un laser WDM hecho mediante la integracion de un

AWG en el interior de la cavidad laser [14] . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2. Esquematico de un AWG en su interior [31] . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3. Geometrıa del lado del receptor [27]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.4. Representacion de FSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.5. Topologias de aplicaciones AWG [15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.6. Filtro sintonizable discreto/ecualizador [15]. . . . . . . . . . . . . . . 42

3.7. Esquema de OXE [15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

8

Indice de figuras 9

3.8. Representacion de Slicing en AWG [15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.1. Esquematico general de la red propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2. Configuracion de componentes que conforman una OLT . . . . . . . . 46

4.3. Formato NRZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4. Modulador Mach - Zehnder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.5. Configuracion de componetes que conforman una ONT . . . . . . . . 50

4.6. Fotodetector APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.7. Modulos de Fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.8. Modulo regenerador 3R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.9. Modulo de analizador espectral optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.10. Estructura de fuente ASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.11. Configuracion de AWG como filtro para Slicing . . . . . . . . . . . . 57

4.12. Configuracion de AWG como multiplexor . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.13. Configuracion de AWG como demultiplexor . . . . . . . . . . . . . . 59

4.14. Esquema de red propuesta con 8 ONTs . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.15. Esquema de red bidireccional con 4 ONTs . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.16. Esquema de red bidireccional con 4 ONTs . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.1. Esquema de red implementado en simulacion para el primer diseno . 68

5.2. Espectro en frecuencia de fuente ASE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.3. Portadoras opticas generadas por el AWG . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.4. Senal modulada para frecuencia de 193.1 THz . . . . . . . . . . . . . 71








5.12. Senal multiplexada por el AWG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.13. Senal multiplexada despues de pasar por el hilo fibra . . . . . . . . . 75

5.14. Diagramas de ojo para λ1 y λ2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Indice de figuras 10

5.15. Diagramas de ojo para λ3, λ4, λ5, λ6, λ7 y λ8 . . . . . . . . . . . . . 77

5.16. Diagramas de ojo para λ1 y λ2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.17. Diagramas de ojo para λ3, λ4, λ5, λ6, λ7 y λ8 . . . . . . . . . . . . . 79

5.18. Esquema de red implementado en simulacion para el segundo diseno . 81

5.19. Senal multiplexada por AWG-2 para segundo diseno . . . . . . . . . . 82

5.20. Senal demultiplexada para ONT 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83




5.24. Senal modulada y portadora en blanco para canal 1 . . . . . . . . . . 85




5.28. Diagramas de subida y bajada para segundo diseno . . . . . . . . . . 88

5.29. Diagramas de subida y bajada restantes para segundo diseno . . . . . 89

5.30. Esquema de red implementado en simulacion para el tercer diseno . . 90


5.32. Senales moduldas al llegar al fotodetector . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.33. Diagramas de ojo de subida y bajada para λ1, λ2, λ3 y λ4 . . . . . . 94

5.34. Diagramas de ojo de subida y bajada para λ5, λ6, λ7 y λ8 . . . . . . 95

5.35. Distancia vs BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

5.36. BER vs Ancho de Banda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.37. Penalizaciones de potencia 1 vs Ancho de Banda . . . . . . . . . . . . 102

5.38. Penalizaciones de potencia 2 vs Ancho de Banda . . . . . . . . . . . . 102

5.39. BER vs Tasa de Transmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

Indice de cuadros

5.1. Parametros de configuracion para AWGs . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.2. Parametros de Configuracion APD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.3. Parametros de configuracion SMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.4. Parametros de configuracion Demux WDM . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.5. Parametros de configuracion filtro Gaussiano . . . . . . . . . . . . . . 67

5.6. Parametros de configuracion fuente ASE . . . . . . . . . . . . . . . . 68

5.7. Potencia de portadoras opticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.8. Potencia de cada senal al ser demultiplexadas . . . . . . . . . . . . . 76

5.9. Resultados de Analizador de BER para cada canal en primer el diseno 78

5.10. Resultados de analizador de BER para primer diseno despues de la

amplificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5.11. Potencia de senales moduladas en Tx-ONT . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.12. Potencia de senales demultiplexadas en Rx-OLT . . . . . . . . . . . 87

5.13. Resultados obtenidos por analizador de BER para segundo diseno . . 89

5.14. Potencia antes y despues del filtrado Gaussiano . . . . . . . . . . . . 91

5.15. Potencia de senales moduladas de subida . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.16. Potencia de las senales de subida al llegar al fotodetector . . . . . . . 92

5.17. Resultados obtenidos por analizador de BER para informacion de

subida y bajada para tercer diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.18. Variacion de BER respecto a distancia - Parte 1 . . . . . . . . . . . . 97




5.22. Variacion de potencias respecto a ancho de banda del AWG . . . . . 100

11

Indice de cuadros 12

5.23. Penalizaciones de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.24. Penalizaciones de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

Capıtulo 1

Generalidades

1.1. Introduccion

Con el advenimiento de la Internet en la decada de 1990, el trafico de datos

que implica la transmision de informacion de todo tipo se ha convertido mucho mas

comun, por lo tanto este trafico implica un mayor ancho de banda en comparacion al

trafico telefonico tradicional. El uso de protocolo de Internet que implica la conmu-

tacion de paquetes esta aumentando continuamente dando una cabida a los sistemas

de multiplexacion por division de longitudes de onda (WDM-Wavelength Division

Multiplexing) de fibra optica modernos, ya que pueden cumplir con los requisitos de

ancho de banda de rapido crecimiento [1].

El uso de la fibra optica y su tecnologıa esta siendo utilizada en las redes de

acceso teniendo un creciendo muy rapido con el fin de satisfacer la demanda de los

clientes. Las redes opticas pasivas (PON) se ha considerado como una solucion para

las redes proxima generacion en el acceso de banda ancha. Las redes tıpicas PON

conecta una sola fibra de un terminal de lınea optica (OLT) a multiples unidades de

red optica (ONUs) [2].

Algunos sistema opticos utilizan fuentes de luz de banda ancha (luz incoherente)1,

1Luz incoherente: Fuentes incoherentes emiten luz con cambios frecuentes y aleato-rios de fase entre los fotones. http://www.schoolphysics.co.uk/age16-19/Waveproperties/

13

http://www.schoolphysics.co.uk/age16-19/Wave properties/Wave properties/text/Coherent and incoherent/index.html


Capıtulo 1. Generalidades 14

como los LED y la emision espontanea amplificada (ASE) proveniente de amplifica-

dor de fibra dopada de erbio (EDFA) el cual se benefician de implementacion simple

y de bajo costo permitiendo transmision de senales opticas [4]. El uso de estas fuen-

tes opticas da campo a algunos dispositivos pasivos como filtros, multiplexores y

demultiplexores el cual son los componentes esenciales de cualquier sistema WDM

que requieren un mecanismo de longitud de onda [1].

Las redes PON tiene el potencial de traer fibras opticas a la casa en una tecnologıa

llamada FTTH (Fiber To The Home). FTTH propone la utilizacion de fibra optica

hasta la casa del usuario o cliente de fibra (usuario final). Como es ampliamente

aceptado, FTTH es capaz de soportar los proximos servicios multimedia interacti-

vos [3], y hoy en dıa los operadores tienen previsto sustituir los sistemas basados en

telefonıa existente o sistemas de cable por fibra optica.

Es por ello que el objetivo de esta investigacion radica en analisis y estudio de las

redes de acceso tipo WDM-PON con el fin de llegar a un diseno de una de estas redes,

basados en la utilizacion de fuentes de luz de banda ancha que permitan evidenciar

una solucion eficiente y de bajo costo, haciendo utilizacion de algunos dispositivos

pasivos que permiten que la tecnologıa de la fibra optica llegue al usuario final a un

menor costo. Esto con el fin de encontrar una solucion que permitan obtener presta-

ciones similares a las tecnologıas actuales haciendo uso de del ranurado espectral de

una fuente de luz incoherente .

1.2. Planteamiento del problema

Las redes PON se basan en un esquema, llamado bucle fotonico pasivo [1], en

donde la oficina central (CO) contiene N transmisores que emiten longitudes de on-

da y N receptores que operan en longitudes de onda para una red de suscriptores

en especial. Las senales para cada suscpriptor son transportadas en longitudes de

onda separadas en donde un nodo remoto demultiplexa las senales para los clientes

Waveproperties/text/Coherentandincoherent/index.html

































individuales con la gran facilidad de que este nodo al ser pasivo requiere poco man-

tenimiento si se utilizan componentes WDM pasivos [6].

Figura 1.1: Arquitectura de bucle fotonico pasivo [6]

Los sistemas tradicionales WDM tienen multiples laseres transmisores que ope-

ran a diferentes longitudes de onda, el cual deben tener una longitud seleccionada

para el funcionamiento de cada canal. Esto hace que la complejidad de la arqui-

tectura de una red y el costo sea mayor en comparacion a las tecnologıas que por

medio de una sola fuente de luz optica generan diferentes portadoras para la trans-

mision de datos. Es de importancia destacar que las prestaciones de esta tecnica no

pueden ser mejores que tener un laser para cada canal pero si son lo suficientemen-

te capaces para mantener un trafico similar en los mismos entornos de comunicacion.

Es por esto que se propone el desarrollo de un diseno y analisis de una red acceso

tipo WDM-PON que por medio de una fuente de luz de banda ancha como el LED

o la luz ASE, permita particionar su espectro en frecuencia para diferentes canales,

proporcionando distintas longitudes de onda de una manera mucho mas eficiente y

aun menor costo, dado de que existen dispositivos pasivos que pueden ser utilizados

como multipliexores y filtros opticos que hacen posible el desarrollo de este diseno

con esta metodologıa poco convencional. Esta propuesta reducirıa costos significa-

tivamente permitiendo ası que tecnologıa de la fibra optica sea de facil acceso para

cualquier usuario que requiera transmision de datos de todo tipo.


1.3. Justificacion

Principalmente la base del estudio radica en la necesidad de encontrar una so-

lucion que reduzca la complejidad de la arquitectura de una red y minimice costos

simplificando de una manera eficiente la forma en la que se genera una longitud de

onda para un determinado canal en una infraestructura de red de acceso WDM-

PON, de tal manera que con dispositivos pasivos como los son los AWGs (Arrayed

Waveguide Grating) que en esencia son un arreglo de rejillas de guıas de onda, se

pretendera disenar y analizar una red de acceso por medio de la particion del espec-

tro en frecuencia de una fuente de luz incoherente que permita obtener diferentes

longitudes de onda en lugar de tener un laser para cada canal, ya que al hacer el uso

de las fuentes de banda ancha se reducen costos considerablemente.

1.4. Objetivos y Estructura de la Investigacion

1.4.1. Objetivo General

Analizar y disenar un red de acceso tipo WDM-PON por medio de la tecnica

de particionamiento espectral de una fuente de luz de banda ancha haciendo uso de

arreglos de rejillas de guıas de onda AWGs.

1.4.2. Objetivos Especıficos

Indagar los sistemas que se utilizan actualmente y las tecnologıas similares con

el fin de determinar las caracterısticas existentes que tienen con el diseno que se

plantea para evidenciar las diferencias y ası establecer ventajas y desventajas

del diseno a realizar.

Analizar como se particiona el espectro en frecuencia de una fuente de luz de

banda ancha con el fin de aplicar esta metodologıa en un diseno de red acceso

para un sistema sistema WDM-PON.

Investigar y Analizar el funcionamiento del AWG ya que es un dispositivo

que se basa en un arreglo de rejillas de onda que ya bien sea se utiliza como

multiplexor o filtro optico.


Validar mediante simulacion las prestaciones del particionado espectral para

redes de acceso WDM-PON mediante algun software que permita evidenciar y

validar el modelo que se plantea.

1.5. Metodologıa para la Investigacion

Para el desarrollo de la investigacion se realizaran 4 etapas de trabajo, las cuales

se explican a continuacion

Fase 1: Como primera medida se analizara como se encuentran las tecnologıas

que utilizan sistemas WDM-PON y la infraestructura necesaria para su funcio-

namiento con el fin de poder establecer en que contexto se desenvuelven para

el proyecto a realizar y el potencial que se tiene para implementar el modelo

de estudio.

Fase 2: Se investigara en que consiste todo el desarrollo matematico y el fun-

cionamiento de la tecnica de particionamiento espectral, con el fin establecer

el modelo que se implementara a las redes de acceso WDM-PON para precisar

por medio del estado del arte cada una de la directrices necesarias y adicio-

nalmente a esto ayudar a complementar la investigacion con los conocimientos

previos aprendidos durante la carrera.

Fase 3: Con base en el estado del arte y al planteamiento matematico se

disenara el sistema WDM-PON para un red de acceso tomando como principio

la asignacion de canales por medio de la tecnica de particionamiento espectral

de una fuente de luz de banda ancha y teniendo como referente el esquema de

la figura 1.2 para la utilizacion de los AWGs.

Fase 4: Como parte final se implementara el diseno teorico realizado usando

una herramienta de simulacion, con el fin de validar los resultados teoricos

con los arrojados computacionalmente evaluando parametros como dispersion

cromatica, ruido, tasa de error de bit, velocidad de transmision y atenuacion

con el fin de definir una viabilidad de la propuesta.


Figura 1.2: Arquitectura para el particionamiento espectral [4]

1.6. Alcances y Limitaciones

1.6.1. Alcances

La magnitud del proyecto radica en dejar abierta la posibilidad de que los

sistemas WDM-PON sean implementados por medio de tecnologıas mucho mas

eficientes con respecto a las actuales en cuanto a la generacion de longitudes

de onda. Adicionalmente con base en la simulacion se espera evidenciar que

las prestaciones por medio de la tecnica de particionamiento espectral, revelan

rendimientos similares en comparacion a las tecnologıas existentes para las

redes de acceso.

La facultad de demostrar que la tecnologıa a utilizar hacia el usuario final

implica un menor costo que podrıa permitir el facil acceso a todo tipo de clientes

por medio de la utilizacion del particionamiento espectral de una fuente de luz

no coherente.

1.6.2. Limitaciones

En esencia la limitacion que se tiene es la carencia de equipos que permitan

implementar a pequena escala una red WDM-PON que proporcione una perspectiva

mas practica, por lo tanto se simulara el diseno del sistema para la generacion de

longitudes de onda.

Capıtulo 2

Conceptos Basicos en Redes de

Acceso

Una red de acceso se puede describir como una red de usuario que conecta sus-

criptores a un proveedor de servicio particular, en donde cada usuario puede recibir

y transmitir informacion a cualquier otro host de la red en todo momento [1], permi-

tiendo ası tener diferentes tipos de redes de acceso tales como Ethernet LAN, LANs

inalambricas, redes de fibra optica WDM y ADSL (Asymmetric Digital Subscriber

Line) [13].

En las redes de acceso tipo WDM-PON existen elementos claves que hacen posible

el despliegue de la red en un entorno de comunicacion con un alta tasa de transmision

de datos. Estos elemento son fundamentales dentro de la investigacion y es por ellos

que se dedicara este capıtulo como base teorica del desarrollo investigativo del trabajo

a realizar.

2.1. Fibra Optica

La fibra optica es utilizada como canal de comunicacion en sistemas donde se

utilizan senales de luz para la transmision de datos. La historia de esta conlleva

toda una serie de experimentos conocidos por primera vez en 1854 al guiar luz en

fibras causando fenomenos de reflexion total interna [12]. En sus primeros intentos

de transmision de senales de luz no se consideran factibles para fines de comunica-

19

Capıtulo 2. Conceptos Basicos en Redes de Acceso 20

ciones debido a la existencia de altas perdidas en ese momento, solo hasta 1970 en

donde por primera vez se obtienen perdidas menores de 20 dB/km. Todo este avance

tecnologico en la obtencion de fibras con bajas perdidas llevo a una revolucion en el

campo de la tecnologıa de ondas de luz dando inicio a la era de las comunicaciones

opticas.

La estructura basica de la fibra consiste en un nucleo cilındrico de vidrio de

dioxido de silicio rodeado por un revestimiento cuyo ındice de refraccion es menor

que en el nucleo [1], [16]. Debido al indice existente entre la interfaz del nucleo y

el revestimiento, se pueden denominar dos tipos de fibras. Uno de ella es la fibra

de salto de indice debido a que existe un cambio abrupto en la interfaz de nucleo-

revestimiento y la otra es denominada fibra de indice gradual ya que el indice de

refraccion disminuye gradualmente en el interior del nucleo. En la siguiente imagen

se muestra esquematicamente el perfil del ındice y la seccion transversal de los dos

tipos de fibras.

Figura 2.1: Seccion transversal y perfil del ındice de refraccion de las fibras de saltode ındice y de ındice gradual. [16]

Otra particularidad que permite diferenciar los tipos de fibras son las carac-

terısticas inherentes a los numeros de modos que transmiten. Las fibras en las que se

transmiten solo un modo de propagacion son denominadas fibras monomodo, estas

fibras suelen tener nucleos de entre 2µm y 10µm y su unico modo permitido es el

LP01 [30]. Otro tipo de fibra son las multimodo, que suelen tener nucleos de 50µm


de diametro o mayores que su vez permiten la transmision de varios modos.

Figura 2.2: Fibra multimodo y monomodo [16]

El numero de modos soportados por una fibra optica multimodo esta relacionada

con la frecuencia normalizada V que se define de la siguiente manera:

V = k0a ∗√

(nnucleo)2 − (nrevestimiento)2 (2.1)

donde k0 = 2π/λ, a es el radio del nucleo, y λ es la longitud de onda de la

propagacion de la luz en el vacıo. Por lo tanto el numero de modos m, esta dado por

la siguiente expresion aproximada.

m ≈ 1

2V 2 (2.2)

Un modo en una fibra optica corresponde a una de posible manera de muchas

en que una onda puede propagarse a traves de la fibra. Tambien se puede ver como


una onda estacionaria en el plano transversal de la fibra. Mas formalmente, un modo

corresponde a una solucion de la ecuacion de onda que se deriva de las ecuaciones

de Maxwell y esta sujeta a condiciones de contorno impuestas por la guıa de ondas

de fibra optica [16].

2.2. Passive Optical Network

Una red PON es considerada un sistema de comunicaciones por fibra optica en

el que se establece una comunicacion punto-multipunto entre un router central de-

nominado OLT (Optical Line Terminal) terminal optico de lınea y los equipos en

campo ONT (optical Network Terminal) terminal optico de red [9]. Dependiendo de

donde termina la red PON, el sistema puede ser descrito como la fibra hasta la acera

( FTTC ), fibra hasta el edificio-(FTTB), o fibra hasta el hogar ( FTTH ) [25]. El

hecho de ser pasiva es determinado por el hecho de que la transmision optica no tiene

requisitos de energıa o componentes electronicos activos una vez que la senal se va a

traves de la red [9].

Figura 2.3: Arquitectura de una PON [9]

La ventaja de este tipo de redes es que solo se necesitan equipos activos en los

extremos. Para guiar el trafico intermedio en la red se usan divisores opticos pasi-

vos, que reparten la senal por las fibras que se dirigen a cada punto de conexion.

En el camino descendente el OLT envıa la informacion a todos los ONT, de forma

punto-multipunto, procesando cada uno de ellos la informacion que le corresponde.

En el camino ascendente cada ONT envıa la informacion hacia el OLT, mediante


multiplexacion por division en el tiempo.

De esta forma todas las comunicaciones se realizan por un solo par de fibras has-

ta el divisor optico, donde sale una fibra hasta cada ONT, cada usuario. El divisor

optico pasivo es un elemento sencillo, sin elementos que requieran alimentacion ni

elementos moviles, que se puede ubicar en campo en un armario sin ninguna limita-

cion especial [10].

A traves de los anos, se han desarrollado varios estandares PON. A finales de

1990, la Union Internacional de Telecomunicaciones (UIT) creo el estandar APON,

que utiliza el modo de transferencia asıncrono (ATM) para la transmision de paquetes

de larga distancia. Una version mas reciente fue creada con el nombre de la red PON

de banda ancha, o BPON. Designado como UIT-T G.983, este tipo prevista en 622

Mbps de bajada y 155 Mbps en sentido ascendente. Mientras BPON todavıa puede

ser utilizado en algunos sistemas, la mayorıa de las redes actuales utilizan GPON, o

Gigabit PON. El estandar ITU-T G.984 designa que este estar trabaja a 2.488 Gbps

de bajada y 1.244 Gbps de subida [25].

2.2.1. BPON

Es un estandar basado en APON. Se anade soporte para WDM, dinamico y

asignacion de ancho de banda ascendente mas alto, y capacidad de supervivencia.

Tambien se creo una interfaz de gestion estandar, llamado OMCI, entre la OLT y

ONU / ONT, permitiendo a las redes mixtas de proveedores.

2.2.2. GPON

GPON utiliza multiplexacion por division de longitud de onda (WDM) por lo

que una sola fibra puede ser utilizado tanto para datos de subida y bajada. Un laser

de una longitud de onda de 1490 nm transmite datos de bajada, los datos en sentido

ascendente se transmiten en una longitud de onda de 1310 nm. Si la television esta

siendo distribuida, se utiliza una longitud de onda de 1550 nm [10].


Figura 2.4: Arquitectura de una GPON [9]

2.2.3. EPON

El Instituto de Ingenieros Electricos y Electronicos (IEEE) ha desarrollado otro

estandar PON mas reciente. Con base en el estandar Ethernet 802.3, EPON 802.3ah

en el cual se especifica una red pasiva similar con un alcance de hasta 20 km. Utiliza

WDM con las mismas frecuencias opticas como GPON y TDMA. La velocidad de

datos es de 1,25 Gbits en ambas direcciones descendente y ascendente. A veces la

red es conocida como Gigabit PON Ethernet o GEPON.

EPON es totalmente compatible con otros estandares de Ethernet, por lo que

es necesaria ninguna conversion o encapsulacion al conectarse a redes basadas en

Ethernet en cada extremo. El mismo marco de Ethernet se utiliza con una carga util

de hasta 1518 bytes. EPON no utiliza el metodo de acceso CSMA / CD utilizado

en otras versiones de Ethernet. Desde que Ethernet es la tecnologıa de red principal

que se utiliza en redes de area local (LAN) y ahora en redes de area metropolitana

(MAN), no es necesaria ninguna conversion de protocolo [10].

2.2.4. WDM-PON

Un diseno WDM-PON se puede utilizar para separar las unidades opticas de la

red (unidades ONU) en varias conexiones virtuales de punto a punto sobre la mis-


ma infraestructura fısica, una caracterıstica que permite un uso eficiente de la fibra

en comparacion con Ethernet. Ademas de ello se pueden evidenciar prestaciones de

punto a punto con latencia mas baja que los enfoques basados en TDM. Una ventaja

notable de este enfoque es la combinacion de alta capacidad, de alta seguridad, y el

alcance optico mas largo.

La arquitectura es algo similar a la de EPON y GPON; en lugar del enfoque de

divisor de energıa utilizado en arquitecturas TDM-PON, WDM-PON utiliza una red

de difraccion de guıas de onda (AWG) que separa las longitudes de onda para la

entrega individual a las unidades ONU del abonado [18].

Figura 2.5: Arquitectura de una WDM-PON [8]

2.3. Transmisores Opticos

En comunicaciones opticas existen elementos encargados de convertir las senales

electricas en forma optica, emitiendo radiacion de luz en la region del espectro co-

rrespondiente a las longitudes de onda opticas. Estos elementos transmisores permite

que la luz sea inyectada dentro de la fibra con caracterısticas especiales en la que

se despliegue el sistema de comunicacion [5]. Un transmisor optico se compone de

una fuente optica, un modulador, y un acoplador de canal [1] como se muestra en el

siguiente diagrama de bloques:

Cuando las fuentes de luz forman parte de un sistema de comunicacion es reque-

rido que se cumplan algunas propiedades como las siguientes [5]:

Potencia necesaria para contrarrestar las perdidas del medio de transmision


Figura 2.6: Diagrama de bloques de un transmisor optico [1]

de tal manera que a radiacion alcance el receptor con un nivel superior a la

sensibilidad de este.

Que la emision este dirigida a las longitudes de onda de interes (por ejemplo,

en las ventanas de operacion de las fibras opticas).

Anchura espectral reducida, a fin de minimizar la dispersion cromatica.

Estabilidad y fiabilidad,

Costo razonable dentro del proyecto de viabilidad economica del sistema en el

que vaya a ser integrado.

Estas fuentes de luz emplean semiconductores tales como diodos emisores de luz

(LEDs) y los diados laser (LDs), por las amplias ventajas que ofrecen. La eleccion

entre los LEDs y LDs depende de la aplicacion y la configuracion en que vayan a

utilizarse. Por ejemplo los LEDs se prefieren para aplicaciones de interior de corta

distancia. Estos emiten un haz amplio, que no requiere una cuidadosa alineacion

del receptor y el transmisor, ademas de que son generalmente mas baratos y mas

robustos a los danos que los diodos laser. Por el contrario los LD, el haz de emision

es estrecho, esto significa que la potencia optica por unidad de area es mayor permi-

tiendo distancias de transmision mas largas, con la desventaja de que son sensibles

a las variaciones de temperatura que modifican su emision espectral [26]. A conti-

nuacion se muestra una tabla comparativa de las caracterısticas de cada uno de estos


Figura 2.7: Tabla comparativa LED vs LD [26]

2.3.1. LED

Este dispositivo semiconductor que al pasar una corriente por el emite luz incohe-

rente, a traves de emision espontanea, tiene diferentes tipos basicos usados para los

sistemas de comunicacion con fibra optica Los cuales son el LED de emision superfi-

cial (SLED), el LED emisor de borde (ELED), y el diodo super luminiscente (SLD)

[23].

ELED

Este tipo de LED presenta una superficie emisora de luz semejate a una tira

estrecha en el mismo plano de la union p-n, consiguiendo ası que la luz radie de

forma transversal haciendose mas directiva y las perdidas de acoplamiento a la fibra

sean menores.

SLD

Su particularidad radica en que una de sus caras por donde va a salir la luz es

tallada y tiene una cierta capacidad de reflexion, la otra cara no es tallada, de manera

que el efecto laser no se presenta pero hay una cierta amplificacion.

SLED

Este tipo de LED fue desarrollado para aplicaciones con necesidades altas de

velocidad de transmision (mayores a 100Mbps). Este tipo de LED emite luz en


muchas direcciones pero concentrando la luz emitida en un area muy pequena, lo que

se conoce como diodo de Burrus. Son mas eficientes que los anteriores y permiten que

se acople mas potencia en la fibra optica. Sin embargo, son mas costosos y difıciles

de elaborar.

2.3.2. LD

Este dispositivo semiconductor que emite luz monocromatica y coherente por

el proceso de emision estimulada [7], permite tener a la salida potencias mayores,

menores anchos espectrales y haces de luz mas directivos que en los LED [23]. Existe

cuatro tipos principales de laseres que son los siguientes:

DIODO LASER FABRY PEROT

Este diodo laser esta constituido por dos espejos en los extremos de la guıa,

constituyendose en una cavidad resonante en donde la luz es reflejada y vuelta a

reflejar entre los dos espejos a ambos lados del semiconductor, presenta algo de

inestabilidad en la potencia de salida y se utiliza para la transmision de datos en el

retorno.

VCSEL (VERTICAL-CAVITY SURFACE-EMITTING LASER)

El laser emisor de superficie de cavidad vertical posee espejos resonadores arriba

y abajo de la capa activa, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la

juntura y emerja a traves de un area circular en la superficie. Posee menor corriente

de umbral a la cual se presenta el efecto laser, ademas consume poca potencia y tiene

mayor tiempo de vida util. Se usa comunmente con la fibra multimodo.

DFB (DISTRIBUTED FEEDBACK LASER)

En el laser de retroalimentacion distribuida la red de difraccion se distribuye a lo

largo de todo el medio activo. La longitud de onda de la red determina la longitud

de onda emitida por el laser, en una lınea muy fina del espectro.


DBR (DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR)

El reflector de Bragg distribuido, en este dispositivo la red de difraccion esta fuera

de la zona activa, en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad). Los

diodos DFB y DBR son utilizados en fibras monomodo y son sensibles a variaciones

de temperatura.

2.4. Receptores Opticos

Los receptores opticos utilizan semiconductores como fotodiodos o fotodetectores

para convertir las senales opticas en senales electricas. Los fotodiodos de silicio se

utilizan para enlaces de longitud de onda corta. En sistemas de longitud de onda

larga suele utilizar InGaAs (arseniuro de galio e indio), ya que tienen detectores

de ruido mas bajo que el germanio, lo cual permiten que los receptores sean mas

sensibles [11]. Se componen de un acoplador, un fotodetector, y un demodulador

como se muestra continuacion:

Figura 2.8: Diagrama de bloques de un receptor optico [1]

Existen algunas particularidades basicas que un fotodetector debe reunir con el

fin de ser apto para su aplicacion en los sistemas de comunicaciones opticas como

las siguientes [5]:

Elevada sensibilidad.

Capacidad de absorcion de radiacion a las longitudes de onda de interes (por

ejemplo, en las ventanas de transmision de las fibras).


Alta velocidad de respuesta.

Comportamiento lineal.

Tension de alimentacion moderada y, a ser posible, compatible con los valores

propios de los restantes circuitos de comunicaciones.

Tamano reducido, adaptado al tamano de las fibras y otros elementos del sis-

tema, estabilidad frente a cambios en las condiciones ambientales y fiabilidad.

En las diferentes configuraciones para los fotodiodos, existen caracterısticas espe-

cificas. A continuacion se describiran aquellos fotodetectores comunmente utilizados

en receptores opticos.

2.4.1. Fotodiodo P-N

Este fotodiodo se puede definir como una union p-n en la que la corriente inversa

aumenta con el flujo de fotones incidente. Los fotones pueden ser absorbidos en toda

la estructura, pero aquı aparece el efecto de la union de forma que existe un campo

electrico intenso en la zona de la union con la direccion np que es capaz de separar

los pares de portadores generados rapidamente, disminuyendo ası la probabilidad de

que se produzcan recombinaciones que impidan la contribucion a la fotocorriente

[29].

2.4.2. Fotodiodo P-I-N

Es un fotodiodo con una region intrınseca (es decir, sin dopar) entre los extremos

de regiones dopadas con materiales tipo N y tipo P. La mayor parte de los fotones son

absorbidos en la region intrınseca, y los portadores generados en ella puede contribuir

eficazmente a la fotocorriente [24]. El diodo PIN tiene una mayor area en la cual se

pueden generar los pares electron hueco debido al efecto fotoelectrico. Por esta razon,

y debido a su alta velocidad de respuesta, muchas veces se utilizan fotodetectores

PIN para aplicaciones optoelectronicas [28].


2.4.3. Fotodiodo de Avalancha APD

Los fotodiodos de avalancha (APD, Avalanche Photodiode) son fotodetectores

especialmente disenados para medir luz de muy baja intensidad. En los APD la luz

externa incide en una zona intrınseca, generando portadores libres, al igual que en un

fotodiodo PIN. Pero estos portadores son luego acelerados por un campo electrico

muy intenso, provocando un efecto de “avalancha” debido al cual cada portador

original es acelerado y al chocar con la red provoca la creacion de nuevos portadores

[28].

2.5. Particionamiento Espectral

En los sistemas WDM-PON se han propuesto varias soluciones para reducir cos-

tos y complejidad y una de ellas ha sido el particionamiento espectral de una fuente

de luz incoherente de banda ancha. fuentes tales como un diodo emisor de luz (LED)

o un ASE de un amplificador de fibra dopado con erbio (EDFA) han ganado gran

atencion [3]. Las fuentes de luz de banda ancha se utilizan como transmisores y la

longitud de onda para cada suscriptor se asigna por la particion del espectro de un

AWG.

Para aumentar la potencia de todo el sistema se prefiere una anchura mayor de

cada particion, pero eso llevara a una penalizacion de dispersion cromatica mas alta

dependiendo de la longitud del enlace hasta el OLT. Una anchura mas pequena de la

particion no solo reducira la potencia de todo el sistema, sino que tambien aumen-

tara el exceso de ruido inherente a las inestabilidades de la distribucion espectral del

LED [3]. Por lo tanto existe una anchura optima de cada particion que depende de

la longitud de la fibra. En un ejemplo para un sistema de 1.244 Gbps y un espectro

de LED centrada a 1.550 nm, la figura 2.9 muestra como la penalizacion del receptor

OLT depende del ancho de corte de varias longitudes del enlace, y por lo tanto como

el ancho optimo particionado varıa con la longitud de la fibra [22].

El principio de la idea basica se ilustra en la figura 2.11 en donde una fuente de luz


Figura 2.9: Dependencia de la penalizacion del receptor de terminal de lınea opticade ancho de corte espectral para diversas longitudes de fibra [22]

de banda ancha se despliega en la ONU, de la cual la anchura espectral FWHM1 es

al menos igual a la banda de longitud de onda del sistema WDM-PON [3]. El router

de longitud de onda situada en el punto de division de la PON realiza el filtrado de

paso de banda de cada enlace de fibra a una ONU, y toma un trozo especıfico para

cada una de ellas fuera del espectro del LED. Por lo tanto, no se necesita control de

longitud de onda exacta, lo que facilita el diseno de la ONU.

Figura 2.10: Particionamiento espectral [22]

1 FWHM: La Anchura a media altura, abreviada (del ingles Full Width at Half Maximum) esuna medida de la extension de una funcion, que viene dada por la diferencia entre los dos valoresextremos de la variable independiente en los que la variable dependiente es igual a la mitad de suvalor maximo.La FWHM se aplica a fenomenos tales como la duracion de un pulso y la anchuraespectral de fuentes utilizadas para comunicaciones opticas y la resolucion de espectrometros.


2.5.1. Fuentes de Luz de Banda Ancha

La fuentes de banda ancha se basan en un proceso llamado emision espontanea,

que consiste principalmente en el hecho de que un electron se recombina con un hueco

sin la presencia de fotones en uniones p-n directamente polarizadas. De igual forma

para los diodos laser se inyectan electrones y huecos en la zona activa polarizandolo

directamente. Para bajos niveles de inyeccion, estos electrones y huecos se recombi-

nan de forma radiante mediante el proceso de emision espontanea y causando aso

emision de fotones. Sin embargo, la estructura del diodo laser esta disenada para que

a altos niveles de inyeccion el proceso de emision venga determinado por la emision

estimulada. La emision estimulada permite obtener una alta pureza espectral de la

senal, fotones coherentes y una alta velocidad de respuesta [32].

Figura 2.11: Particionamiento espectral [32]

Por este motivo el hecho de producir emisiones espontaneas estan relacionadas

con un menor costo. Las fuentes de luz de banda ancha que se basan es este principio


son el diodo emisor de luz (LED) y las emisiones espontaneas amplificadas (ASE)

producto de una amplificacion optica, esta segunda permite tener niveles mayores de

potencia debido a que son emisiones provenientes de un medio de ganancia como por

ejemplo un EDFA a la que se le es inyectado una emision de un laser causando luz

no coherente. La eleccion se hace por la luz ASE debido a que al hacer el ranurado

espectral se debe tener un buen nivel de potencia para cada portadora optica dado

de que debera tener prestaciones similares un laser DFB.

Capıtulo 3

Conceptualizacion y Analisis de

AWG

En los ultimos anos la red de difraccion basada en una agrupacion de guıas de on-

da (AWG- Arrayed Waveguide Gratings), tambien conocida como red en fase optica

(PHASAR) o enrutador de red de guıa de onda (WGR), se ha convertido cada vez

mas popular como un multiplexor y demultilexor de longitud de onda para DWDM

y aplicaciones de muy alta densidad de longitud de onda (VHDWDM). Esta popu-

laridad se debe en gran parte al hecho de que los dispositivos basados en AWGs

han demostrado ser capaces de demultiplexar un elevado numero de senales opticas

(transmitir la informacion a diferentes longitudes de onda) con bajas perdidas rela-

tivamente. Una ventaja adicional del AWG es que pueden ser incluidos en sistemas

de manejo mas complejos, tales como los OADMs (Optical Add Drop Multiplexers).

Es por ello que hoy en dıa para el diseno de redes se prefiere utilizar demultiple-

xores integrados con bajas perdidas de insercion y esto se hace posible por medios

estos dispositivos [1]. Su utilizacion ha llamado en gran medida la atencion ya que

pueden ser fabricados por medio de Silicio, Fosfuro de Indio (InP ) o Niobato de Litio

(LiNbO3). La demostracion de la idea basica se hizo en 1996, en donde se operaron

de manera simultanea 18 longitudes de onda (separadas por 0,8 nm) por medio de

un AWG interno en un cavidad laser [14]. La figura 4.11 muestra el diseno de laser

de forma esquematica en donde la emision espontanea del amplificador situado en el

35

Capıtulo 3. Conceptualizacion y Analisis de AWG 36

lado izquierdo es ingresada en el AWG permitiendo obtener 18 bandas espectrales

por medio de la tecnica de particionamiento espectral. El arreglo del amplificador

en el lado derecho amplifica selectivamente el conjunto de 18 bandas, dando como

resultado un laser que emite en varias longitudes de onda simultaneamente.

Figura 3.1: Esquematico de un laser WDM hecho mediante la integracion de un AWGen el interior de la cavidad laser [14]

3.1. Operacion Basica

Un AWG consta de una serie de guıas de onda denominadas red en fase y dos

acopladores llamados region de propagacion libre (FPR), en donde una de las guıas

de ondas de la entrada lleva una senal optica que consta de multiples longitudes hacia

el primer acoplador, para luego distribuir la luz entre un conjunto de guıas de ondas.

La luz posteriormente se propaga a traves de las guıas de onda hasta llegar al segundo

acoplador. La longitud de estas guıas de ondas se elige de manera que la diferencia

de longitud de la trayectoria optica entre las guıas de ondas adyacentes, dL sea igual

a un multiplo entero de la longitud de onda central λc del demultiplexor [31]. Las Ni

guıas de entrada (Input Waveguides IWs), Ng guıas en el agrupamiento intermedio

(Arrayed Waveguides AWs) y No guıas de salida (Output Waveguides OWs) son

agrupaciones que esta unidas por los FPR [17]. Los FPR tienen la particularidad

de que no desfasan el campo a su salida debido a que su geometria es tal que su

superficie de salida coincide con el plano focal. Debido a que cada guıa del AW tiene


diferente longitud, el campo sufre un desfase dependiente de la frecuencia al entrar

en la segunda zona de libre propagacion FPR2 de manera que, a la salida, cada

frecuencia se focaliza en una guıa diferente.

awgmadrid historiawg awgtot noteawg

Figura 3.2: Esquematico de un AWG en su interior [31]

3.2. Conceptualizacion

3.2.1. Convergencia focal

Existe una magnitud fısica que mide la capacidad de una lente o de un espejo

para hacer converger o divergir un haz de luz incidente, esa magnitud es llamada

convergencia focal y en los AWGs se obtiene por la eleccion de la diferencia de

longitud ∆L entre el arreglo de guıas de onda adyacente igual a un numero entero

de longitudes de onda [27].

∆L = mλcNg

=mc

Ngfc(3.1)

En donde m es el orden del arreglo en fase, λc(fc) es la longitud de onda central (la

frecuencia) en el vacıo y Ng es el ındice efectivo del modo de guıa de ondas. Con

esta eleccion de arreglo este actua como una lente con la imagen y el objeto plano

a una distancia Ra de las aberturas del conjunto. La lınea focal de un montaje tal,


que define el plano de la imagen, sigue un cırculo de radio Ra/2 como se muestra en

la Figura 3.3. Transmisor y receptor de guıas de onda se deben colocar en esta lınea.

Figura 3.3: Geometrıa del lado del receptor [27].

3.2.2. Dispersion y Region de Libre Propagacion

Como se muestra en la figura 3.3, el angulo de dispersion resultante de una

diferencia de fase entre guıas de onda adyacentes se podrıa definir de la siguiente

manera:

θ = sin((∆Φ −m2π)/βFRP

da) ≈ ∆Φ −m2π

daβFRP(3.2)

En el que ∆Φ = β∆L, β y βFRP son las constantes de propagacion del modo de guıa

de onda y el modo del acoplador en la region de propagacion libre (FPR), respecti-

vamente, y da es el espaciado lateral (en lıneas de centro) de las guıas de ondas en

la abertura del arreglo.

La dispersion D de la matriz se describe como el desplazamiento lateral dS del

punto focal a lo largo del plano de la imagen por la unidad de cambio de frecuencia.


D =dSdf

= Radθdf

=1

fc

Ng

NFPR

∆L

∆α(3.3)

En el cual fc = c/λc es la frecuencia central, NFPR es el modo de ındice en la region

de propagacion libre, ∆L es el incremento de la longitud de las guıas de onda del

arreglo como se ha descrito antes, ∆α = da/Ra es el angulo de divergencia entre

las guıas de onda de la matriz en las secciones del abanico de entrada y abanico de

salida , y Ng es el ındice de grupo del modo de guıa de onda [27].

Ng = Ng + fdNg

df(3.4)

3.2.3. Rango Espectral Libre y Anchura Total a la Mitad

del Maximo

El perıodo en el dominio de la frecuencia, mostrado la Figura 3.4 es llamado

rango espectral libre (FSR), el cual es el rango espectral entre dos bandas de paso

sucesivas del AWG. Estas cantidades determinan el numero de longitudes de onda

disponibles y la capacidad del canal junto a la FWHM [27].

Figura 3.4: Representacion de FSR

Este valor se define como el desplazamiento de frecuencia para que el cambio de

fase ∆Φ es igual a 2π.


2π∆fFSRc

Ng∆L = 2π (3.5)

En donde se llega que

∆fFSR =c

Ng∆L=fcm′

(3.6)

El ancho total a la mitad del maximo (FWHM) es una medida de la anchura

completa de una banda de paso entre los puntos donde la funcion de transferencia

es la mitad de su maximo. Esta expresion esta dada de la siguiente forma:

FWHM =2 ∗

√ln(2)ω0∆f

dL(3.7)

En donde ω0 es el valor del tamano de punto que hace refencia a la mitad de

anchura en 1/e2 de potencia maxima. Este valor es generalmente 30 porciento de la

separacion entre canales.

3.2.4. Aplicaciones

El AWG provee cuatro escenarios basicos de estudio en donde se puede aplicar.

Puede funcionar como un simple multiplexor N x 1 y un demultiplexor N x 1. Como

un multiplexor de insercion / extraccion ( add/drop multiplexer - ADM) para el cual

lleva a cabo tanto la multiplexacion y demultiplexacion de forma simultanea y final-

mente tambien puede utilizarse como un router de longitud de onda de interconexion.

Las cuatro funciones se resumen en la Figura 3.7. Como enrutador de longitud de on-

da se pueden emplear en topologıas red como en estrella mientras que el ADM es muy

adecuado para aplicaciones de longitud de onda dirigida en redes en anillo o bus [15].

La estructura convencional de un ADM se basa en un demultiplexor 1 x N y un

multiplexor N x 1. Tanto demultiplexor y el multiplexor deberan ajustarse cuida-

dosamente a fin de tener respuestas de longitud de onda identicas. En el articulo

[27] fue propuesto un ADM con 15 canales de add-drop constituido por medio de

una AWG 16 x 16, con trayectorias opticas de retorno de bucle que conectan cada

puerto de salida con su puerto de entrada correspondiente. Un puerto de entrada y

su puerto de salida correspondiente se reservan como puertos comunes para la lınea


Figura 3.5: Topologias de aplicaciones AWG [15].

de transmision de longitudes de onda. Una longitud de onda deseada λi puede ser

subida o bajada mediante la apertura de una de las vıas de alimentacion del bucle

correspondientes a λi. Los selectores de canales de longitud de onda puesden ser

llevados a cabo mediante la insercion de los amplificadores de diodos laser (LOA) en

los tramos de la fibra de alimentacion de bucle. Cualquier longitud de onda puede

ser seleccionado por la conmutacion de los LDAs on / off. Mediante el uso de un solo

AWG una dificil configuracion de las respuestas de longitud de onda puede ser evita-

do. Tambien observamos que un ADM se puede aplicar como un filtro de peine para

suprimir el ruido del amplificador de fibra optica en lıneas de transmision DWDM.

Como receptor sintonizable discretamente, un AWG se emplea como un demulti-

plexor 1 x N para separar una senal de WDM en canales individuales, que a su vez

estan acoplados a un arreglo de fotodiodos. Un AWG puede implementarse como un

filtro sintonizable discretamente / ecualizador, un laser unico o multiples frecuencias

sintonizables de forma discreta, o como un laser / filtro sintonizable de banda ancha.


En todos los casos, la senal WDM entrante se demultiplexa y se acopla a un arreglo

de conmutacion de amplificador que selecciona las longitudes de onda deseadas.

Figura 3.6: Filtro sintonizable discreto/ecualizador [15].

Existe un elemento clave en las redes WDM llamdao OXC (Optical Cross Con-

nect) el cual realiza la misma funcion que un conmutador digital electronico en las

redes telefonicas pero a nivel optico, es decir es capaz de dirigir una senal optica

desde cualquiera de sus entradas hacia cualquiera de sus salidas. un OXE de este

tipo puede ser construido con N AWGs en calidad de demultiplexores y N AWGs

en calidad de multiplexores. Los costos pueden reducirse mediante el uso de varios

puertos de entrada / salida de un solo AWG simultaneamente [15].

3.2.5. AWG en Fuentes de Luz de Banda Ancha

La salida de luz de una fuente de luz de banda ancha tiene un amplio espectro

en el rango de 10 - 100 nm. Los diodos emisores de luz (LED) son un ejemplo muy

comun y rentable de una fuente de luz de banda ancha. Debido a su relativamente

pequeno producto de ancho de banda-distancia se aplican principalmente en las ve-

locidades de datos bajas y distancias son cortas. Las potencias de salida tıpicos son

del orden de -10 dBm. Sin embargo, los diodos superluminiscencia con una potencia

de salida de la fibra monomodo de 18,0 dBm y un ancho de banda de 3 dB - 35 de

nm estan tambien disponibles comercialmente.


Figura 3.7: Esquema de OXE [15].

En sistemas de bajo presupuesto y una velocidad de transmision no muy alta

resulta una alternativa economica la particion del espectro del LED en comparacion

algunos laseres costosos. En la figura 3.8 ilustra esquematicamente el particionado es-

pectral de una senal de banda ancha LED de longitud de onda por medio de un AWG.

Figura 3.8: Representacion de Slicing en AWG [15].

En cada puerto de salida del AWG un sector diferente de la senal de entrada de


banda ancha original es recibida por los nodos, cada rebanada que lleva la misma

informacion. Por lo tanto, un LED puede ser compartido por una serie de receptores.

Capıtulo 4

Diseno de la Red de Acceso por

Medio del AWG

En una red de acceso existen elementos que hacen posible la transmision de infor-

macion en el dominio optico, todos estos elementos cumplen una funcion especifica

dentro de las directrices de una red, estableciendo algunos parametros de funciona-

miento basados en normas y estandares de organismos especializados en telecomu-

nicaciones a nivel internacional. El organismo mas importante para las Tecnologıas

de Informacion y la Comunicacion - TIC es la ITU (International Telecomunications

Union) en cual existe un sector de este mismo encargado de la estandarizacion de las

telecomunicaciones denominada ITU-T (Telecommunication Standardization Sector

of ITU) en donde establecen recomendaciones para los sistemas y medios de transmi-

sion. Dentro del enfoque del proyecto se toma como referencia las recomendaciones

G.694.1 del 2012 y G.652 del 2009, en el que establecen las caracterısticas de los

sistemas opticos y sistemas de lınea optica para redes locales y de acceso.

Los elementos que hacen parte de las PONs se describiran en la siguiente seccion

como parte fundamental del diseno y la simulacion, teniendo en cuenta presupuesto

de potencia y de ancho de banda en base a el siguiente esquema de red conforma-

do por dispositivos pasivos y agrupaciones de elementos activos para le recepcion y

transmision de informacion denominado OLTs y ONTs.

45

Capıtulo 4. Diseno de la Red de Acceso por Medio del AWG 46

Figura 4.1: Esquematico general de la red propuesta

Cada OLT esta conformada de la siguiente manera

Figura 4.2: Configuracion de componentes que conforman una OLT

Los elementos que conforman una OLT son un generador de bits pseudo-aleatorio,

un generador de pulsos NRZ y un modulador de Mach-Zehnder el cual seran debi-

damente explicados a continuacion.


4.1. Elementos de la OLT

4.1.1. Generador de Bits Speudo-Aleatorio

Existe un Modulo que genera una secuencia pseudo aleatoria binaria (Pseudo

Random Binary secuencia- PRBS) de acuerdo con diferentes modos de operacion.

La secuencia de bits esta disenado para aproximarse a las caracterısticas de los datos

aleatorios simulando una fuente de informacion de un sistema de comunicacion. Este

modulo opera de tal manera que genera un secuencia de N bits en donde se tiene lo

siguiente:

N = TwBr (4.1)

NG = N − nl − nt (4.2)

Tw es parametro global del tiempo de ventana y Br es el parametro de tasa de

bits. El numero de bits generados es NG y nl son el numero de ceros a la izquierda

y nt el numero de ceros a la derecha. Se tiene diferentes modos de operacion en las

que se puede aplicar este Modulo descritas a continuacion:

Probabilidad: Se utiliza el generador de numeros aleatorios, con el parametro

de probabilidad de Mark especificando la probabilidad de unos en la secuencia

Orden: El generador de PRBS con orden k se usa para generar una secuencia

con perıodo de 2k-1

Alternado: Se genera una secuencia alternando unos y ceros

Unos: Se genera una secuencia de unos

Ceros: se genera una secuencia de ceros

En base a lo siguiente se establece que la secuencia de bits generada sera en el

modo de Orden y que el tiempo de ventana sera de 3.413333333333e-008 s


4.1.2. Generador de Pulsos NRZ

Debido a que la informacion es transmitida por un modulo generador de secuen-

cias binarias, es necesario codificar y pasar al dominio electrico para su modulacion

y esto se hace posible por medio del modulo generador de pulsos con no retorno a

cero. En el formato NRZ el impulso se mantiene a lo largo de un tiempo de bit y

su amplitud no cae a cero entre dos o mas sucesivos bits en uno. Una ventaja del

formato NRZ es que el ancho de banda asociado con el flujo de bits es menor que la

del formato RZ en un factor de 2, simplemente porque las transiciones on-off ocurren

menos veces haciendolo un formato optimo para nuestro sistemas a plantear.

((a)) Modulo NRZ ((b)) Senales de formato NRZ Y RZ

Figura 4.3: Formato NRZ

De acuerdo al parametro Forma Rectangular que posee este modulo, se podran

producir pulsos con diferentes formas de borde. por lo tanto se establece un borde

lineal que tiene los siguientes parametros.

E(t) =

t/cr si 0 ≤ t < t1

1 si t1 < t < t2

t/cf si t2 ≤ t < T

(4.3)


Donde cr es el coeficiente de tiempo de subida y cf es el coeficiente de tiempo de

caıda. t1 y t2, son numericamente determinados para generar pulsos con los valores

exactos de los parametros de tiempo de subida y tiempo de caıda, y T es el perıodo

de bit.

4.1.3. Modulador de Mach-Zehnder

Despues de que se tiene la senal codificada en el formato NRZ en el dominio

electrico con la informacion y paralelamente la portadora optica a una frecuencia

determinada, es necesario pasar al dominio optico esta informacion por medio de un

modulador llamado Mach-Zenhder. Este modulador electro-optico permite transmitir

la informacion por modulacion externa con la frecuencia central de la portadora. El

principio basico de este elemento consiste en que la senal optica entra en una guıa de

onda con potencia Pin y esta se divide en dos haciendo que su intensidad se reparta

en la mitad. En un brazo de este se encuentran unos electrodos que permiten formar

un desfasamiento respecto con la segunda guıa de onda.

((a)) Modulo Mach-Zehnder ((b)) Estructura interna del modulador

Figura 4.4: Modulador Mach - Zehnder

Debido a que la senal optica es divida en dos, una de ella viaja sin alteraciones

pero en la otra parte debido a los electrodos experimenta una modulacion en fase

para finalmente por medio de otra union en Y superponerse con la otra guıa y ası


tener la senal modulada con un potencia de salida Pout que esta determinada por la

siguiente ecuacion:

Pout =1

2Pin +

1

2Pin cos ∆φ (4.4)

En donde ∆φ es la diferencia de fase de las ondas que viajan por los brazos del

modulador de intensidad. Este modulador es escogido debido a que es comercialmente

el mas utilizado en comunicaciones opticas y ademas de ello permite la transmision

de datos a un alta velocidad con menores perdidas por insercion no mayores a 5 dB.

4.2. Elementos de la ONT

Una ONT se conforma por una serie de elementos para la recepcion de informa-

cion despues del pasar por un tramo de distancia determinado y algunos dispositivos

pasivos para su multiplexacion y demultiplexacion. Para nuestro caso en particular

esta la conforman un fotodiodo APD, un filtro pasabajo de Bessel y un instrumen-

to para la verificacion de la informacion llamado analizador de BER. Si se quiere

una mejor reconstruccion de la informacion se hace indispensable hacer uso de un

dispositivo llamado regenerador optico 3R, que de igual manera como los anteriores

elementos se explicaran en la siguiente seccion dando en detalle algunos parametros

escogidos para el diseno y demas caracterısticas a resaltar. Cada ONT se conforma

se la siguiente manera.

Figura 4.5: Configuracion de componetes que conforman una ONT


4.2.1. Fotodetector APD

Cuando la senal optica llega a la ONT, es necesario pasarla al dominio electrico

y esto se hace posible por medio de un fotodetector. Para nuestro caso la eleccion

se hizo por el fotodiodo APD ya que son comercialmente los mas utilizados en co-

municaciones opticas y aunque los fotodetectores PIN tenga un menor costo y sean

mas simples de configurar, para el modelo que se plantea se requiere que el receptor

tenga una alta sensibilidad que puede ser obtenida por este dispositivo. .

((a)) Modulo fotodetector APD ((b)) Circuito de polarizacion

Figura 4.6: Fotodetector APD

En este dispositivo se debe tener en cuenta un parametro de configuracion que

es la corriente de oscuridad (dark current) el cual es una pequena disminucion de la

corriente proporcional a la luz recibida pero en oscuridad, por lo tanto se establece

un valor 10 nA y el otro parametro de configuracion llamado responsividad el cual

establece la eficiencia del fotodiodo en la capacidad de generar electrones con la

relacion de fotones incidentes, por lo tanto se establece un valor de 1 A/W. Por lo

cual se tiene que la potencia optica es convertida en corriente electrica por:

i(t) = is(t) + ith(t) + id + ish(t) (4.5)

donde es is(t) es la senal optica calculada a partir de la responsividad r:

is(t) = rPs(t) (4.6)

donde el ith(t) es la corriente de ruido termico calculado a partir de la densidad

espectral de potencia definido por el parametro de ruido termico, y id es la corriente


de oscuridad. La corriente de ruido de disparo ish(t) es calculada de acuerdo a la

densidad espectral de potencia.

Nsh = q(is + id) (4.7)

Cabe resaltar que todas estas configuraciones se dan para cuando la distribucion

de ruido de disparo es Gaussiana.

4.2.2. Filtro Pasabajo de Bessel

Cuando finalmente ya se tiene la senal en el dominio electrico por medio del

fotoreceptor se hace necesario que la senal de entrada presente unas caracterısticas

de transferencia deseadas y esto se hace posible por medio de un filtro electrico. Con

el fin de reducir el ruido en la senal debido a las interferencias del medio en la red,

la eleccion se hace por un filtro pasabajo de Bessel debido a que posee un maximo

aplanamiento es su retardo de grupo y de fase, permitiendo ası conservar la forma

de la senal en un paso de banda determinado. Este filtro tiene la siguiente funcion

de transferencia:

H(s) = αd0

BN(s)(4.8)

Donde α es el parametro de perdidas de insercion, N es el parametro del orden del

filtro y es utilizada para calcular el coeficiente de d0 de la siguiente manera:

do =(2N)!

2N ·N !(4.9)

Siendo una constante de normalizacion y BN(s) una de orden n del polinomio de

Bessel de la forma:

BN(s) =N∑K=0

dksk (4.10)

Donde

dk =(2N − k)!

2N−K · k!(N − k)!(4.11)


y

s = j(f · wbfc

) (4.12)

Donde fc es la frecuencia de corte del filtro definida por parametros de Frecuencia

y Wb indica la anchura de banda normalizado 3 dB y se puede aproximar por:

Wb ≈√

(2N − 1) · ln2 (4.13)

Cabe resaltar que todos los parametros anteriormente descritos se dan para un

valor de N menor a 10. En base a esto se establece un orden 4 para el filtro y una

profundidad de 100 dB.

4.2.3. Analizador de BER

Con el fin de poder verificar las caracterısticas de la informacion despues de ser

trasmitida y finalmente llegada al receptor, es necesario utilizar un elemento que

permita evidenciar el diagrama de ojo y sus caracterısticas inherentes como el factor

Q y el BER medido. En base a la configuracion de este instrumento los resultados

disponibles son los siguientes:

Max Q-Factor: Valor maximo para el factor Q en la ventana de tiempo del ojo.

Min BER: Valor mınimo de la tasa de error en la ventana de tiempo del ojo.

Altura de los ojos: Valor maximo de la altura de los ojos en la ventana de

tiempo del ojo.

Umbral: Valor del umbral en el instante de decision para el factor Q y BER

maxima / mınima.

Decision inst: Valor de la decision instantanea para el maximo factor Q /mınimo

BER.

4.3. Fibra Monomodo

Cuando la senal optica es demultiplexada parte de la red de distribucion optica es

el hilo de fibra que le sigue y al AWG demultiplexor, esta fibra debe tener unas carac-


terısticas especiales y una distancia determinada, para una red de acceso la distancia

maxima establecida es de aproximandamente 20 Km y segun la recomendacion ITU

G.652. establece que para una fibra monomodo trabajando en la tercera ventana se

tendra valores de 17 ps/nm/km para coeficiente de dipersion y 0.2 dB/km de ate-

nuacion. Por lo tanto se establecen estos valores como parametro de configuracion

en la simulacion para la fibra normal y bidireccional

((a)) Modulo de fibra ((b)) Modulo de fibra bidireccional

Figura 4.7: Modulos de Fibra

4.3.1. Regenerador 3R

Debido a que la la senal sufre deformaciones en la red debido a efectos de atenua-

cion y dispersion causados principalmente por la fibra y las perdidas de insercion en

los dispositivos, se hace necesario emplear regeneradores que permitan amplificar la

senal, recuperar la forma de los bits y sincronizar en un tiempo determinado la trama

de datos, permitiendo ası cancelar efectos tales como no linealidades y dispersiones

pero en el dominio electrico. El uso de estos dispositivos son independientes para el

diseno de red planteado ya que podrıan aumentar los costos en una gran medida, por

lo tanto el uso de estos regeneradores solo seran aplicados para canales que presenten

deformaciones considerables en su trama de datos.

4.4. Analizador Espectral Optico

Con el fin poder observar los espectros en frecuencia en el dominio optico de

cada uno de las etapas de la red, es de uso indispensable utilizar un analizador de


Figura 4.8: Modulo regenerador 3R

espectro optico que permita mostrar la intensidad de la senal, la densidad espectral

de potencia, la fase, el retardo de grupo y la dispersion de polarizaciones X y Y. La

utilizacion del OSA (Optical Spectrum Analyzer) se establecera de tal manera que

tanto como en puertos de salida y de entrada de los AWG se colocara uno de ellos.

Estos dispositivos son independientes de los costos de la red, ya que simplemente son

utilizados como verificacion y medicion de niveles de potencia que puedan tener la

senales opticas en cualquier parte de la transmision. Su modulo es el siguiente:

Figura 4.9: Modulo de analizador espectral optico

4.5. Fuente de luz ASE

En base de la topologıa de red planteada en la que se generan portadoras opticas

a partir de un fuente de luz no coherente, es imprescindible tener una fuente de luz de

banda ancha en la que se asegure un nivel de potencia determinado para su posterior

ranurado espectral. En el estado del arte se encuentra que las dos BLSs (Broadband


Light Source) mas comerciales son el Diodo Emisor de Luz (LED) y las fuentes de

Emision Espontanea Amplifica (ASE), en el cual se tiene una mayor inclinacion por

la segunda ya que con esta se obtienen niveles superiores de potencia. Dado que el

software no posee un modulo especifico de fuente de luz ASE, se opta por tomar

un laser de onda continua de unos 15 dBm y modificar su ancho de linea que es la

Anchura de Altura Media (FWHM) aproximadamente hasta los 100 GHz y seguido

de este un amplificador de fibra dopado con erbio EDFA para asegurar la potencia

de cada portadora. La configuracion de conexion es la siguiente:

Figura 4.10: Estructura de fuente ASE

4.6. AWG

El esquema de red planteado consta de tres AWGs que son utilizados de dife-

rentes modos para cada etapa. Las senales opticas de entrada en cada puerto se

encaminan a uno de salida especıfico, dependiendo de la longitud de onda de la senal

y el numero de puertos de entrada, permitiendo ası tener diferentes configuraciones

teniendo en cuenta el ancho de banda establecido y el ancho espectral de la fuente

de luz. Debido a que las senales opticas que entran a un puerto i son enviadas a un

puerto de salida j, el AWG se comporta como un filtro de banda de paso periodi-

co. La funcion de transferencia de la entrada i + 1 a una salida j tiene la misma

forma que la funcion de transferencia anterior de la entrada i, pero con la diferen-

cia que se desplaza en el eje de longitud de onda por un intervalo ∆λ, otro cambio

separa esta segunda salida de la entrada i+ 2 y la salida j repitiendose sucesivamen-

te. La funcion de transferencia de potencia que tiene la repeticion de una longitud


de onda fija llamado rango espectral libre (FSR) esta dado por la siguiente expresion:

FSR = N · ∆λ (4.14)

Donde N es el parametro del tamano del AWG y ∆λ es la longitud de onda del

espaciado. El primer AWG es el encargado de hacer el particionamiento espectral de

la fuente de luz de banda ancha con el fin de generar diferentes portadora opticas y

ası poder modular la informacion dentro de la OLT con la siguiente configuracion:

Figura 4.11: Configuracion de AWG como filtro para Slicing

En base a las recomendaciones ITU-T el espaciado entre cada canal es escogido

igual a 100 GHz (0.8 nm en longitud de onda) (ITU-T Rec. G.694.1, 2012) traba-

jando en la tercera ventana a 1550 nm, longitud para la cual se sintonizaran los

AWG como frecuencia central (193.1 THz). Debido a que este AWG es el que ge-

nera las portadoras opticas, se debera seleccionar un ancho de banda muy delgado,

puesto que cada puerto de salida del AWG emulara el equivalente a un laser a un

frecuencia central determinada, por lo tanto se establece un ancho de banda de 10

MHz para cada portadora con el fin de asegurar que la informacion pueda ser mo-

dulada y transmitida garantizando un BER mınimo segun la recomendacion ITU-T

G.984.2 en donde se establece un valor menor a 10−10 con una tasa de bit de 2.5 Gbps.


Figura 4.12: Configuracion de AWG como multiplexor

El segundo AWG es el encargado de multiplexar cada portadora modulada con

la informacion, esto con el fin de poder enviar todas estas senales opticas sobre un

tramo de fibra que permita transmitir sobre una distancia determinada no mayor a

unos 25 Km. Los parametros de configuracion para este AWG cambian en alguna

medida, ya que ahora se debera multiplexar y esto requiere un ancho de banda di-

ferente al anterior AWG. Por lo tanto se establece un ancho de banda de 100 GHz

para la multiplexacion y de igual forma se establece el mismo espaciado entre cana-

les y 3 dB de perdidas de insercion. Este dispositivo tambien brinda la posibilidad

de establecer un filtrado a la senal con un determinado orden, para nuestro caso se

utiliza un filtro Gaussiano de orden 2. La configuracion para este AWG se muestra

en la figura 4.12.

Para la parte de la demultiplexacion en la red de acceso nuevamente se utiliza un

AWG, el cual permita llevar la informacion a cada ONT debido a que la senal optica

multiplexada es inyectada al dispositivo por un tramo de fibra. Las caracterısticas

para este dispositivo se mantienen como en el AWG multiplexor con la diferencia

que la configuracion sera como demultiplexor. Cuando la informacion sea pasada al


dominio electrico y demodulada se podra evaluar el rendimiento de la red planteada

segun las particularidades que presente la informacion en los usuarios. La configura-

cion de conexion para este AWG sera la siguiente:

Figura 4.13: Configuracion de AWG como demultiplexor

Como se evidencia en la figura 4.13 el comportamiento del AWG es cıclico, debido

a que el conjunto de longitudes de onda que inciden aun puerto i y se demultiplexan

al puerto j tendran un salida por el puerto j − 1 si han entrado por el puerto i+ 1,

comportandose de tal manera en el que el ultimo sera el nuevo primero en los puertos

de salida. La funcion de transferencia general Tpq de este dispositivo conformado

principalmente por una guıa de onda p de entrada y la guıa de onda q de salida,

en donde existe una potencia de entrada en la senal de entrada P y Prs que es la

potencia a la salida del primer acoplador en la guıa de onda r y la fase φ establecida

por esta guıa que conecta los dos acopladores, por lo tanto se tiene lo siguiente:

Tpq =

∑Mr=1 Pr

sejφ

P 2(4.15)

El AWG es un dispositivo clave en la investigacion, ya que tienes tres funciones


diferentes en cada etapa permitiendo ası que la oficina central, la red de distribucion

optica y los usuarios puedan operar con un alto rendimiento y un menor costo. Como

parte fundamental del planteamiento se describira los diferente disenos establecidos

para la red en la siguiente seccion.

4.7. Diseno de PON con 8 ONTs en Bajada

En base al esquema general de red mostrado anteriormente y a la topologia tıpi-

ca de una red PON, el primer diseno planteado solo para los datos de bajada sera

establecido con un numero maximo de 8 ONTs, en donde cada una de ellas tendra

su respectiva OLT en la que se estara modulando la informacion dado de que la red

trabaja con la tecnologıa de WDM. Como se menciono anteriormente en la recomen-

daciones de la ITU-T, en especifico la G.694.1 se establece un valor minimo de BER

de 1x10−10 para una velocidad de 2.5 Gbps, este valor se debera garantizar como

parte fundamental del funcionamiento y ası mismo evaluar los factores dependientes

que permitan ver la variacion de los resultados. El esquema es el siguiente:

Figura 4.14: Esquema de red propuesta con 8 ONTs

El esquema del primer diseno de red mostrado permite evidenciar cada una de las

partes en las que esta constituida la red. El sistema inicia su funcionamiento con la

entrada de la luz ASE al primer AWG, el cual esta sintonizado para una frecuencia


de 193.1 THz, la fuente de luz aproximadamente con un ancho espectral de unos 50

nm entra a este dispositivo configurado con un parametro de ancho de banda de 10

MHz, esto con el fin de garantizar una anchura de espectral para cada portadora

similar a la que podrıa tener un diodo laser, ası mismo el espaciado entre canales

como parametro tambien del AWG, permite obtener cada portadora optica con una

separacion de 0.8 nm a un nivel de potencia determinado para que pueda ser mo-

dulado dentro de cada terminal de linea optico. Dentro de la OLT la informacion se

pasa al dominio electrico por medio de una modulacion directa de la secuencia de

bits aleatorios a un modulo NRZ y posteriormente mente por modulacion externa

la portadora a una frecuencia determinada se modula con la informacion por medio

del modulador Mach Zehnder.

Teniendo la senal optica con la informacion en bajada a la salida de cada OLT

con un frecuencia central determinada, es posible multiplexar cada canal para ser

inyectado sobre una fibra monomodo, este tramo de fibra es de aproximadamente de

20 km ya que esa es la distancia utilizada para una red de acceso. La multiplexacion

se hace posible por medio otro AWG configurado como multiplexor y con un parame-

tro de ancho de banda de 100 GHz, permitiendo tener un filtro de paso de banda

periodico que permita unir las senales. Cuando finalmente se llega al demultiplexor

de la red acceso otro AWG con los mismos parametros de configuracion del anterior,

de manera cıclica asigna una longitud de onda para cada terminal de red optico. En

cada ONT un fotodiodo APD convierte la senal optica al dominio electrico y seguido

un filtro de Bessel permite corregir la senal electrica. En sıntesis se hace posible la

transmision de informacion por medio de WDM y con la topologıa de una red PON,

haciendo uso de una sola fuente optica no coherente para un sistema solo de bajada

de una red de acceso.

4.8. Diseno de PON bidireccional con 4 ONTs

Como segundo diseno de red se plantea un sistema bidireccional que permita a

cada ONT enviar informacion de subida. Esto es posible por medio de una portadora

optica en blanco que es generada de igual forma con el ranurado espectral en el primer


AWG, el esquema especifico de esta red para 4 ONTs se muestra a continuacion:

Figura 4.15: Esquema de red bidireccional con 4 ONTs

Inicialmente se generan 8 portadoras opticas, lo cual 4 de ellas se modulan y las

restantes se envıan en blanco, posterior a ello se multiplexan con un AWG bidirec-

cional con el fin de inyectar la senal optica sobre el hilo de fibra monomodo, al llegar

a la etapa de la red de acceso se hace uso de cilicidad del AWG con el fin de que

en cada puerto de salida entregue a un canal especifico dos senales en diferentes fre-

cuencias, esto se hace posible utilizando un AWG de menor tamano de modo que el

FSR de este dispositivo sera menor que anterior y ası tendra este comportamiento.

Una senal de estas tendra la informacion modulada y la otra sera una portadora

optica en blanco, por medio de un demultiplexor WDM se separa cada una de estas

senales opticas para su posterior cambio al dominio electrico y modulacion para el

caso de la senal sin informacion. De tal manera que en cada ONT enviara la infor-

macion de upstream inyectandola de nuevo sobre el AWG bidireccional de 4x4 y asi

la informacion pueda llegar al receptor de la OLT.


4.9. Diseno de PON bidireccional con 8 ONTs uti-

lizando dos hilos de fibra

Dado de que en las topologias de diseno planteadas anteriormente, se utiliza solo

un hilo de fibra para la transmision bidireccional, es posible plantear un sistema que

posea dos hilos reutilizando la longitud de onda entregada a cada canal por medio

de un divisor de potencia y un filtro Gaussiano, esto permitira de nuevo establecer

portadoras opticas con la misma longitud de onda de downstream sin tener ningun

inconveniente puesto que la informacion de upstream sera transmitida por un hilo

de fibra diferente. De tal manera se tendra un sistema hıbrido ya que los divisores

de potencia son dispositivos utilizados en tecnologıas como TDM, siguiendo con las

caracterısticas que deberıa tener una red de acceso con una estructura WDM-PON

garantizando una calidad de servicio que permita la transmision de informacion a

altas velocidades. El esquema especifico de la red se muestra en la figura 4.16 con su

respectiva configuracion de componentes

Figura 4.16: Esquema de red bidireccional con 4 ONTs

Al igual que en los disenos anteriores se mantienen lo parametros de configuracion


para cada uno de los AWG, con la diferencia que para este caso se utilizan de manera

bidireccional, permitiendo enviar la informacion en upstream en donde cada OLT y

ONT tendran sus respectivos transmisores y receptores con los elementos necesa-

rios para para garantizar un BER adecuado y los dos hilos de fibra que permitiran

que el sistema reutilice cada longitud de onda enviada. Este diseno de red permite

aumentar las ONTs con la particularidad de que sistema es ascendente y descendente.

Todo este capıtulo se baso en la referencias [19], [20] y [21]

Capıtulo 5

Simulacion y Analisis de los

Resultados

Dentro de las caracterısticas principales de todo el proceso del diseno realizado,

se deben tener en cuenta ciertas consideraciones para su implementacion dentro

del software de simulacion, dado de que algunos dispositivos no permiten ciertas

tecnologıas y ademas dejan de trabajar si en determinada entrada no hay ninguna

senal optica, se deben establecer algunos criterios de implementacion que permitan

tener un modelo de simulacion que tenga en cuenta las caracterısticas reales de todos

los elementos.Con base a esto se estableceran lo siguiente:

Dado que algunos dispositivos bidireccionales como el AWG trabajan en pa-

ralelo para sus entradas de ascendentes y descendentes, no es posible utilizar

el mismo dispositivo para las funciones de multiplexacion y de demultiplexa-

cion para las dos direcciones, debido a que en los dos sistemas bidireccionales

planteados la portadora optica utilizada para informacion de subida depende

de las senales opticas enviadas desde cada OLT. En los disenos planteados con

un mismo AWG bidireccional se realizaban estas dos funciones mencionadas en

un mismo dispositivo, es por ello que se hace necesario para fines de simulacion

utilizar dos AWGs adicionales que permitan evidenciar el funcionamiento de

esta propuesta a trabajar.

Para el modulo de la fibra monomodo sucede lo mismo que con el AWG, aunque

65

Capıtulo 5. Simulacion y Analisis de los Resultados 66

el software posea un modulo bidireccional de fibra este no permite establecer un

funcionamiento duplex ya que que trabaja en paralelo tambien y como se men-

ciono anteriormente al inicio del funcionamiento habra un instante de tiempo

en que no habra una portadora optica para enviar la informacion de subida.

En esta medida se utiliza dos hilos de fibra para garantizar la bidireccionalidad

del sistema.

Todos lo elementos utilizados fueron configurados con base a los que se en-

cuentran comercialmente, de manera tal que se establecieron con los siguientes

parametros:

Cuadro 5.1: Parametros de configuracion para AWGs

AWG de Slicing AWG Mux/Demux

Ancho de banda 0.01 GHz Ancho de banda 100 GHzSeparacion 100 GHz Separacion 100 GHzperdidas de insercion 3 dB perdidas de insercion 3 dBFrecuencia 193.1 THz Frecuencia 193.1 THz

Dado que dentro del software no se permite configurar una sensibilidad en es-

pecıfico para el fotodetector, se establece un responsividad de uno con el fin

del garantizar la mayor sensibilidad del dispositivo.

Cuadro 5.2: Parametros de Configuracion APD

Fotodetector APD

Responsividad 1 A/WDark Current 10 nAGanancia 3

En la recomendacion ITU G.652 se establecen las siguientes caracterısticas de

una fibra monomodo para trabajar en la tercera ventana, valores para los cuales

se configuro el modulo de fibra en la simulacion con el fin de que el compor-

tamiento que pueda tener la red se asemeje a como seria con los elementos de


verdad .

Cuadro 5.3: Parametros de configuracion SMF

Fibra SMF

Distancia 20 KmCoeficiente de dispersion cromatica 17 ps/nm/kmAtenuacion 0.2 dB/KmLongitud de onda de referencia 1550 nm

Para el caso del sistema bidireccional de 4 ONTs se utilizan demuliplexores

WDM para separar la portadora optica en blanco de la senal modulada, te-

niendo en cuenta los siguientes parametros:

Cuadro 5.4: Parametros de configuracion Demux WDM

Demux WDM

Ancho de Banda 100 GHzperdidas de insercion 1 dBFiltro GaussianoOrden 2

En el sistema bidireccional en el que se aumentan la cantidad de ONTs a 8

se hace uso de divisores de potencia y filtros guassianos, para este primero se

establecen que las perdidas de insercion seran de 3 dB y para el filtro gaussioano

los siguientes parametros:

Cuadro 5.5: Parametros de configuracion filtro Gaussiano

Filtro Gaussiano

Ancho de Banda 0.01 GHZFrecuencia 193.1+0.1nperdidas de insercion 3 dB

Para la simulacion de la fuente ASE construida por un amplificador EDFA y

un laser CW se establecen los siguientes parametros de configuracion:


Cuadro 5.6: Parametros de configuracion fuente ASE

Laser CW Amplificador EDFA

Potencia 15 dBm Ganancia 25 dBFrecuencia 193.1 THz Figura de Ruido 4 dBAncho de Linea 100 GHz Potencia 10 dBm

Como criterio clave del funcionamiento se utiliza el valor obtenido de BER en

cada ONT para poder evidenciar la degradacion que pueda tener la senal. De

igual forma para esta medicion se debera sintonizar el analizador de BER con

el generador pseudo aletarorio de secuencia binaria y el modulador de pulsos

NRZ.

5.1. Simulacion de PON con 8 ONTs en Bajada

En el software Optisystem se implementa el primer esquematico de red disenado

para un sistema solo de bajada de la siguiente manera:

Figura 5.1: Esquema de red implementado en simulacion para el primer diseno

Como se observa en esta primera implementacion cada OLT se sintoniza para


cada ONT, esto con el fin de que el sistema trabaja con WDM y adicional a eso es

soportado por el software de simulacion. Para cada uno de las etapas se medira el

nivel de potencia con el fin de ver las penalizaciones que esta pueda tener y ası mismo

establecer en que lugares de la red se evidencia mayores degradaciones, puesto que

se estara teniendo en cuenta las perdidas de cada elemento.

5.1.1. Presupuesto de Potencia y BER

Dado que la fuente de banda ancha escogida fue la luz ASE y esta construida por

un laser CW de aproximadamente 15 dBm y un EDFA que pueda dar una ganan-

cia de 25 dB, por medio de un analizador espectral optico se obtiene la siguiente senal:

Frecuencia Hz ×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

Po

ten

cia

dB

m

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

Especto de BLS

Figura 5.2: Espectro en frecuencia de fuente ASE

Esta senal finalmente queda con un nivel de potencia de aproximadamente unos

40 dBm y un ancho de linea de unos 100 GHz. Posterior a que esta senal es inyectada

al primer AWG utilizado como filtro optico para el ranurado espectral, se obtienen

8 portadoras opticas con un nivel de potencia determinado y de nuevo por medio de

un analizador optico espectral se obtienen las siguientes senales:



1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935

Po

ten

cia

dB

m

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ1

λ2

λ3

λ4

λ5

λ6

λ7

λ8

Figura 5.3: Portadoras opticas generadas por el AWG

Cada portadora optica con una ancho espectral de 10 MHz queda con un nivel de

potencia determinado debido a que la fuente alcanza a tener un nivel mayor en las

frecuencia centrales causado por la generacion de la fuente ASE que posee un laser

centrado en 193.1 THz. El nivel de potencia especifico para cada canal se muestra

en la tabla de a continuacion:

Cuadro 5.7: Potencia de portadoras opticas

Canales Frecuencia Potencia

λ1 193.1 THz -1.375 dBmλ2 193.2 THz -9.477 dBmλ3 193.3 THz -9.991 dBmλ4 193.4 THz -8.110 dBmλ5 193.5 THz -10.677 dBmλ6 192.8 THz -6.840 dBmλ7 192.9 THz -11.058 dBmλ8 193.0 THz -5.553 dBm

Posterior a que se genera cada portadora por medio de modulacion externa se

hace posible que la informacion pase al dominio optico con un modulador Mach

Zehnder en cada OLT obteniendo las siguientes senales:


×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

λ1

Figura 5.4: Senal modulada para frecuencia de 193.1 THz

La potencia para la senal modulada de este primer canal es de aproximadamente

-4.719 dBm centrado en una frecuencia de 193.1 THz.

×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ2


Para este segundo canal se obtiene un nivel de potencia aproximado para la senal

modulada de -12.990 dBm en una frecuencia de 193.2 THz. La senal que sale de la

siguiente OLT esta centrada en 193.3 THz que posee un nivel de potencia aproxima-

do de -13.447 dB como se muestra a continuacion:


×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ3


En el cuarto canal que tiene una frecuencia de 193.4 THz se evidencia una po-

tencia de aproximadamente de -11.188 dBm para la senal modulada.

×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ4


En este quinto canal se evidencia que todo su espectro no sale en su totalidad

debido al tiempo de ventana establecido, pero es indiferente ya que esa parte de

senal tiene niveles de potencia bajos en los que la informacion no se tiene en cuenta.

Este canal posee un nivel de potencia para su senal modulada saliendo de la OLT

de aproximadamente -14.021 dBm y esta centrado en 193.5 THz siendo la ultima

frecuencia posterior a 193.1 THz.


×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ5


Despues de que el AWG ha generado portadoras opticas posteriores a 193.1 THz

que es la frecuencia central a la que esta sintonizado el dispositivo, este empieza a

originar las portadoras opticas anteriores a esta frecuencia dependiendo del numero

de puertos de salida. El siguiente canal en una frecuencia de 192.8 THz tiene un nivel

de potencia -10.241 dBm

×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ6


La frecuencia para el siguiente canal es de 192.9THz y posee un nivel de potencia

aproximado -14.036 dBm.


×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ7


Finalmente la ultima senal modulada esta centrada en una frecuencia de 193 THz

con un nivel de potencia aproximado -9.007 dBm.


1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

Pote

ncia

dB

m

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ8


Las perdidas por la modulacion que se evidencian son de aproximadamente 3.5

dB. Posterior a que se tiene cada una de las senales opticas moduladas, la siguiente

etapa es inyectar todas estas senales a un AWG configurado como multiplexor, esto

para poder ser enviadas sobre un hilo de fibra hasta lo que seria la red de acceso. Esta

senal nuevamente sufre una pequena degradacion ya que el AWG posee perdidas de

insercion que hacen que el nivel de potencia de la senal disminuya. La senal optica

obtenida por el analizador espectral optico es la siguiente:



1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

Pot

enci

a dB

m

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

Multiplexación del AWG

Figura 5.12: Senal multiplexada por el AWG

La potencia total de esta senal antes de entrar a la fibra es de -3.944 dBm apro-

ximadamente. Al inyectarse al hilo de fibra nuevamente va sufrir penalizaciones de

potencia en funcion de la distancia de esta misma, ya que existe un factor de ate-

nuacion y un coeficiente de dispersion cromatica que afectan a la senal. Despues de

pasar los 20 km de fibra la senal obtenida con una potencia de aproximadamente

-7.944 dBm es la siguiente:


1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

Pot

enci

a dB

m

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10 Multiplexación del AWG despues de la fibra

Figura 5.13: Senal multiplexada despues de pasar por el hilo fibra

La siguiente etapa de la red es cuando el hilo de fibra inyecta la senal optica al

tercer AWG configurado como demultiplexor. De nuevo este dispositivo ocasionara

perdidas en cada senal demultiplexada que deberan ser mitigadas con una etapa de


amplificacion sin salirse de la topologıa PON ya que esto se hara dentro de la ONT.

Los niveles de potencia a la salida del AWG demultiplexor son los siguientes:

Cuadro 5.8: Potencia de cada senal al ser demultiplexadas

λn Frecuencia Potencia


Si directamente se pasa al dominio electrico con estos niveles de potencia se

obtendran valores de BER, factor Q y apertura de ojo muy cercanos a los recomen-

dados, esto dado de que la sensibilidad del receptor aun que sea amplia no permite

tener un mejor resultado ya que hay niveles de potencia de la senal que estan por

debajo de este valor. Los diagramas de ojo obtenidos son los siguientes:

(a) Diagrama de ojo para λ1 (b) Diagrama de ojo para λ2

Figura 5.14: Diagramas de ojo para λ1 y λ2



(c) Diagrama de ojo para λ5 (d) Diagrama de ojo para λ6

(e) Diagrama de ojo para λ7 (f) Diagrama de ojo para λ8

Figura 5.15: Diagramas de ojo para λ3, λ4, λ5, λ6, λ7 y λ8


Los parametros obtenido por el analizador de BER se resumen en la siguiente

tabla:

Cuadro 5.9: Resultados de Analizador de BER para cada canal en primer el diseno

λn Frecuencia BER Factor Q Apertura de ojo

λ1 193.1THz 1.38338x10−82 19.2119 0.000178502λ2 193.2THz 7.83602x10−23 9.76641 2.32829x10−5

λ3 193.3THz 7.09146x10−19 8.79456 1.96749x10−5

λ4 193.4THz 9.74916x10−28 10.8517 3.26822x10−5

λ5 193.5THz 1.754446x10−13 7.27389 1.47414x10−5

λ6 192.8THz 1.35903x10−39 13.1114 4.73339x10−5

λ7 192.9THz 3.21254x10−13 7.18961 1.38476x10−5

λ8 193 THz 1.17065x10−53 15.3768 6.58795x10−5

Si se desea garantizar unas mejores prestaciones para la red, se podrıa evaluar

todo el sistema inyectando a cada puerto de salida del AWG un EDFA con ganancia

de 10 dB, el cual permitira asegurar un nivel de potencia para obtener un BER

que garantice las los estandares de calidad de servicios. Despues de transmitir la

informacion a 10 Gbps y con un amplificador adicional por canal para lograr un

mejor BER los diagramas de ojo obtenidos son los siguiente:


Figura 5.16: Diagramas de ojo para λ1 y λ2



(c) Diagrama de ojo para λ5 (d) Diagrama de ojo para λ6

(e) Diagrama de ojo para λ7 (f) Diagrama de ojo para λ8

Figura 5.17: Diagramas de ojo para λ3, λ4, λ5, λ6, λ7 y λ8


Los parametros obtenidos por el analizador de BER para este caso en el que es

inyectado un amplificador adicional en cada ONT se resumen en la siguiente tabla:

Cuadro 5.10: Resultados de analizador de BER para primer diseno despues de laamplificacion


λ1 193.1THz 2.43257x10−120 23.2894 0.00184003λ2 193.2THz 9.64445x10−73 17.9997 0.00274156λ3 193.3THz 1.50197x10−74 18.2291 0.000245124λ4 193.4THz 4.23119x10−87 19.7446 0.000381499λ5 193.5THz 1.55408x10−63 16.7853 0.000205111λ6 192.8THz 9.27967x10−89 19.9372 0.000512279λ7 192.9THz 6.81541x10−59 16.1378 0.000186472λ8 193 THz 1.39995x10−100 21.2.535 0.000699441

Esta etapa amplificacion se hace indispensable para el siguiente diseno, ya que

nuevamente dentro de las ONTs se modula informacion de subida con las portadoras

en blanco enviadas desde la oficina central. Esto conlleva que nuevamente la senal

sufrira degradaciones ya que volvera a entrar a los AWG y al hilo de fibra. Si se desea

que el sistema economice costos se podrıa considerar la red de bajada sin una etapa

de amplificacion y para la informacion de subida tener un laser dentro de cada ONT.

5.2. Simulacion de PON Bidireccional con 4 ONTs

Para la implementacion de este diseno dentro del software Optisystem se hizo uso

de unos elementos adicionales a la red anterior, ya que ahora el sistema planteado es

bidireccional y su numero de ONTs se redujo a cuatro. Estos elementos son cuatro

demultiplexores WDM (que anaden 1 dB de perdidas de insercion cada uno), dos

AWG 4x4 para efectos de simulacion, un hilo de fibra adicional y demas elementos

para la recepcion de la informacion de subida dentro de las OLTs. La red implemen-

tada en simulacion es la siguiente:


Figura 5.18: Esquema de red implementado en simulacion para el segundo diseno

Como se evidencia en el esquema de red no es posible utilizar el mismo AWG

para la transmision de informacion de subida y bajada, ya que las portadoras opticas

para la informacion ascendente dependen del slicing generado en la oficina central

y para fines de simulacion habra un instante en el que la entrada de los AWG no

tendra ninguna senal, esto ocasionara que el dispositivo deje de funcionar debido a

que los elementos del software que sean bidireccionales operan en paralelo para sus

entradas, caso igual como sucede para el hilo de fibra.


5.2.1. Presupuesto de Potencia y BER

De nuevo se obtienen los mismos niveles de potencia para las portadoras opticas

generadas por el ranurado espectral con la diferencia de que ahora solo cuatro de

estas seran moduladas, de tal manera que se escogen las frecuencias de 192.8 THz

a 193.1 THz para la informacion de bajada y las frecuencias de subida desde 193.2

THz hasta 193.5 THz. Para efectos de simulacion los segundos AWGs se deberan

sintonizar a una frecuencia diferente dado de que ahora solo hay frecuencias desde

193.2 THz. Los valores de potencia dentro de la oficina central seran los mismos que

se mostraron en las tablas anteriores. Por ello se muestra ahora la senal optica desde

la salida del AWG multiplexor teniendo lo siguiente:

Frecuencia (Hz) ×1014

1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

Pot

enci

a (d

Bm

)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Multiplexación del AWG

Figura 5.19: Senal multiplexada por AWG-2 para segundo diseno

El nivel de potencia total para esta senal es de aproximadamente -2.799 dBm y

despues de que pasa por el hilo de fibra tiene un valor de -6.799 dBm. Para esta

parte en la que entra al AWG demultiplexor con un numero menor de puertos que

el anterior el FSR sera menor ya que se tiene los siguiente:

FSRAWG8x8 = 100GHz · 8 = 800GHz (5.1)

FSRAWG4x4 = 100GHz · 4 = 400GHz (5.2)

Este tercer AWG al tener un menor FSR acomodara de manera cıclica las senales


que se le son inyectadas, ya que ahora por cada puerto de salida se tendran dos

senales opticas, una con informacion y la otra con una portadora en blanco como se

mostrara continuacion para cada puerto de salida:

×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ1 y λ5

Figura 5.20: Senal demultiplexada para ONT 1

Esta primera senal llega con una potencia total aproximada de -13.757 dBm y se

evidencia que existe una senal que se filtra en el espectro de frecuencia de 192.8 THz

a 192.9 THz y pequenos picos en las frecuencias en donde se envıan las portadoras

en blanco, esto producto de que en el filtrado del AWG se interfieren parte de otras

senales.

×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ2 y λ6



La potencia para esta segunda senal es de aproximadamente -16.838 dBm y se

evidencia el mismo efecto de interferencia de otras senales como en el caso anterior.

×1014

1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ3 y λ7


Para esta senal la interferencia solo se presenta en las frecuencias en donde se

encuentran las portadora en blanco y posee una potencia aproximada de -18.551

dBm


1.926 1.927 1.928 1.929 1.93 1.931 1.932 1.933 1.934 1.935 1.936

Pot

enci

a (d

Bm

)

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

λ4 y λ8


Esta ultima senal posee una potencia aproximada de -15.531 dBm saliendo por el

ultimo puerto de salida del AWG 4x4. Al ser demultiplexadas todas estas senales se

amplifican con un EDFA antes de ingresar nuevamente a otro demultiplexor WDM


que separara la senal modula de la portadora en blanco para cada canal, este dispo-

sitivo configurado con las frecuencias de cada canal y con un ancho de banda de 100

GHz aplicara un filtro Gaussiano de orden dos a cada senal demultiplexada permi-

tiendo quitar algunas interferencias introducidas por otros canales en las diferentes

senales. Por medio de un analizador optico espectral en cada puerto de salida del

demultiplexor WDM se obtienen las siguientes senales para cada canal:


1.9302 1.9304 1.9306 1.9308 1.931 1.9312 1.9314 1.9316 1.9318 1.932

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

(a) Senal modulada en 193.1 THz


1.934 1.9342 1.9344 1.9346 1.9348 1.935 1.9352 1.9354 1.9356 1.9358 1.936

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

(b) Portadora optica en 193.5 THz

Figura 5.24: Senal modulada y portadora en blanco para canal 1

Los niveles de potencia para la senal modulada en 193.1 THz es de de aproxima-

damente -5.750 dBm y la portadora optica centrada en 193.5 THz tiene una potencia

de -11.671 dBm.


1.927 1.9272 1.9274 1.9276 1.9278 1.928 1.9282 1.9284 1.9286 1.9288 1.929

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20



1.9312 1.9314 1.9316 1.9318 1.932 1.9322 1.9324 1.9326 1.9328

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20



Aunque el filtrado del Demux WDM corrija algunas interferencias introducidas

en la senal, no lo hace en su totalidad para este caso de la portadora centrada de

193.2 THz, esto debido a que es la primera despues de las 4 senales moduladas. El


valor de potencia para la senal modulada centrada en 192.8 THz es de -11.266 dBm

y para la portadora -10.470 dBm.


1.928 1.9282 1.9284 1.9286 1.9288 1.929 1.9292 1.9294 1.9296 1.9298 1.93

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10



1.9332 1.9334 1.9336 1.9338 1.934 1.9342 1.9344 1.9346 1.9348 1.935

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0



La potencia para la senal modulada de este canal es de es de -15.051 dBm y la

portadora con -10.986 dBm.


1.9292 1.9294 1.9296 1.9298 1.93 1.9302 1.9304 1.9306 1.9308 1.931

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20



1.932 1.9322 1.9324 1.9326 1.9328 1.933 1.9332 1.9334 1.9336 1.9338 1.934

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10



Para este ultimo canal se tiene que la senal modulada llega con una potencia de

-10.031 dBm y la portadora optica con -9.107 dBm, dandole paso a la modulacion

nuevamente y a la conversion al dominio electrico de la informacion para cada ONT.

Ahora de nuevo la senal al ser modulada e inyectada en los AWGs y la fibra, volvera

a sufrir algunas degradaciones. El sistema nuevamente se evalua con la misma tasa de

transmision de bajada con el fin de evidenciar al maximo las prestaciones que pueda

tener. Al hacer la modulacion de la informacion se tienen los siguientes niveles de


potencia que se resumen en la tabla de a continuacion:

Cuadro 5.11: Potencia de senales moduladas en Tx-ONT


λ2 193.2 THz -13.760 dBmλ3 193.3 THz -14.276 dBmλ4 193.4 THz -12.561 dBmλ5 193.5 THz -14.806 dBm

Cuando se tienen las diferentes senales moduladas y son inyectadas nuevamente

al AWG que simula la parte de bidireccionalidad del diseno planteado, se vuelven a

evidenciar penalizacion de potencia por las perdidas de insercion y posterior a ello

al inyectarse al hilo fibra nuevamente la senal se ve degradada. Estos valores de po-

tencia mencionados son -10.769 dBm y -14.769 dBm. Los niveles de potencia con los

que llega la senal en el receptor de la OLT se muestran en la siguiente tabla:

Cuadro 5.12: Potencia de senales demultiplexadas en Rx-OLT


λ2 193.2 THz -23.783 dBmλ3 193.3 THz -24.822 dBmλ4 193.4 THz -22.585 dBmλ5 193.5 THz -24.295 dBm

Se evidencia que las perdidas que existen desde que la senal sale modulada del

transmisor de la ONT hasta el receptor de la OLT son de aproximadamente 10 dB.

Nuevamente dentro del receptor de la OLT se pasara el dominio electrico la informa-

cion y sera inyectada al analizador de BER para poder evidenciar sus caracterısticas

al enviar la informacion de subida. Con base a esto se tienen los siguientes diagramas

de ojo tanto para la informacion de subida como de bajada obtenidos por el ana-

lizador de BER que permitiran evidenciar la capacidad del sistema para transmitir

bidireccionalmente:


(a) Diagrama de ojo para 193.1 THz(bajada)

(b) Diagrama de ojo para 193.5 THz(subida)

(c) Diagrama de ojo para 192.8 THz(bajada)

(d) Diagrama de ojo para 193.2 THz(subida)

(e) Diagrama de ojo para 192.9 THz(bajada)

(f) Diagrama de ojo para 193.3 THz(subida)

Figura 5.28: Diagramas de subida y bajada para segundo diseno


(a) Diagrama de ojo para 193.0 THz(bajada)

(b) Diagrama de ojo para 193.4 THz(subida)

Figura 5.29: Diagramas de subida y bajada restantes para segundo diseno

Con base a los anteriores diagramas de ojo mostrados, se presentara la siguiente

tabla con los parametros arrojados por el analizador de BER para la transmision de

de datos tanto de subida como de bajada.

Cuadro 5.13: Resultados obtenidos por analizador de BER para segundo diseno


Bajada

λ1 193.1 THz 5.82909x10−122 23.4484 0.00146483λ6 192.8 THz 2.43132x10−91 20.2325 0.000409698λ7 192.9 THz 6.23343x10−57 15.8563 0.000145789λ8 193.0THz 2.27782x10−92 20.3487 0.000551634

Subida

λ5 193.5 THz 1.97608x10−9 5.88561 1.00949x10−5

λ2 193.2 THz 5.00647x10−14 7.43978 1.60199x10−5

λ3 193.3 THz 1.36212x10−12 6.99078 1.39329x10−5

λ4 193.4THz 1.89005x10−27 10.791 2.63575x10−5

Los datos obtenidos permiten garantizar la transmision de informacion con los

requerimientos necesarios para asegurar una calidad de servicio. Para el caso de la

transmision de informacion de bajada, todos lo valores obtenidos son los suficien-

temente buenos ya que estan muy por encima de los recomendados por la ITU-T,


en cambio para los de subida se evidencia que se acercan a los valores mınimos

recomendados, pero aun ası permiten garantizar la transmision de la informacion.

5.3. Simulacion de red bidireccional con 8 ONTs

La implementacion de este diseno en el que se aumentan la cantidad de ONTs

dentro del software Optisystem fue el siguiente:

Figura 5.30: Esquema de red implementado en simulacion para el tercer diseno

Para este diseno fue necesario utilizar elementos adicionales con el fin de au-

mentar el numero de ONTs, estos elementos permitiran transmitir por un hilo de


fibra diferente con la mismas longitud de onda de bajada la informacion de forma

ascendente. Los elementos adicionales de la red anterior son un divisor de potencia

optico y un filtro Gaussioano sintonizado a al frecuencia del canal para cada ONT,

en el caso del receptor de cada OLT fue necesario utilizar un amplificador de 10 dB

para garantizar un BER especifico y de igual forma al primer amplificador ubicado

despues del AWG demultiplexor fue necesario aumentar su ganancia a 15 dB, esto

debido a que al hacer uso de los divisores de potencia y de los filtros Gaussianos

existiran unas perdidas de insercion de 3 dB para cada uno en los diferentes canales.

Los valores antes y despues del filtrado Gaussiano son presentados en la siguiente

tabla:

Cuadro 5.14: Potencia antes y despues del filtrado Gaussiano

λn Frecuencia Potencia antes Potencia despues

λ1 193.1 THz -5.557 dBm -11.706 dBmλ2 193.2 THz -12.825 dBm -20.119 dBmλ3 193.3 THz -13.182 dBm -20.521 dBmλ4 193.4 THz -11.406 dBm -17.940 dBmλ5 193.5 THz -13.600 dBm -21.005 dBmλ6 192.8 THz -10.608 dBm -17.275 dBmλ7 192.9 THz -13.603 dBm -20.696 dBmλ8 192.0 THz -9.523 dBm -16.091 dBm

Despues de que se modula la senal queda con los siguientes niveles de potencia:

Cuadro 5.15: Potencia de senales moduladas de subida

λn Frecuencia Potencia antes s



Este filtro al corregir la senal para convertirla en una portadora optica genera

unas penalizaciones de potencia considerables de aproximadamente 6,2 dB, de la

misma manera al modularse la informacion se obtienen perdidas de aproximadamen-

te 3.5 dB. La senal al salir del AWG multiplexor para el camino ascendente tiene un

nivel de potencia de -14.188 dBm y despues de ser inyectado por el hilo de fibra este

valor es de -18.188 dBm. Al llegar al AWG demultiplexor de subida se obtienen los

siguientes niveles de potencia en sus puertos de salida.

Cuadro 5.16: Potencia de las senales de subida al llegar al fotodetector

λn Frecuencia Potencia antes s


Las senales opticas para los niveles de potencia mostrados en cuadro anterior son

ahora obtenidos obtenidos por el analizador espectral optico, esto con el fin de poder

evidenciar las caracterısticas de la senal y las degradaciones que tiene, despues de

pasar por cada elemento de la red:


1.93 1.9302 1.9304 1.9306 1.9308 1.931 1.9312 1.9314 1.9316 1.9318 1.932

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30



1.931 1.9312 1.9314 1.9316 1.9318 1.932 1.9322 1.9324 1.9326 1.9328 1.933

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

(b) Senal modulada en 193.2 THz




1.932 1.9322 1.9324 1.9326 1.9328 1.933 1.9332 1.9334 1.9336 1.9338 1.934

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40



1.933 1.9332 1.9334 1.9336 1.9338 1.934 1.9342 1.9344 1.9346 1.9348 1.935

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

(b) Senal modulada en 193.4 THz


1.934 1.9342 1.9344 1.9346 1.9348 1.935 1.9352 1.9354 1.9356

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

(c) Senal modulada en 193.5 THz


1.9274 1.9276 1.9278 1.928 1.9282 1.9284 1.9286 1.9288 1.929

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

(d) Senal modulada en 192.8 THz


1.928 1.9282 1.9284 1.9286 1.9288 1.929 1.9292 1.9294 1.9296 1.9298 1.93

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

(e) Senal modulada en 192.9 THz


1.929 1.9292 1.9294 1.9296 1.9298 1.93 1.9302 1.9304 1.9306 1.9308 1.931

Pote

ncia

(dB

m)

-90

-80

-70

-60

-50

-40

(f) Senal modulada en 193.0 THz

Figura 5.32: Senales moduldas al llegar al fotodetector

De tal manera se observa que aunque la senal llegue con un nivel bajo de poten-

cia, sus caracterısticas en cuanto su forma de onda no se ven altamente afectados.

La manera de mitigar este nivel de potencia es por medio de un EDFA que per-

mita garantizar un valor considerable respecto a la sensibilidad de fotodetector y

ası garantizar un BER especifico. Parte del analisis es ver las caracterısticas de la

transmision por medio del diagrama de ojo y ası poder evaluar los parametros que

hacen parte de este metodo, facilitando evidenciar el comportamiento del enlace

de transmision. Es por ello que ahora se mostrara el diagrama de ojo obtenido pa-

ra canal tanto para la transmision de subida como la de bajada teniendo lo siguiente:


(a) Diagrama de ojo para193.1 THz (bajada)

(b) Diagrama de ojo para193.1 THz (subida)

(c) Diagrama de ojo para193.2 THz (bajada)

(d) Diagrama de ojo para193.2 THz (subida)

(e) Diagrama de ojo para193.3 THz (bajada)

(f) Diagrama de ojo para193.3 THz (subida)

(g) Diagrama de ojo para193.4 THz (bajada) THz

(h) Diagrama de ojo para193.4 THz (subida)

Figura 5.33: Diagramas de ojo de subida y bajada para λ1, λ2, λ3 y λ4


(a) Diagrama de ojo para193.5 THz (bajada)

(b) Diagrama de ojo para193.5 THz (subida)

(c) Diagrama de ojo para192.8 THz (bajada)

(d) Diagrama de ojo para192.8 THz (subida)

(e) Diagrama de ojo para192.9 THz (bajada)

(f) Diagrama de ojo para192.9 THz (subida)

(g) Diagrama de ojo para193.0 THz (bajada)

(h) Diagrama de ojo para193.0 THz (subida)

Figura 5.34: Diagramas de ojo de subida y bajada para λ5, λ6, λ7 y λ8


De esta manera los parametros obtenido por analizador de BER se resumen en

la tabla de a continuacion:

Cuadro 5.17: Resultados obtenidos por analizador de BER para informacion desubida y bajada para tercer diseno


Bajada

λ1 193.1 THz 1.91645x10−117 23.0022 0.00145543λ2 193.2 THz 2.62059x10−69 17.5565 0.000216346λ3 193.3 THz 9.7294x10−70 17.613 0.00019319λ4 193.4THz 1.74416x10−83 19.3199 0.000301151λ5 193.5 THz 8.75395x10−60 16.2647 0.000161469λ6 192.8 THz 1.00636x10−84 19.4672 0.000409698λ7 192.9 THz 3.61704x10−55 15.5997 0.000146888λ8 193.0THz 3.77406x10−97 20.8798 0.000553097

Subida

λ1 193.1 THz 1.31652x10−62 16.6583 0.000162095λ2 193.2 THz 9.76264x10−13 7.03686 1.74538x10−5

λ3 193.3 THz 3.71013x10−13 7.17087 1.56864x10−5

λ4 193.4THz 1.52142x10−21 9.45918 3.2307x10−5

λ5 193.5 THz 6.21698x10−9 5.68868 1.12583x10−5

λ6 192.8 THz 6.23842x10−23 9.7869 3.85284x10−5

λ7 192.9 THz 9.44916x10−11 6.3661 1.49157x10−5

λ8 193.0THz 1.38815x10−31 11.6335 5.34737x10−5

Es posible ver que para los datos de bajada se obtienen valores de BER muy

por encima de los recomendados, debido a que al momento de llegar al fotodetector

el nivel de potencia para cada unas estas senales tiene una diferencia considerable

respecto a la sensibilidad, caso diferente para los datos de subida ya que a pesar

de tener un EDFA adicional en el receptor de cada OLT, se alcanzan a evidenciar

valores de 10−9 en el BER y ademas de ello el factor de calidad tiene una diferencia

negativa de 10 aproximadamente respecto a los datos de subida, tambien se obtienen

unas aperturas de ojo con valores de 10−5 aproximadamente, mientras que en la

informacion ascendente el valor mınimo encontrado fue 0.000146888. Es evidente

que para este diseno planteado hay penalizaciones de potencia mayores que en los


anteriores, debido a que se hace uso dispositivos que tienen perdidas de insercion de

un mayor valor, ademas de ello estas perdidas de potencia son generadas tambien

segun el modo de operacion de algunos elementos, como por ejemplo para el caso del

filtro gaussiano que al configurar un ancho de banda tan directivo para asegurar un

anchura de linea similar a la de un laser se evidencian perdidas de 6.2 dB. Todas estas

perdidas pueden verse compensadas de manera positiva al mostrar que por medio de

una sola fuente no coherente se llego a 8 ONTs teniendo transmision bidireccional y

haciendo uso de dos hilos fibra que permitieron reutilizar las longitudes de onda de

bajada.

5.4. Analisis de BER Respecto a Distancia

Para abarcar un mayor analisis de los posibles cambios que pueda tener la red

de acceso, se evaluara ahora el comportamiento que pueda tener el BER respecto a

las variaciones de distancia del enlace de fibra, esto permitira tener una percepcion

mucho mas amplia de los alcances que pueda tener la red con esta tecnica de gene-

racion de portadoras opticas. Este analisis se baso en el primer diseno en donde la

transmision de informacion solo es de bajada y la variacion de la distancia se hizo

desde 20 Km hasta 45 Km. Para efectos practicos se tomo saltos de 5 km y en base a

esto se obtiene la variacion del BER para cada canal, estos valores se resumen en la

siguientes tablas que permitiran obtener posteriormente de manera grafica un mejor

analisis de los posibles alcances que tenga la red y la es escalabilidad a la que se

pueda llegar utilizando el ranurado espectral:

Cuadro 5.18: Variacion de BER respecto a distancia - Parte 1

Distancia BER(Canal 1) BER(Canal 2) BER(Canal 3) BER(Canal 4)

20 Km 2,43x10−120 9,64x10−73 1,50x10−74 4,23x10−87

25 Km 3,59x10−79 2,87x10−52 5,77x10−59 8,77x10−64

30 Km 1,80x10−26 2,20x10−24 4,88x10−26 6,60x10−27

35 Km 3,83x10−14 2,83x10−14 8,76x10−15 3,09x10−14

40 Km 2,66x10−12 3,22x10−11 3,83x10−12 4,84x10−12

45 Km 4,61x10−11 1,80x10−10 7,05x10−12 1,27x10−10



Distancia BER(Canal 5 ) BER(Canal 6) BER(Canal 7) BER(Canal 8)

20 Km 1,55x10−63 9,28x10−89 6,82x10−59 1,40x10−100

25 Km 2,63x10−56 4,49x10−60 1,33x10−43 1,70x10−73

30 Km 1,60x10−25 6,34x10−26 5,53x10−18 7,00x10−26

35 Km 8,15x10−13 1,56x10−13 1,31x10−12 5,53x10−14

40 Km 5,76x10−11 1,58x10−12 3,13x10−12 4,17x10−12

45 Km 1,97x10−9 1,87x10−12 3,17x10−10 5,82x10−12

De tal manera que se obtiene la siguiente grafica en escala semilogaritimica para

el eje del BER permitiendo evidenciar el comportamiento ante las variaciones de

distancia:

Distancia (Km)

20 25 30 35 40 45

BE

R

10-120

10-100

10-80

10-60

10-40

10-20

100

BER 1

BER 2

BER 3

BER 4

BER 5

BER 6

BER 7

BER 8

Figura 5.35: Distancia vs BER

Esta variacion se hizo hasta 45 Km ya que en esta distancia se llego a los niveles

mınimos para garantizar una calidad de servicio para el enlace, de esta manera es

posible tener una mayor despliegue para la red propuesta utilizando el particiona-

miento espectral. Es posible transmitir con un enlace de mayor distancia utilizando

amplificadores desde la OLT y haciendo uso de fibra compensadoras de dispersion

cromatica ya que para distancias de este orden este fenomeno empieza a ser repre-


sentativo. Cabe resaltar que este analisis se hizo para el primer diseno con la etapa

de amplificacion en la ONT, para ahora mostrar el alcance que pueda tener la red

sin esta ganancia. De esta manera ahora la variacion de distancia se hace desde 20

Km hasta 30 Km con saltos de 2.5 Km, con el fin de evidenciar el comportamiento

del BER. La siguiente tabla resume los resultados obtenidos.


Distancia BER(Canal 1) BER(Canal 2) BER(Canal 3) BER(Canal 4)

20 Km 1.38x10−82 7.83x10−23 7.09x10−19 9.74x10−28

22.5 Km 2.42x10−81 3.85x10−16 2.53x10−13 1.67x10−24

25 Km 1.59x10−71 1.91x10−15 1.39x10−13 4.05x10−21

27.5 Km 2.29x10−42 8.19x10−12 4.17x10−10 6.38x10−17

30 Km 8.90x10−24 4.69x10−9 9.48x10−8 1.07x10−12


Distancia BER(Canal 5 ) BER(Canal 6) BER(Canal 7) BER(Canal 8)

20 Km 1.74x10−13 1.35x10−39 3.21x10−13 1.17x10−53

22.5 Km 1.69x10−12 1.23x10−35 1.52x10−10 3.89x10−52

25 Km 2.85x10−11 2.49x10−30 1.34x10−7 1.37x10−37

27.5 Km 7.45x10−8 2.68x10−19 1.87x10−7 4.63x10−25

30 Km 5.97x10−7 4.56x10−16 1.67x10−6 3.06x10−17

En esta medida los datos obtenidos permiten evidenciar que en los 30 Km la senal

ya ha tenido una degradacion considerable para no alcanzar un valor de BER que

asegure la transmision de informacion, debido a que ya se obtiene valores del orden

de los 10−6 para el peor canal y de 10−24 para el mejor, es por ello que si se quiere

tener un mayor alcance en el enelace de fibra es recomendable utilizar amplificacion

ya sea en las ONTs o en las OLTs y de de igual forma compensar de alguna manera

la dispersion cromatica que se pueda acumular en la fibra.


5.5. Analisis de Penalizaciones de Potencia y BER

Respecto a Ancho de Banda del AWG

El primer AWG encargado de hacer el slicing para el funcionamiento de la red,

cumple una funcion determinante en todo el proceso, es por ello que el siguiente anali-

sis hecho se basa en la variacion del parametro de ancho de banda de este dispositivo

para rebanar espectro de la fuente ASE ingresada y ası poder evidenciar como influye

en las penalizaciones de potencia y el BER obtenido conforme se aumenta este valor.

Los datos para esta anlisis se resumen en la siguiente tabla:

Cuadro 5.22: Variacion de potencias respecto a ancho de banda del AWG

BW Potencia 1 Potencia2 Potencia 3 BER

50 MHz -1.375 dBm -4.719 dBm -14.745 dBm 2.21645x10−120

55 MHz -1.375 dBm -4.719 dBm -14.744 dBm 3.49848x10−120

60 MHz -1.375 dBm -4.707 dBm -14.731 dBm 9.68314x10−64

65 MHz -1.356 dBm -4.651 dBm -14.676 dBm 5.33578x10−17

70 MHz -1.248 dBm -4.465 dBm -14.490 dBm 1.48129x10−5

75 MHz -0.920 dBm -4.025 dBm -14.050 dBm 0.0039796980 MHz -0.292 dBm -3.287 dBm -13.311 dBm 0.01995185 MHz 0.564 dBm -2.349 dBm -12.373 dBm 0.034830590 MHz 1.502 dBm -1.366 dBm -11.390 dBm 0.043189595 MHz 2.399 dBm -0.448 dBm -10.472 dBm 0.0470571100 MHz 3.196 dBm 0.356 dBm -9.668 dBm 0.0486153

La Potencia 1 es el nivel con el que sale la portadora optica desde el AWG,

seguido se encuentra el nivel de potencia despues de la modulacion dentro de la

OLT, la Potencia 3 hace referencia al nivel con el que llega la senal despues de

ser demultiplexada en el ultimo AWG y finalmente el BER obtenido respecto a la

variacion del ancho de banda del AWG. La informacion proporcionada en la tabla

permite ver el decaimiento que posee el BER conforme se aumenta el ancho de

banda, de manera tal que los valores en los que es mas optimo transmitir son para

las portadoras con un ancho espectral menor 65 MHz. Los valores son tomados desde

50 MHz debido a que no se encuentran cambios significativos en el BER y la potencia

con anchos de banda menores. La grafica que permite evidenciar este cambio es la


siguiente:

FWHM(MHz)

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

BE

R

10-120

10-100

10-80

10-60

10-40

10-20

100

Figura 5.36: BER vs Ancho de Banda

Las penalizaciones de potencia existentes en la red ahora son evaluadas conforme

se aumenta el ancho de banda, estas penalizaciones son tomadas desde que sale la

portadora optica hasta que llega a la ONT y las perdidas existentes que hay despues

de la modulacion, esta informacion se resume en el siguiente cuadro:

Cuadro 5.23: Penalizaciones de potencia

Ancho de Banda Penalizaciones 1 Penalizaciones 2

50 MHz 3.344 dB 13.37 dB55 MHz 3.344 dB 13.369 dB60 MHz 3.332 dB 13.356 dB65 MHz 3.295 dB 13.32 dB70 MHz 3.217 dB 13.242 dB75 MHz 3.105 dB 13.13 dB80 MHz 2.995 dB 13.019 dB85 MHz 2.913 dB 12.937 dB90 MHz 2.868 dB 12.892 dB95 MHz 2.847 dB 12.871 dB100 MHz 2.84 dB 12.864 dB


La representacion grafica de las penalizaciones de modulacion respecto a la va-

riacion del ancho de banda es la siguiente:

BW(MHz)

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Penaliz

ació

n(d

B)

2.8

2.9

3

3.1

3.2

3.3

3.4

Figura 5.37: Penalizaciones de potencia 1 vs Ancho de Banda

Para las penalizaciones existentes desde que se genera la portadora optica, hasta

que llega a la ONT se tiene la siguiente representacion grafica:

BW(MHz)

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

Penaliz

ació

n(d

B)

12.8

12.9

13

13.1

13.2

13.3

13.4

Figura 5.38: Penalizaciones de potencia 2 vs Ancho de Banda

Como se muestra en las figuras 5.39 y 5.39 existen menores penalizaciones para

mayores anchos de banda, pero este efecto se ve opacado con el aumento significativo

del BER despues de los 65 MHz, por lo tanto se establece que el rango de trabajo


para el cual el ancho de banda es el mas apropiado, es desde los 10 MHz hasta los

65 MHz.

5.6. Analisis de BER Respecto a la Variacion de

la Tasa de Transmision

Para este analisis se tendra en cuenta el primer diseno sin amplificacion dentro

de la ONT, tomando como referencia el mejor y el peor canal con el fin de evidenciar

su comportamiento ante la variacion de la tasa de transmision, disminuyendo esta

valor hasta los 2.5 Gbps como se muestra en la tabla de a continuacion:

Cuadro 5.24: Penalizaciones de potencia

Tasa de Transmision BER(Peor Canal) BER(Mejor Canal)

2.5 Gpbs 1.40x10−28 2.01x10−204

3 Gpbs 3.90x10−20 6.31x10−192

4 Gpbs 9.40x10−19 1.48x10−165

5 Gpbs 2.44x10−19 9.67x10−150

6 Gpbs 1.45x10−15 2.74x10−140

7 Gpbs 1.17x10−14 8.02x10−98

8 Gpbs 4.03x10−16 2.32x10−85

9 Gpbs 7.85x10−12 1.15x10−56

10 Gpbs 3.21x10−13 1.17x10−53

Como se muestra en la tabla dependiendo de los requerimientos de la red y la

calidad de servicio que se quiera garantizar, se puede establecer una tasa de trans-

mision especifica, debido a que a menores tasa de transmision se encuentran valores

de BER menores, permitiendo ası darle cabida a pequenos aumentos en la distancia

y ancho de banda del AWG para asegurar un mayor alcance de la red y un nivel de

potencia determinado. Para evidenciar de una mejor manera este analisis, se presenta

continuacion la variacion mostrada en el cuadro anterior para el mejor y peor canal

de manera grafica, teniendo en escala semilogaritmica el eje de los valores para el

BER como se muestra continuacion:


Tada de transmisión (Gbps)

2 3 4 5 6 7 8 9 10

BE

R

10-250

10-200

10-150

10-100

10-50

100

BER peor canal

BER mejor canal

Figura 5.39: BER vs Tasa de Transmision

La tasa de transmision se trabaja dentro de estos valores con el fin de evitar

posibles efecto no lineales dentro de la fibra que puedan afectar a la informacion. Los

valores obtenido para la menor tasa analizada muestran que es posible llegar hasta

los 10−28 para el peor canal y 10−204 para el mejor, siendo valores con una diferencia

considerable respecto a los que recomienda la ITU para tasas de transmision de 2.5

Gbps.

Capıtulo 6

Conclusiones

Como parte fundamental de todo el desarrollo planteado, el ranurado espectral

cumple el papel mas importante, dado de que por medio de esta tecnica en la

que se utiliza un fuente de luz de banda ancha y un AWG, fue posible obtener

portadoras opticas en diferentes frecuencias para modular la informacion dentro

de la OLT, permitiendo brindar una solucion mucho mas economica y eficiente

en comparacion de utilizar lasers sintonizados en una frecuencia determinada

para cada canal. De igual manera las prestaciones obtenidas permitieron te-

ner tasas de error muy bajas para algunos canales y para otros aunque sus

valores se acercaron a los recomendados se permitio asegurar la transmision

de informacion, todos estos valores pueden ser compensados con una ganancia

que asegure un nivel de potencia para que los valores de BER sean muy bajos,

dado de que las penalizaciones de potencia en la red no permiten tener mejores

valores.

Para el analisis del funcionamiento de la red fue evaluado el presupuesto de po-

tencia, tomando como referencia los diferentes niveles medidos en cada punto

de la red, permitiendo ası evidenciar en que partes habıan mayores penaliza-

ciones de potencia y los factores influyentes como perdidas de insercion de los

dispositivos y los factores de la fibra como la atenuacion y la dispersion cromati-

ca. Las mayores perdidas encontradas en la red son producto en su mayorıa

por las perdidas de insercion y filtrado en el AWG para el primer planteamien-

105

Capıtulo 6. Conclusiones 106

to unidireccional, para le red en la que se propone un sistema bidireccional

reutilizando las frecuencias de bajada se evidencia un punto de la red en el

que se encuentran perdidas de 6.5 dB producto de un filtrado gaussiano con el

fin de lograr un ancho espectral directivo para la modulacion de la informacion.

El desarrollo de todo el proyecto fue posible sin duda al software de simulacion

Optisystem, el cual permitio un amplio analisis de los disenos propuesto que

permitieran evidenciar el funcionamiento, trayendo todas las abstracciones des-

critas en el diseno a modulos que emulan el funcionamiento de cada elemento a

utilizar, posibilitando tener una perspectiva de lo que seria el funcionamiento

con componentes reales. Aunque fue posible probar todo lo que se planteaba

se tuvieron algunas restricciones en cuantos a los componentes bidireccionales

debido a su modo de operacion simultanea, puesto que para los dos sistemas

bidireccionales que se plantearon las portadoras opticas de subida dependıan

de las senales opticas de bajada.

Para el funcionamiento de la red unidireccional fue posible lograr la transmi-

sion de informacion sin necesidad de tener amplificadores en sus terminales.

Posterior a que se evalua esta misma red con un EDFA en cada ONT se propo-

nen los otros dos sistemas bidreccionales como solucion al problema de tener

una red que mantenga informacion ascendente y descendente. De esta manera

sin salirse de la topologıas de las PONs fue posible evidenciar que por medio

de ganancias fijas en los terminales que aseguraran que el peor canal tenia un

mınimo BER recomendado el funcionamiento de dos sistemas bidireccionales

que cumplieron con los requerimientos necesarios para garantizar una calidad

de servicio con los estandares actuales.

Estas topologıas de red por medio de esta tecnica, quedan abiertas a diferentes

aplicaciones en las que se trabajen con WDM, dado de que el AWG es un

dispositivo que puede ser trabajado de diferente modos de operacion. Estas

aplicaciones pueden ser adaptadas a enlaces de larga distancia en las que se


puede utilizar el AWG como un multiplexor de extraccion e insercion de canales,

saliendose de las topologıas de las PONs utilizando amplificadores de linea que

aseguren los niveles de potencia con enlaces mayores a los 80 km.

El funcionamiento de la red fue verificado por un parametro determinante en

el dominio electrico que es la tasa de error de bit, siendo este medido para to-

dos los disenos de red propuestos. Como se menciono anteriormente se debıan

asegurar valores de BER menores a 1 · 10−10, el cual fue posibles lograrlos con

excepcion para algunos canales en los sistemas bidireccionales en los que se

obtuvieron valores del orden de 10−9, aunque este valor sea un poco mayor que

el valor recomendado aun ası permite asegurar la transmision de informacion

con los requerimientos mınimos. Aunque fue necesario implementar amplifica-

dores con ganancia fija dentro de las OLT y las ONT, estos fueron simplemente

utilizados para asegurar un BER mınimo para el peor canal y ası evidenciar el

comportamiento que tenia cada uno de ellos en las mismas condiciones. Para

los mejores canales de obtuvieron valores del orden de 10−122 hasta 10−117 y

para el diseno inicial en el que no se utiliza ningun amplificador el mejor valor

fue 1,38 · 10−82, todos estos valores tiene una diferencia significativa con los va-

lores que son recomendados permitiendo tener una mejores prestaciones para

la red de acceso.

El hecho de tener portadoras opticas con diferentes niveles de potencia al ha-

cer el ranurado espectral, puede ser causado por las caracterısticas de la fuente

ASE que se le es inyectada al AWG, ya que al ser generada por una laser CW

en el que se le es variado su ancho de linea, este aun permite evidenciar que

tiene un nivel de potencia mayor en su frecuencia en el que es sintonizado.

Otro factor influyente a estas diferencias de potencia puede ser causado por la

guıas de onda de agrupamiento intermedio dentro del AWG ya que tienen un

diferencia de longitud para lograr un desfase entre ellas.

Para las metodologıas propuestas de los sistemas bidireccionales se tiene que

hay penalizaciones de potencia mayores en comparacion al primer diseno pro-


puesto de bajada, pero esto puede verse compensado de manera positiva al

demostrar que con una misma fuente de luz optica fue posible lograr sistemas

que transmitiera informacion de manera ascendente y descendente para 8 y

4 ONTs. Estos disenos pueden ser de gran atractivo para las empresas pro-

veedoras de servicios dado que puede ser un alternativa en la que se puedan

minimizar costos con el fin de lograr una masificacion al acceso de las redes

opticas.

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Diseño y Análisis de una Red de Acceso Tipo WDM...

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