Diseño de un sistema de transmisión WDM-SCM para red...

DISEÑO DE UN SISTEMA DE

TRANSMISIÓN WDM-SCM PARA RED

METROPOLITANA CONVERGENTE BAJO

EL PARADIGMA DE PARTICIONADO

ESPECTRAL

Autor

Fabian Ranulfo Cuesta Quintero

Tutor

Ing. Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón, Ph.D

Universidad Distrital Francisco José De Caldas

Maestría en Telecomunicaciones Móviles – Metodología Virtual

Línea de Investigación: Sistemas ópticos de alta capacidad

Bogotá D.C, Colombia

Octubre de 2018

Diseño de un sistema de transmisión WDM-SCM para red metropolitana convergente bajo el

paradigma de particionado espectral

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“Hijo, estudie

Que es la única herencia

Que existe”

Clara Quintero



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Dedicatoria

Quiero dedicar primero que todo esta investigación a mi DIOS, a mi Esposa Julian Andrea

Sepulveda y a mis hijos Matias y Aaron, de igual manera pedirles perdón, porque durante este

periodo no pude dedicarles el tiempo como esposo y padre al 100 %, sin embargo, alguna vez

alguien importante en mi vida, me dijo “DIOS sabe cómo hace las cosas pronto vendrán

recompensas”.

En segundo lugar quiero dedicarle este triunfo a mi hermano Byron, su esposa y mi sobrina

hermosa Clarita.

Por ultimo a todos mis familiares y amigos que se alegran por este logro alcanzado.

.



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Agradecimientos

Quiero agradecer a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por brindarme la

oportunidad de cumplir un sueño “Estudiar algo que me gustara, sin necesidad de hacer presencia

físicamente (modalidad virtual)”, es verdaderamente una extensión a la comunidad.

Al cuerpo de docentes, por ser tan honestos a la hora de impartir o asesorar sus clases, de

tal manera que nunca note que fuera en un ambiente virtual. A mis compañeros por hacer parte de

este ambiente colaborativo, y que se demostró que si se pueden generar lazos de amistad

fuertes… Diego, JJ, Viviana, Julieth, Eduardo, Elkin.

Finalmente agradecer a mi director Dr. Gustavo Puerto, por permitirme la oportunidad de

trabajar junto a él. Por brindarme su conocimiento y experiencia en la orientación de la

investigación, por su paciencia y dedicación cada ocho días, que me permitieron siempre tener la

motivación necesaria para lograr la última etapa de la Maestría.



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TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ............................................................................................................................ 13

PALABRAS CLAVE .............................................................................................................. 13

1. GENERALIDADES ........................................................................................................ 14

1.1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 14

1.2 PROBLEMA DE INVESTIGACION ....................................................................... 15

1.2.1 Planteamiento del problema........................................................................... 15

1.2.2 Formulación del problema .............................................................................. 16

1.2.3 Sistematizacion del problema ............................................................................ 16

1.3 OBJETIVOS ........................................................................................................... 17

1.3.1 Objetivo general ............................................................................................. 17

1.3.2 OObjetivos específicos ................................................................................... 17

1.4 JUSTIFICACION .................................................................................................... 17

2. MARCO DE REFERENCIA .......................................................................................... 19

2.1 MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 19

2.2 MARCO CONCEPTUAL ........................................................................................ 21

2.2.1 Filtros ópticos .................................................................................................. 21

2.2.2 Transporte 5G .......................................................................................................... 28

3. TÉCNICAS DE GENERACIÓN DE SISTEMAS MULTI-PORTADORA ...................... 30

3.1 WDM ...................................................................................................................... 30

3.1.1 Sistema wdm .................................................................................................. 30

3.1.2 Componentes ................................................................................................. 31

3.1.3 Problemas que afectan el rendimiento del sistema ....................................... 53

3.1.4 Subtipos de sistemas wdm ............................................................................. 56

3.2 MULTIPLEXACIÓN POR DIVISIÓN DE SUBPORTADORA (SCM) .................... 59



Página | 6

3.2.1 Descripción de scm ........................................................................................ 59

3.2.2 Generación de señales scm ........................................................................... 64

4. DISEÑO DEL SISTEMA WDM-SCM ............................................................................ 67

4.1 MODELAMIENTO DEL PARTICIONADO ESPECTRAL A TRAVÉS DE UNA

FUENTE LÁSER Y UN AWG DE PRUEBA ..................................................................... 67

4.1.1 Envío de información utilizando la portadora segmentada ........................... 70

4.1.2 Recepción de datos de prueba ...................................................................... 71

4.2 SISTEMA DE GENERACIÓN WDM SCM CON DETECCIÓN DIRECTA ........... 73

4.2.1 Implementación de una subportadora, visualización y transmisión en el

dominio de la frecuencia y detección de la scm ........................................................... 73

4.2.2 Agregación del módulo de fibra óptica ........................................................... 75

4.3 SISTEMA DE GENERACIÓN WDM-SCM CON FILTRADO ÓPTICO ................. 83

4.4 DISEÑO DEL ESQUEMA GENERAL DE LA RED ............................................... 88

4.4.1 Configuración del esquema general de la red propuesta .............................. 89

5. RESULTADOS .............................................................................................................. 94

5.1 EVALUACIÓN DEL PARTICIONADO ESPECTRAL DEL SISTEMA ................... 94

5.2 EVALUACIÓN DE LA RED DE ACCESO ............................................................. 95

5.3 EVALUACION DE LA RED METRO ..................................................................... 98

6. VALIDACIÓN EXPERIMENTAL ................................................................................. 103

6.1 VALIDACION EXPERIMENTAL DEL PARTICIONADO ESPECTRAL .............. 103

6.2 VALIDACION EXPERIMENTAL RED ACCESO/METRO .................................. 104

6.3 VALIDACION EXPERIMENTAL RED ACCESO/METRO CON SEÑAL

MODULADA .................................................................................................................... 109

6.3.1 Medida de calidad para las constelaciones ................................................. 112

7. CONCLUSIONES........................................................................................................ 114

8. REFERENCIAS ........................................................................................................... 116



Página | 7

LISTADO DE TABLAS

PAG.

Tabla 1.Coeficientes de la función de transferencia de un interferómetro Mach-Zehnder

para sus diversas configuraciones Entrada-Salida posibles ............................................... 25

Tabla 2. Características técnicas, topologías y ventajas de un sistema CWDM ................ 56

Tabla 3. Ventajas, desventajas y distribución de canales de un sistema DWDM .............. 58

Tabla 4. Comparación entre CWDM y DWDM.. .................................................................. 58

Tabla 5. Configuración del Láser ......................................................................................... 68

Tabla 6.Configuración del AWG ........................................................................................... 68

Tabla 7.Configuración del generador de secuencia de bits pseudoaleatorio ..................... 70

Tabla 8.Configuración del generador de pulsos .................................................................. 70

Tabla 9.Configuración del modulador AM............................................................................ 71

Tabla 10. Configuración del fotodetector ............................................................................. 71

Tabla 11. Configuración filtro tipo bessel paso bajo ............................................................ 72

Tabla 12.Configuración del AWG (variación del parámetro ancho de banda) ................... 73

Tabla 13. Configuración del modulador de amplitud eléctrica ............................................ 73


Tabla 15. Configuración del demodulador de amplitud eléctrica ........................................ 74

Tabla 16. Configuración del Layout ..................................................................................... 74

Tabla 17. Configuración de fibra óptica ............................................................................... 75

Tabla 18.Filtro invertido Bessel ............................................................................................ 84


Tabla 20. Configuración del Láser ....................................................................................... 89

Tabla 21. Amplificador Óptico .............................................................................................. 89

Tabla 22. Configuración del AWG ........................................................................................ 90

Tabla 23. Configuración del circulador ................................................................................ 90

Tabla 24. Configuración splitter 1x2..................................................................................... 91

Tabla 25. Configuración switch ............................................................................................ 91

Tabla 26. Filtro invertido Bessel ........................................................................................... 92

Tabla 27. Amplificador Óptico .............................................................................................. 93

Tabla 28 : Configuración básica del esquemático 1 .......................................................... 103



Página | 8

Tabla 29. Respuestas de potencia a diferentes frecuencias a 1 km de fibra óptica......... 106

Tabla 30.Respuestas de potencia a diferentes frecuencias a 5 km de fibra óptica.......... 107

Tabla 31.Respuestas de potencia a diferentes frecuencias a 10 km de fibra óptica........ 108

Tabla 32.Configuración básica del esquemático 2 ............................................................ 109

Tabla 33. Constelación 1 GHz SCM/QPSK a 10 km de fibra óptica ................................. 110

Tabla 34.Constelación 3 GHz SCM/QPSK a 10 km de fibra óptica .................................. 110

Tabla 35. Constelación 1 GHz SCM/16 QAM a 10 km de fibra óptica.............................. 111

Tabla 36. Constelación 3 GHz SCM/16 QAM a 10 km de fibra óptica.............................. 112



Página | 9

LISTADO DE FIGURAS

PAG.

Figura 1. Previsión del volumen de tráfico de datos móviles de 2017 (en terabytes por

mes).. .................................................................................................................................... 16

Figura 2 . Selección de canal a través de un filtro óptico sintonizable............................... 21

Figura 3 . Tres tipos de filtros basados en varios dispositivos interferométricos y

difractivos: (a) Filtro Fabry-Perot; (b) filtro Mach-Zehnder; (c) filtro de Michelson basado en

rejilla.. .................................................................................................................................... 22

Figura 4.Etalón Fabry-Perot. ............................................................................................... 23

Figura 5. Filtro Mach-Zehnder.. ........................................................................................... 24

Figura 6.Esquema de un interferómetro Michelson.. .......................................................... 26

Figura 7. Esquema básico del funcionamiento de un sistema WDM. Para cada uno de los

canales hay un láser emitiendo a diferente frecuencia. Posteriormente se multiplexan

todos los canales en una fibra óptica de gran capacidad. En el receptor un filtro óptico

sele.. ..................................................................................................................................... 31

Figura 8. Sección transversal y perfil del índice de refracción de las fibras de salto de

índice y de índice gradual. ................................................................................................... 32

Figura 9. (a) Fibra multimodo y (b) Fibra monomodo.. ....................................................... 33

Figura 10. Factores que afectan la propagación en las fibras ópticas .. ............................ 34

Figura 11.Demultiplexor basado en rejas que hace uso de (a) una lente convencional y

(b) un indice graduado. ........................................................................................................ 35

Figura 12.Diseño de un multiplexor de guía de onda integrado de cuatro canales basado

en interferómetros Mach-Zehnder ........................................................................................ 36

Figura 13. Esquema de un demultiplexor de red de guía de ondas que consiste en una

matriz de guías de onda entre dos regiones de propagación libre (FPR).. ........................ 37

Figura 14.Tipos de acopladores y sus funciones: (a) acopladores de tres puertos; (b)

acopladores de cuatro puertos; (c) Acoplador en estrella; (d) multiplexor o demultiplexor

de longitud de onda. ............................................................................................................. 39

Figura 15. (a) Ilustración esquemática de un enrutador de longitud de onda y (b) su

implementación utilizando un AWG ..................................................................................... 40



Página | 10

Figura 16.Esquema de un láser WDM hecho integrando un AWG dentro de la cavidad del

láser.. .................................................................................................................................... 42

Figura 17.(a) Geometría de un demultiplexor AWG, (b) geometría de enfoque del haz en

la región libre de propagación. ............................................................................................. 44

Figura 18.Principio de AWG. ............................................................................................... 45

Figura 19. (Izquierda) El campo en el plano de imagen para diferentes longitudes de

onda, que muestra la influencia del patrón de campo lejano de la matriz individual de guía

de onda y la aparición de diferentes órdenes (derecha) la curva de respuesta de

frecuencia. .......................................................................................................................... 48

Figura 20. Perfil de modo de la guía de onda receptora Ur(s) y el campo focal Uf (s). .... 50

Figura 21. Explicación esquemática de la técnica de pre-énfasis (a) sistema WDM

convencional, (b) sistema WDM con pre-énfasis. ............................................................... 54

Figura 22. Diagrama esquemático de los modos laterales falsos generados debido al

FWM (a) Caso de dos señales, (b) Caso de tres señales.. ................................................. 55

Figura 23. Ilustración esquemática de la multiplexación de la subportadora SCM.. ......... 60

Figura 24. Intermodulación producida en el transmisor. .................................................... 62

Figura 25. Fenómeno clipping: distorsión de la señal óptica a la salida del láser.. ........... 63

Figura 26. Esquema para la generación de paquetes ópticos SCM a través de la

multiplexación eléctrica. ....................................................................................................... 65

Figura 27. Esquema para la generación de paquetes ópticos SCM a través de la

multiplexación óptica de la carga y la etiqueta. ................................................................... 66

Figura 28. Caracterización del AWG .................................................................................. 67

Figura 29.Comportamiento del particionado para 50 GHz ................................................. 68

Figura 30 .Comportamiento del particionado para 100 GHz .............................................. 69

Figura 31.Comportamiento del particionado para 200 GHz ............................................... 69

Figura 32.Señal modulada .................................................................................................. 70

Figura 33. Recepción en datos ........................................................................................... 71

Figura 34. Ausencia datos en recepción ............................................................................. 72

Figura 35. Diagrama de ojo en recepción ........................................................................... 72

Figura 36.Esquema con SCM ............................................................................................. 75

Figura 37. Esquema con la incorporación de fibra óptica .................................................. 76



Página | 11

Figura 38. Comportamiento del factor Q frente a la variación de la longitud de la fibra y

banda de paso del AWG y a una frecuencia constante de 10 GHz. ................................... 77

Figura 39. Espectro potencial para 5G en mmw. ............................................................... 79

Figura 40. Comportamiento del factor Q frente a la variación de la frecuencia de 5GHz, 30

GHz y 60 GHz para las distancias 15 km, 20 km y 25 km. ................................................. 79

Figura 41.Incremento del AWG a 8x8 ................................................................................. 80

Figura 42.verificacion de que en recepción existen datos para la salida 1 ........................ 80

Figura 43. Señal reportada por las siete salidas adicionales del AWG ............................. 81

Figura 44. Visualización completa de las subportadoras producida por la configuración del

parámetro set simple rate. .................................................................................................... 82

Figura 45. Sistema de generación WDM-SCM con filtrado óptico ..................................... 83

Figura 46. Eliminación de la portadora central a través del filtro invertido ........................ 84

Figura 47. Comportamiento del sistema teniendo en cuenta los parámetros Frecuencia-

Distancia-Banda de paso ..................................................................................................... 85

Figura 48. Comportamiento de la frecuencia (5-30-60 GHz), banda de paso fija a 50 MHz

y variación de la distancia (5-10-15-20-25-30-35-40-45-50 km). ........................................ 86

Figura 49. Comportamiento de la frecuencia (5-30-60 GHz), banda de paso fija a 100

MHz y variación de la distancia (5-10-15-20-25-30-35-40-45-50 km)................................. 86

Figura 50. Comportamiento de la frecuencia (5-30-60 GHz), banda de paso fija a 150

MHz y variación de la distancia (5-10-15-20-25-30-35-40-45-50 km)................................. 87

Figura 51.Comportamiento de la frecuencia (5-30-60 GHz), banda de paso fija a 200 MHz

y variación de la distancia (5-10-15-20-25-30-35-40-45-50 km). ........................................ 87

Figura 52. Esquema general de la red. ............................................................................... 88

Figura 53. Sistema de particionado espectral .................................................................... 89

Figura 54. Representación de la red de acceso ................................................................. 90

Figura 55.Representación de la red Metro ......................................................................... 91

Figura 56. Comportamiento de los puertos del switch ....................................................... 92

Figura 57. Esquema de recepción ...................................................................................... 93

Figura 58. Salida de las portadoras en el DEMUX, MUX ................................................... 94

Figura 59. Portadoras moduladas a 5 GHz y con una longitud de fibra de 30 km ............ 95

Figura 60. Portadoras moduladas a 30 GHz y con una longitud de fibra de 30 km .......... 96

Figura 61. Portadoras moduladas a 60 GHz y con una longitud de fibra de 30 km .......... 96



Página | 12

Figura 62. Comportamiento de la frecuencia (5-30-60 GHz) y variación de la distancia (5-

10-15-20-25-30 km) en la red de acceso. ............................................................................ 97

Figura 63. Portadoras moduladas a la salida de los dos puertos del splitter..................... 98

Figura 64. Portadoras moduladas puerto 1 y ausencia de señal puerto 2 del switch ....... 98

Figura 65. Portadoras moduladas a 5 GHz, a la salida del segundo tramo de fibra ......... 99

Figura 66. Diagrama de ojo con su respectivo factor Q en frecuencia 5 GHz ................... 99

Figura 67. Portadoras moduladas a 30 GHz, a la salida del segundo tramo de fibra ..... 100

Figura 68. Diagrama de ojo con su respectivo factor Q en frecuencia 30 GHz ............... 100

Figura 69. Portadoras moduladas a 60 GHz, a la salida del segundo tramo de fibra ..... 101

Figura 70. Diagrama de ojo con su respectivo factor Q en frecuencia 60 GHz ............... 101

Figura 71. Comportamiento de la señal en la red Metro ................................................... 102

Figura 72 : Esquema del particionado validado................................................................ 103

Figura 73: Mediciones de potencia ................................................................................... 104

Figura 74 : Mediciones de potencia vs fibra óptica .......................................................... 105

Figura 75 : Variación de la RF versus banda de paso ..................................................... 106

Figura 76. Esquema de validación experimental red Acceso/Metro con señal

modulada ............................................................................................................................ 109

Figura 77.Medida de calidad para 1 GHz SCM/QPSK/10 km, 1 GHz SCM/16QAM/10 km,

3 GHz SCM/QPSK/10 km y 3 GHz SCM/16QAM/10 km................................................... 113



Página | 13

RESUMEN

Esta investigación propone el diseño de un sistema de transmisión en multiplexación

por división de longitud de onda en combinación con multiplexación por división de

subportadora (WDM-SCM) para red metropolitana convergente bajo el paradigma de

particionado espectral que permita abordar el despliegue de sistemas de quinta

generación de redes móviles (5G). Para soportar 5G, el transporte tendrá que atender a

una amplia gama de requisitos de servicio, como por ejemplo, dar apoyo a los sistemas

de radio 5G emergente en términos de mayor capacidad y creciente número de celdas.

En la sociedad de las redes, todo lo que puede beneficiarse de una conexión será

conectado. En consecuencia, habrá una amplia gama de comunicaciones centradas en el

usuario y la máquina, con diferentes características y una amplia gama de requisitos que

la futura red necesita soportar. En este trabajo, se resume los factores clave que definen

el sistema de transmisión convergente teniendo en cuenta los conceptos sobre las

técnicas WDM y SCM con el ánimo de reducir costos de infraestructura a la hora del

despliegue.

PALABRAS CLAVE

WDM, SCM, particionado espectral, AWG, 5G.



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1. GENERALIDADES

1.1 INTRODUCCIÓN

La convergencia de los sistemas de acceso óptico e inalámbrico ha atraído mucho interés

para aumentar la capacidad y la movilidad en las redes de acceso de alta velocidad.

Además, la creciente demanda de servicios de banda ancha móvil, el surgimiento de

dispositivos móviles de alta capacidad y aplicaciones intensivas de datos, están forzando

a las redes móviles a evolucionar continuamente para cumplir con los requisitos de

capacidad y cobertura [1]. Se necesitará una amplia gama de tecnologías, en particular

en el ámbito del transporte de celdas de pequeño tamaño con el fin de soportar de

manera rentable la densificación continua de celdas, mientras que las tecnologías ópticas

seguirán migrando el acceso, impulsado por el aumento de los requisitos de capacidad y

las nuevas tecnologías ópticas [2].

El transporte de un sistema convergente estará formado por una nueva generación de

componentes ópticos, basado principalmente en la fotónica integrada, que tienen bajo

costo, baja huella y consumo de energía reducido. Es aquí donde nace como objetivo

principal el diseñar un sistema de transmisión multiplexado en longitud de onda y en

subportadora para red metropolitana convergente usando particionado espectral.



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1.2 PROBLEMA DE INVESTIGACION

El problema de investigación está definido a través del planteamiento, formulación y

sistematización del problema.

1.2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La globalización, la competitividad y las exigencias tecnológicas de un mundo

moderno, plantean retos claves a las industrias de telecomunicaciones a nivel mundial, y

es entonces cuando estas nos prometen una nueva generación, que implique bajo

consumo de energía y costos en infraestructura, según el Informe de Cisco Visual

Networking Index (VNI) sobre Tráfico Global de Datos Móviles 2016-2021, para el 2021

habrá en el mundo más teléfonos móviles (5.500 millones) que cuentas bancarias (5.400

millones), suministros de agua corriente (5.300 millones) o líneas de telefonía fija (2.900

millones, el incremento exponencial de usuarios móviles, ‘smartphones’ y conexiones del

Internet de las Cosas, junto a las mejoras en velocidad de red y el mayor consumo de

vídeo móvil, multiplicarán por siete el tráfico de datos móviles en los próximos cuatro años

[2]; de la misma manera el portal de estadística Statista indica que el tráfico global de

datos móviles apuntan a un crecimiento continuo de volumen de información, con cifras

mensuales por encima de los 30 millones de terabytes a partir de 2020 [3]. Este hecho,

junto con la creciente exigencia de una mayor calidad de servicio por parte de los clientes,

convierte a las comunicaciones ópticas en la solución más prometedora para el desarrollo

de las futuras redes de comunicación ya que es la única tecnología capaz de transportar

tasas de bits del orden del terabit por segundo.



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Figura 1. Previsión del volumen de tráfico de datos móviles de 2017 (en terabytes por mes). Tomado de [3].

De acuerdo a lo expuesto anteriormente el tráfico que se generará necesitará una

tecnología de una gran capacidad, es donde aparecen las fibras ópticas que disponen de

un gran ancho de banda de transmisión. Para aprovechar esta enorme capacidad de

espectro óptico y contrarrestar las limitaciones existentes en los sistemas tradicionales,

surge la idea de diseñar un sistema de transmisión WDM-SCM para red metropolitana

convergente bajo el paradigma de particionado espectral.

1.2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

La presente propuesta busca dar respuesta, a la siguiente pregunta de investigación:

¿De qué manera la combinación entre los sistemas de multiplexación WDM-SCM y la

técnica de particionado espectral podrá garantizar el transporte con bajas tasas de error

para señales en sistemas 5G?

1.2.3 SISTEMATIZACION DEL PROBLEMA

II. ¿Cuáles son las variables tanto de entrada como de salida en el diseño?

III. ¿De acuerdo a las herramientas de simulación existentes cual serviría con mayor

eficiencia al desarrollo de la propuesta?

IV. ¿Cómo evaluar y ratificar las características del sistema?



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1.3 OBJETIVOS

1.3.1 Objetivo General

Diseñar un sistema de transmisión multiplexado en longitud de onda y en

subportadora para red metropolitana convergente usando particionado espectral

1.3.2 Objetivos Específicos

Analizar las características de las diferentes técnicas de generación de sistemas

multi-portadora

Identificar el funcionamiento de diferentes tecnologías de filtrado óptico para realizar

funciones de segmentación del espectro.

Proponer un sistema de transmisión óptico que implemente particionado espectral

para la transmisión de señales convergentes WDM-SCM.

Evaluar la propuesta del sistema mediante procesos de simulación y modelamiento.

1.4 JUSTIFICACION

Las comunicaciones se han convertido en un factor importante a considerar en la

vida tanto de las personas, organizaciones e instituciones educativas alrededor del

mundo, ya que mediante su evolución a través del tiempo, brindan un soporte a las

nuevas tecnologías de la información y la comunicación. Con la llegada de las

tecnologías 5G puede pensarse en reemplazar por completo la fibra óptica y los sistemas

de telecomunicaciones actuales, pero no, basta solo con mejorar el espectro radio

eléctrico, las altas velocidades que se esperan solo se pueden lograr mediante redes

ópticas. Para sustentar esta postura el responsable de Nokia Mobile Networks Oceania,

Mark Barnett menciona “Necesitas mucha fibra óptica, la necesitas de verdad, redes fijas

de alta capacidad. El 5G es más que una red inalámbrica. Es una red inalámbrica y fija.

Es el futuro de la convergencia de las redes” [4].



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Principalmente la base del estudio radica en la necesidad de encontrar un valor

agregado como por ejemplo minimizar costos en infraestructura, simplificando de una

manera eficiente la forma en la que se genera una longitud de onda para un determinado

canal para un sistema convergente. La mayoría de redes WDM transportan tráfico

homogéneo, por ejemplo todos los canales ópticos transportan tramas SONET

(Synchronous Optical NETwork) OC-48 (2,5 Gbit/s) y OC-192 (10 Gbps). Sin embargo, en

el caso de tráfico no homogéneo (bien analógico/digital, o bien digital con distintas

velocidades y formatos de modulación) resulta más eficiente acudir a soluciones

alternativas. En esta situación, la solución consiste en proporcionar un nuevo nivel de

multiplexación sobre cada uno de los canales ópticos, es decir SCM. De este modo se

llega a un esquema de multiplexación híbrido WDM-SCM, en el cual se tiene un canal de

información independiente por cada una de las subportadoras que componen cada uno de

los canales ópticos WDM. Las señales SCM a diferentes longitudes de onda provenientes

de distintos transmisores ópticos se pueden multiplexar en el dominio óptico empleando

un combinador e inyectarse posteriormente en una misma fibra. La ventaja de este

esquema de multiplexación conjunto es que permite enrutar cada portadora hacia un

determinado nodo óptico en función de su longitud de onda, y posteriormente seleccionar

la subportadora de cada usuario en el dominio eléctrico [5].



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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1 MARCO TEÓRICO

En el diseño de redes ópticas, se proponen diversos esquemas para proporcionar

servicios de datos de unidifusión de alta velocidad y servicios de datos / video de

multidifusión, como TDM, multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM),

multiplexación de subportadora (SCM), WDM- Formatos de modulación PON y

ortogonales. Varios formatos de modulación ortogonal basados en la superposición de los

datos de multidifusión en datos de unidifusión son uno de los esquemas más rentables y

eficientes en ancho de banda entre otros esquemas convencionales. La polarización por

desplazamiento de polarización (PolSK) se considera una de las técnicas de modulación

prometedoras en la red óptica futura, que proporciona energía constante por bit y es útil

para eliminar la interferencia entre datos de unidifusión y señal de datos de multidifusión

[6].

La multiplexación de subportadora (SCM) se considera un complemento excelente para

WDM. SCM consiste en generar y multiplexar varias subportadoras en el dominio

eléctrico, donde cada subportadora se puede asignar a un abonado. Los altos pedidos de

modulación de amplitud en cuadratura (QAM) y transformación de pulsos Nyquist de cada

subportadora dan como resultado una alta eficiencia espectral, lo que contribuye a un

mayor número de subportadoras por canal óptico y a la relajación del número de

moduladores ópticos requeridos en cada terminal de línea óptica (OLT ). La multiplexación

por división de frecuencia ortogonal (OFDM) multibanda (MB) se considera como otro

candidato adecuado para la transmisión espectralmente eficiente y de bajo costo en redes

ópticas [7].

Una manera de aumentar la eficiencia espectral es a través de la combinación de técnicas

ortogonales multicarrier y componentes de microondas. Esta aseveración se ratifica en

[8], cuando, se realizó un experimento en tiempo real a 108 Gbit / s emulando un sistema

de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) compuesto por cinco canales



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ópticos. Los portadores ópticos fueron proporcionados por un peine de frecuencia óptica

con conmutación de ganancia inyectado externamente. Cada canal óptico transmitió una

señal de multiplexación subportadora ortogonal (SCM) de 21,6 Gbit / s que se moduló y

demoduló en el dominio eléctrico sin el requisito de procesamiento digital de la señal [9].

Los costos del terminal óptico de línea del sistema de red óptica pasiva multiplexada por

división de longitud de onda convencional (WDM-PON), se reducen introduciendo la

fuente OMC (Generador Óptico Multiportadora) en el lado del terminal óptico de línea

(OLT) del sistema WDM-PON para WDM-PON de gran capacidad que soporta numerosos

usuarios, este efecto se logra conectando tres moduladores en cascada con una fuente

láser, donde el láser está conectado con una amplitud y dos moduladores Mach-Zehnder

(MZM) en cascada. Donde todos los moduladores son impulsados por señal de RF de 30

GHz, donde no se requieren rejillas especialmente diseñadas o de fibra de bragg [8].

SDM (Space-division multiplexing), es una técnica que está siendo utilizada para mejorar

la capacidad de transmisión en una sola fibra óptica. Recientemente, se han realizados

experimentos de transmisión SDM ultradensos con una multiplicidad espacial de más de

100 mediante el uso de fibras multinúcleo de pocos modos (FM-MCF). Se ha podido

lograr una capacidad de la fibra de 10.16 peta-bit / s con una eficiencia espectral

agregada de 1099.9 bit / s / Hz. Donde los canales WDM se mantuvieron en la banda C +

L después de la transmisión [10].

Actualmente existen investigaciones referentes a la monitorización de fallas de la

infraestructura de sistemas ópticos. Donde el OTDR, puede realizar detección y

localización rápidas de fallas. El equipo de monitoreo requerido se encuentra en la oficina

central y, por lo tanto, el sistema ofrece monitoreo centralizado de forma remota. Los

resultados en esta experimento permitieron verificar que el sistema puede proporcionar un

DR aceptable para un SCM / WDM-PON con 32 longitudes de onda, cada uno tiene 8

subportadoras mientras que la transmisión de datos no se interrumpe y queda

insignificantemente afectada [1].



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2.2 MARCO CONCEPTUAL

2.2.1 Filtros Ópticos

Existen diversas aplicaciones en los modernos sistemas de comunicaciones

ópticas para las que es necesario disponer de elementos capaces de discriminar y/o

seleccionar determinado rango de frecuencias ópticas. Entre ellas podemos destacar la

selección de canales en sistemas multicanal basados en la multiplexación por división de

longitud de onda, la provisión de cavidades resonantes para implementar osciladores

ópticos, la eliminación de ruido producido por emisión espontanea amplificada en

sistemas que empleen amplificadores ópticos como repetidores, la extracción de señales

de control, el encaminamiento o conmutación de señales por su longitud de onda. Esta

tarea es propia de los filtro ópticos, cuya misión es precisamente, separar componentes

espectrales en el dominio óptico sin conversiones intermedias de la señal al dominio

electrónico. El papel de un filtro óptico sintonizable en un sistema WDM es seleccionar un

canal deseado en el receptor. La Figura 2 muestra el mecanismo de selección

esquemáticamente. El ancho de banda del filtro debe ser lo suficientemente grande como

para transmitir el canal deseado pero, al mismo tiempo, lo suficientemente pequeño como

para bloquear los canales vecinos.

Figura 2 : Selección de canal a través de un filtro óptico sintonizable Tomado [11]

Todos los filtros ópticos requieren un mecanismo selectivo de longitud de onda y

pueden clasificarse en dos grandes categorías dependiendo de si la interferencia óptica o

la difracción es el mecanismo físico subyacente.



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Cada categoría se puede subdividir según el esquema adoptado. En la figura 3 se

consideran tres tipos de filtros ópticos.

Figura 3 . Tres tipos de filtros basados en varios dispositivos interferométricos y difractivos: (a) Filtro Fabry-Perot; (b) filtro Mach-Zehnder; (c) filtro de Michelson basado en

rejilla. Tomado [11].

Las propiedades deseables de un filtro óptico sintonizable incluyen:

Amplio rango de sintonización para maximizar el número de canales que se

pueden seleccionar

Diafonía despreciable para evitar la interferencia de los canales adyacentes

Velocidad de sintonización rápida para minimizar el tiempo de acceso

Pequeña pérdida de inserción

Insensibilidad a la polarización

Estabilidad frente a cambios ambientales (humedad, temperatura, vibraciones,

etc.)

Último pero no menos importante, bajo costo.

Filtro Fabry-Perot. El Interferómetro Fabry-Perot, también conocido como interferómetro

de haces múltiples es de suma importancia en la óptica moderna. Su principal valor surge



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del hecho de que además de ser un dispositivo espectroscópico de alto poder de

resolución, también sirve como cavidad resonate para el láser, o como filtro óptico

sintonizable. En la configuración más simple se constituye como una lámina con dos

superficies planas, paralelas, altamente reflectantes y separadas por una distancia d. En

la práctica, los dos planos ópticos son de vidrio semiplateados o aluminizados forman las

superficies reflectoras. El espacio de aire entre las placas, generalmente varia de algunos

milímetros a varios centímetros cuando el aparato se utiliza para interferometría, y

frecuentemente la distancia aumenta considerablemente cuando se usa como cavidad

resonate de láser, donde normalmente el espacio entre las superficies reflejantes está

ocupado por el medio amplificador [12].

Si el espacio d puede variarse mecánicamente con el movimiento de uno de los

espejos, se llama interferómetro. Cuando los espejos se mantienen fijos y se ajustan en

paralelismo fijando con un tornillo algún tipo de espaciador (ámbar o cuarzo se usan

comúnmente), suele llamarse etalón (aunque claro está, es un interferómetro en el sentido

más amplio). En algunos casos, si las dos superficies de una placa simple de cuarzo se

pulen y se tratan apropiadamente, servirán como etalón.

Figura 4.Etalón Fabry-Perot. adaptado [13].

Descripción del funcionamiento. El etalón que mostramos en la figura 4 se supone

iluminado por una fuente extendida la cual puede ser un arco de mercurio o un haz de un

láser de Helio-Neón abierto a un diámetro de varios centímetros. A través del etalón se

traza únicamente un rayo emitido desde algún punto S1 sobre la fuente. Entrado por la

placa parcialmente espejada, se refleja varias veces dentro del espacio d. Los rayos

transmitidos son recogidos por una lente y enfocados sobre una pantalla, donde



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interfieren para formar un punto brillante u oscuro. Cualquier otro rayo emitido desde un

punto diferente S2, paralelo al rayo original y en el mismo plano de incidencia, formará un

punto en el mismo punto P sobre la pantalla. Las ondas múltiples generadas en la cavidad

y que llegan a P ya sea de S1 o S2, son coherentes entre ellas mismas. Pero los rayos

que parten de S1 son completamente incoherentes con respecto a aquellos de S2, de

modo que no hay interferencia mutua. La contribución a la irradiancia I (total) en P

justamente la suma de las contribuciones de las dos irradiancias. Todos los rayos

incidencias sobre el espacio separador con un ángulo dado resultarán en una sola franja

circular de irradiancia uniforme. Con una fuente difusa ancha, las bandas de interferencia

serán anillos concéntricos delgados, correspondientes al patrón de transmisión de haces

múltiples.

Filtro Mach-Zehnder. En la figura 5, podemos ver la configuración clásica de un filtro o

interferómetro de doble haz, también conocido como Mach-Zehnder.

Figura 5. Filtro Mach-Zehnder. adaptado [13].

Está compuesto por dos acopladores y dos tramos de fibra de longitud 𝑙 + ∆𝑙 ,

respectivamente. Cuando se introduce una señal de entrada bien por el puerto 1 o bien

por el puerto 2, el primer acoplador actúa como un divisor de haz entregado parte de esta

al brazo de longitud 𝑙 + ∆𝑙 , y parte al brazo de longitud 𝑙 . Finalmente, el segundo

acoplador combina las señales de salida de ambos brazos, siendo posible extraer la señal

resultante bien a través del puerto 3 o bien a través del puerto 4. La forma general de las

respuestas de campo eléctrico de todas las configuraciones Salida- Entrada(S,E)

responde a la expresión [13]:

𝐻𝑖𝑗(𝛽) = 𝑎𝑖𝑗 + 𝑏𝑖𝑗𝑒−𝑗𝛽∆𝑙 (1)



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donde 𝑖 representa el puerto de salida y 𝑗el puerto de entrada. En la tabla 1 se muestran

los valores de 𝑎𝑖𝑗𝑦 𝑏𝑖𝑗, para las diferentes configuraciones Salida-Entrada(S,E), donde:

√𝛼1 = √(1 − 𝛾1)(1 − 𝛾2)𝑒−𝛼(𝑙+∆) (2)

y

√𝛼2 = √(1 − 𝛾1)(1 − 𝛾2)𝑒−𝛼𝑙 (3)

representan las perdidas combinadas de la fibra y acopladores en los brazos del

interferómetro. Un caso de especial interés es donde las pérdidas en la fibra y los

acopladores son despreciables, y las constantes de acoplo de los dos acopladores son

iguales y de valor 0.5. Entonces la configuración es equivalente a la de un interferómetro

Mach-Zehnder de bloque.

Las respuestas en frecuencias ópticas se obtienen a partir de la ecuación 1 al realizar la

sustitución de la constante de fase de la fibra óptica 𝛽 = 2𝜋𝑛𝑓/𝑐. A partir de ellas se

obtiene, al igual que en el caso del filtro Fabry-Perot, las funciones de transferencia en

potencia:

Tabla 1.Coeficientes de la función de transferencia de un interferómetro Mach-Zehnder para sus diversas configuraciones Entrada-Salida posibles, adaptado de [13].

(Salida, Entrada) (3.1) (3.2) (4.1) (4.2)

𝑎𝑖𝑗 −√𝑘1𝑘2𝛼1 𝑗√(1 − 𝑘1)𝑘2𝛼1 𝑗√(1 − 𝑘2)𝑘1𝛼1 √(1 − 𝑘2)(1 − 𝑘1)𝛼1

𝑏𝑖𝑗 √(1 − 𝑘2)(1 − 𝑘1)𝛼2 𝑗√(1 − 𝑘2)𝑘1𝛼2 𝑗√(1 − 𝑘1)𝑘2𝛼2 −√𝑘2𝑘1𝛼2

Filtro de Michelson. Este tipo de filtro representa el espectro calculando la

transformada de Fourier de un patrón de interferencia medido. Se basa en la creación de

una interferencia entre la señal y una versión de ella misma retrasada. La potencia de

esta interferencia patrón se mide para un rango de valores retrasados. La forma de onda

resultante es la función de autocorrelación de la señal de entrada. Para determinar el

espectro de potencia de la señal de entrada, se aplica la transformada de Fourier a la

forma de onda de autocorrelación.



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Figura 6.Esquema de un interferómetro Michelson. Tomado [13].

La luz que emerge de una fibra óptica se colima e incide directamente sobre la

entrada del interferómetro. Cuando se usa un Michelson como medidor de longitud de

onda se suele utilizar fibra óptica monomodo. La señal de entrada se divide en dos por

medio de un divisor de haz (Beamsplitter-BS). Ambos rayos inciden sobre espejos de

reflectancia 100% y posteriormente se recombinan de nuevo sobre el divisor de haz.

Estos espejos a menudo se construyen como retrorreflectores, de forma que reflejan la luz

en un ángulo muy próximo al ángulo con el que incidió la luz sobre el espejo a la entrada.

Estos espejos introducen una diferencia de camino óptico, que retrasan los rayos

luminosos uno respecto del otro cuando se desplaza el espejo móvil, siendo luego

reunidos con el BS para producir la interferencia [13].

La señal de interferencia es detectada por un fotodiodo y posteriormente la forma

de onda de la señal sintetizada se somete a la transformada de Fourier para obtener el

espectro de potencia. Con este sistema se puede medir de forma muy precisa la longitud

de onda gracias a que se puede obtener una gran resolución haciendo más largo el brazo

del interferómetro. Si los espejos estuviesen situados a la misma distancia del divisor de

haz, despreciando las diferencias debidas al espesor del espejo, los haces se



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recombinarían en fase, y no se obtendría interferencia. Si se alejan los espejos, las

diferencias de camino óptico producirán franjas de interferencia (interferencias

constructivas o destructivas), que dependerán tanto de la distancia entre los espejos

como de la longitud de onda de la radiación utilizada [12].

A través del análisis del conjunto de franjas obtenido (interferograma), puede

obtenerse la longitud de onda. El interferograma se puede estudiar desde dos puntos de

vista, por un lado, conocida la longitud de onda del láser que produce el sistema de

franjas interferenciales, puede conocerse el retardo entre ambos brazos o la diferencia de

longitud física de ambos brazos (un Michelson trabajando de esta manera se usa en

medidas de longitudes físicas o por ejemplo en la medida de la dispersión cromática y

dispersión del modo por polarización (PMD) de una fibra). Por otra parte, cuando se

desconoce la longitud de onda de la fuente que produce el sistema de franjas de

interferencia, el número de franjas producidas por la diferencia de camino conocida nos

determina la longitud de onda de la luz incidente. Así funciona un Michelson como

medidor de longitud de onda [13].

Descripción del funcionamiento. Usándose una luz monocromática como fuente,

cuando la distancia desde el separador de haz a cada uno de los espejos es igual, se

obtiene una interferencia constructiva y la señal que llega al detector es máxima. Al

moverse el espejo móvil, los dos haces que convergen en el separador de haz estarán

fuera de fase y la señal que llega al detector decrece; cuando el espejo se ha movido

hasta 1/4 ¸ los haces convergentes tienen un desfase de 180°, entonces la interferencia

es destructiva y la señal que llega al detector es cero [12]. El movimiento posterior del

espejo dará máximos en los pasos ópticos de l/2 ¸ y ceros en los múltiplos impares de l/4

¸. La distancia recorrida por el espejo móvil, D, se llama diferencia de camino óptico, o

retraso. Si el movimiento del espejo ocurre a una velocidad constante se produce una

onda cosenoidal. El punto en el que las distancia entre el BS y el espejo fijo es igual a la

distancia entre el BS y el espejo móvil se llama ”diferencia de trayecto cero”(ZPD) [13].



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2.2.2 TRANSPORTE 5G

Las nuevas generaciones de estándares móviles se han centrado típicamente en

ofrecer mayores tasas de pico a suscriptores (por ejemplo, 1 Gbit / s ofrecido por 4G)

mejorando las interfaces y protocolos de radio y asignando nuevas bandas de frecuencia

y ancho de banda espectral más amplio por canal de frecuencia. La evolución de 5G

consiste esencialmente en combinar el soporte para diversas aplicaciones MTC con MBB

mejorado en una plataforma común. Por lo tanto, además de tasas de pico más altas,

otros factores como un mayor número de dispositivos conectados simultáneamente, una

mejor cobertura, una mayor eficiencia espectral, un menor consumo de batería, una

menor probabilidad de interrupción, menores latencias, menores costes de despliegue de

infraestructuras, mayor fiabilidad de las comunicaciones.

El aumento de la capacidad y la cobertura se puede lograr no sólo a través de

continua densificación de sitios de radio, sino también a través de la introducción de

tecnologías como múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO). Para satisfacer la

evolución de la radio 5G y la densificación de celdas/sitios, el transporte 5G debe

satisfacer mayores capacidades y soportar un mayor número de celdas y sitios. También

debe ser capaz de soportar una amplia gama de requisitos/características de servicio y

ofrecer una amplia gama de servicios de transporte. 5G también implicará la evolución

continua de diferentes arquitecturas de despliegue (por ejemplo, estación base de radio

integrada, banda de base centralizada, soluciones de radio sobre cobre, etc.) donde la

división funcional y la colocación de la funcionalidad de RAN (Red de acceso por Radio)

tendrán repercusiones en el transporte y los requisitos que debe satisfacer en términos de

ancho de banda, latencia y fluctuación de fase [14]. La coordinación de radio entre

diferentes antenas o elementos de antena para la gestión de interferencias requiere un

procesamiento de banda base común o conexiones laterales de baja latencia entre

elementos participantes para soportar diferentes tipos de transmisión. Las capacidades de

transporte y la infraestructura disponibles pueden a su vez restringir las posibles

alternativas de despliegue de RAN y las oportunidades de coordinación de interferencia

de radio. Por esta razón, el transporte desempeña un papel importante en el despliegue

de las redes de acceso radio 5G. El estado del arte de las tecnologías ópticas permite



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desmantelar la percepción común de redes ópticas como una capa física ficticia útil para

transportar grandes volúmenes de datos entre dos puntos finales con flexibilidad limitada

y alto costo. Por el contrario, la capa óptica se beneficia hoy en día de una nueva

generación de componentes ópticos, principalmente basados en la fotónica integrada, que

tienen bajo coste, baja huella y consumo de energía reducido. Un mayor nivel de

flexibilidad, garantizado por nuevos componentes ópticos de bajo costo, puede

proporcionar más grado de libertad en la capa de transporte. Además, las redes ópticas

ofrecen de forma nativa la característica de transparencia que puede: simplificar la

migración de capas superiores, permitir diferentes estratificaciones de capas en una única

infraestructura y permitir el uso de una única infraestructura en un escenario de

convergencia fijo/móvil.



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3. TÉCNICAS DE GENERACIÓN DE SISTEMAS MULTI-

PORTADORA

3.1 WDM

La multiplexación por división de longitud de onda (WDM, del inglés Wavelength

Division Multiplexing) es una tecnología que multiplexa varias señales sobre una sola fibra

óptica mediante portadoras ópticas de diferente longitud de onda, usando luz procedente

de un láser o un LED. La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es la

práctica de la multiplicación de la capacidad disponible de una fibra óptica mediante la

adición de nuevos canales, cada canal en una nueva longitud de onda de la luz. Esto

requiere un multiplexor de división de longitud de onda en el equipo de transmisión y un

demultiplexor en el equipo receptor [11].

3.1.1 SISTEMA WDM

El fundamento de la multiplexación por división en longitud de onda (WDM,

wavelength division multiplexing) es análogo a la multiplexación por división en frecuencia

(FDM, frequency division multiplexing). La técnica WDM consiste en transmitir por una

misma fibra varias señales cada una en una longitud de onda diferente y con la misma

tasa binaria, sin que interfieran entre sí ya que están lo suficientemente separadas. De

este modo la capacidad del enlace se multiplica por el número de canales [15].



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Figura 7. Esquema básico del funcionamiento de un sistema WDM. Para cada uno de los canales hay un láser emitiendo a diferente frecuencia. Posteriormente se multiplexan todos los canales en una fibra óptica de gran capacidad. En el receptor un filtro óptico

sele. Tomado [16].

Los transmisores están constituidos con láser monomodos con modulación externa

para reducir el chirp. Las señales de cada canal se combinan mediante un multiplexor

WDM antes de ser introducidas en la fibra óptica. A lo largo del enlace se emplean EDFAs

(Erbium Doped Fiber Amplifier) para contrarrestar la atenuación. En el receptor los

canales son separados mediante un demultiplexor WDM y conducidos a un recetor.

Además se puede extraer un canal específico en un punto intermedio del trayecto

mediante multiplexadores ópticos de inserción/extracción (OADM, Optical Add-Drop

Multiplexer).

3.1.2 COMPONENTES

Fibra Óptica

La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz,

la fibra óptica consiste en dos regiones concéntricas. La estructura básica de la fibra

consiste en un núcleo cilíndrico de vidrio de dióxido de silicio rodeado por un

revestimiento cuyo índice de refracción es menor que en el núcleo [11]. Debido al índice



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existente entre la interfaz del núcleo y el revestimiento, se pueden denominar dos tipos de

fibras:

Fibra de salto de índice. Debido a que existe un cambio abrupto en la interfaz de

núcleo revestimiento

Fibra de índice gradual. Ya que el índice de refracción disminuye gradualmente en

el interior del núcleo.

En la figura 8 se muestra esquemáticamente el perfil del índice y la sección

transversal de los dos tipos de fibras.

Figura 8. Sección transversal y perfil del índice de refracción de las fibras de salto de índice y de índice gradualTomado de [17].

Otra particularidad que permite diferenciar los tipos de fibras son las características

inherentes a los números de modos que transmiten[18]:

Las fibras en las que se transmiten solo un modo de propagación son

denominadas fibras monomodo, estas fibras suelen tener nucleos de entre 2μm y

10μm.

Otro tipo de fibra son las multimodo, que suelen tener núcleos de 50μm de

diámetro o mayores que su vez permiten la transmisión de varios modos.



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Figura 9. (a) Fibra multimodo y (b) Fibra monomodo.Tomado [19].

Según las características tanto de construcción como de funcionamiento la fibra

posee diferentes clasificaciones, una de ellas es según el modo, el cual hace referencia a

una de las posibles formas en que puede propagarse una onda a través de la fibra. Se

sabe que existe un ángulo 𝜃𝑐𝑟𝑖𝑡 sobre el cual se presenta reflexión interna total, sin

embargo este no es el único factor importante para que sea posible la propagación de la

onda, para ciertos ángulos mayores a 𝜃𝑐𝑟𝑖𝑡 existe interferencia destructiva, en el límite

núcleo-revestimiento, entre la luz incidente y la reflejada.

Para otros ángulos de incidencia, la onda incidente y reflejada presente en la

interfaz núcleo-revestimiento poseen una interferencia constructiva lo que genera que la

propagación de la onda sea posible, los ángulos que permiten la propagación, son

llamados modos de la fibra. Si en una sola fibra es posible la propagación de dos o más

modos, esta fibra es llamada multimodo. En general, si el núcleo o la frecuencia es grande

es posible propagar mayor número de modos. El número de modos soportados por una

fibra óptica multimodo se relaciona con la frecuencia normalizada V definida como

𝑉 = 𝑘0𝑎 √(𝑛𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑜)2 − (𝑛𝑟𝑒𝑣𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜)

2 (4)

Donde 𝑘0 =2𝜋

𝜆, 𝑎 es el radio del núcleo, y 𝜆 es la longitud de onda de la

propagación de la luz en el vacío. Por lo tanto el número de modos 𝑚, esta dado por la

siguiente expresión aproximada.

𝑚 ≈1

2𝑉2 (5)

La mayor desventaja de la fibra multimodo es que introduce el fenómeno de

dispersión intermodal a la red, por otra parte, su mayor ventaja es su núcleo de diámetro



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relativamente grande, el cual trae como resultado la posibilidad de obtener bajas pérdidas

de acople al momento de la inyección de la luz mediante el uso de transmisores de bajo

costo y de gran anchura espectral, como los diodos emisores de luz (LED’s). En las fibras

monomodo, se transmite solamente el modo fundamental o el modo 𝐻𝐸11, ya que estas

fibras usualmente tienen un núcleo de diámetro aproximado a 10μm, a diferencia de las

multimodo que tienen un diámetro de 50-100μm. La mayor ventaja de este tipo de fibra es

que elimina la dispersión intermodal y puede soportar transmisiones sobre mayores

distancias, sin embargo, esta requiere una fuente que concentre gran potencia en un rayo

de poca anchura espectral, lo cual no es posible realizar con LED’s, de esta manera se

hace necesario el uso de láseres semiconductores los cuales cumplen con los

requerimientos [19]. En la figura 10 se muestran los factores que afectan la propagación

en las fibras ópticas.

Figura 10. Factores que afectan la propagación en las fibras ópticas . Adaptado de [15].



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Multiplexores y Demultiplexores.

Los demultiplexores requieren un mecanismo selectivo de longitud de onda y se

pueden clasificar en dos amplias categorías. Demultiplexores basados en difracción utiliza

un elemento de dispersión angular, tal como una rejilla de difracción, que dispersa la luz

incidente espacialmente en varias componentes de longitud de onda. Los demultiplexores

basados en interferencias hacen uso de dispositivos tales como filtros ópticos y

acopladores direccionales. En ambos casos, el mismo dispositivo se puede usar como un

multiplexor o un demultiplexor, dependiendo de la dirección de propagación, debido a la

reciprocidad inherente de las ondas ópticas en medios dieléctricos.

Figura 11.Demultiplexor basado en rejas que hace uso de (a) una lente convencional y (b) un indice graduado.Tomado [11].

Los demultiplexores basados en rejilla usan el fenómeno de la difracción de Bragg a partir

de una rejilla óptica [20]. La Figura 11 muestra el diseño de dos de tales demultiplexores.

La señal WDM de entrada se enfoca en una rejilla de reflexión, que separa varios

componentes de la longitud de onda espacialmente, y una lente los enfoca en fibras

individuales. El uso de una lente de índice gradual simplifica la alineación y proporciona

un dispositivo relativamente compacto. Un problema con los demultiplexadores de rejilla

es que sus características de paso de banda dependen de las dimensiones de las fibras

de entrada y salida. En particular, el tamaño del núcleo de las fibras de salida debe ser



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grande para garantizar una banda de paso plana y bajas pérdidas de inserción. Por esta

razón, la mayoría de los diseños tempranos de multiplexores usaban fibras multimodo. En

un diseño de 1991, se utilizó una matriz de microlentes para resolver este problema y

para demostrar un multiplexor de 32 canales para aplicaciones de fibra monomodo [11].

Figura 12.Diseño de un multiplexor de guía de onda integrado de cuatro canales basado en interferómetros Mach-ZehnderTomado[11].

Las rejillas de fibra Bragg también se pueden usar para fabricar demultiplexores de

fibra óptica. En un enfoque, un acoplador de fibra 1 × N se convierte en un demultiplexor

formando una rejilla de fase en el extremo de cada puerto de salida, abriendo una ventana

de transmisión de banda estrecha ( 0.1 nm) dentro de la banda de detención. La posición

de esta ventana se varía cambiando la cantidad de desplazamiento de fase de forma que

cada brazo del acoplador de fibra 1 × N transmita solo un canal. Es posible construir

multiplexores mediante el uso de acopladores direccionales múltiples. El esquema básico

es similar al que se muestra en la figura 13, pero más simple ya que no se utilizan

interferómetros MZ. Además, un multiplexor totalmente de fibra fabricado mediante el uso

de acopladores de fibra evita las pérdidas de acoplamiento que se producen cada vez que

la luz se acopla dentro o fuera de una fibra óptica. Los multiplexores basados en

acopladores de fibra se pueden usar solo cuando el espaciamiento de los canales es

relativamente grande (> 10 nm) y, por lo tanto, son adecuados principalmente para

aplicaciones WDM gruesas.



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Figura 13. Esquema de un demultiplexor de red de guía de ondas que consiste en una matriz de guías de onda entre dos regiones de propagación libre (FPR).Tomado [21].

Desde el punto de vista del diseño del sistema, se prefieren demultiplexores integrados

con bajas pérdidas de inserción. Un enfoque interesante utiliza una matriz en fase de

guías de onda ópticas que actúa como una rejilla. Tales rejillas se llaman retículas de guía

de ondas (AWG) y han atraído considerable atención porque pueden fabricarse utilizando

la tecnología de silicio [21]. La figura 13 muestra el diseño de un demultiplexor de red de

onda, también conocido como demultiplexor de matriz de fase. La señal de WDM entrante

se acopla en una matriz de guías de ondas planas después de pasar a través de una

región de propagación libre en forma de una lente. En cada guía de onda, la señal WDM

experimenta un cambio de fase diferente debido a diferentes longitudes de guías de onda.

Además, los cambios de fase dependen de la longitud de onda debido a la dependencia

de frecuencia de la constante de propagación de modo. Como resultado, los diferentes

canales se enfocan a diferentes guías de onda de salida cuando la luz que sale de la

matriz se difracta en otra región de propagación libre. El resultado neto es que la señal

WDM se demultiplexa en canales individuales [21]. El rendimiento de los multiplexores

debe ser insensible a la polarización de la señal de WDM incidental. En segundo lugar, un

demultiplexor debe separar cada canal sin ninguna fuga de los canales vecinos. En la

práctica, es probable que se produzca alguna pérdida de potencia, especialmente en el

caso de los sistemas WDM densos con un espaciado de canales pequeño. Dicha fuga de



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potencia se conoce como diafonía y debería ser bastante pequeña (< -20 dB) para un

rendimiento satisfactorio del sistema.

Acopladores. Un acoplador de fibra es un dispositivo que permite distribuir la luz

de la fibra principal en un grupo de fibras. Suelen ser dispositivos pasivos en los que la

potencia se transfiere por uno de estos métodos [22]:

A través del núcleo de la fibra mediante la unión de varios núcleos al primario

A través de un eje perpendicular a la fibra mediante la conversión de modos

guiados por el núcleo en modos que escapan del núcleo y pueden pasar a otras

fibras a través de una interacción superficial.

La descripción anterior de acoplador es la primera que apareció aunque después

surgieron muchos otros tipos tipos de acopladores, que llevan el nombre de acopladores

multipuerto y que pueden ser divididos en tres grupos que pueden verse en la figura 14.

Acopladores de tres y cuatro puertos que se usan para distribucióny combinación

de la potencia de la señal.

Acopladores en estrella que se usan para distribución y combinación multipunto.

Dispositivos multiplexores y demultiplexores de longitud de onda (WDM), que son

una forma especializada de acoplador diseñada para permitirque en una fibra en la

que se transmiten en paralelo un número de longitudes de onda, estas puedan

combinarse o separarse.

En el caso ideal estos dispositivos no generan pérdidas, ni generan ruido y

deberían funcionar de manera independiente a la distribución de la luz en modos o a la

polarización, pero nada de esto se cumple. De hecho las pérdidas en los acopladores

limitan el número de terminales que pueden conectarse a la fibra, mientras que el ruido

generado disminuye la relación señal/ruido en el sistema.



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Figura 14.Tipos de acopladores y sus funciones: (a) acopladores de tres puertos; (b) acopladores de cuatro puertos; (c) Acoplador en estrella; (d) multiplexor o demultiplexor

de longitud de onda.Tomado de [22].

Enrutadores de longitud de onda. Un componente importante de WDM es un

enrutador de longitud de onda N × N, un dispositivo que combina la funcionalidad de un

acoplador en estrella con operaciones de multiplexación y demultiplexación. La figura 15

(a) muestra el funcionamiento de dicho enrutador de longitud de onda esquemáticamente



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para N = 5. Las señales WDM que ingresan desde N puertos de entrada se demultiplexan

en canales individuales y se dirigen hacia los N puertos de salida del enrutador de tal

manera que la señal WDM en cada puerto se compone de canales que ingresan en

diferentes puertos de entrada. Esta operación da como resultado una forma cíclica de

demultiplexación. Tal dispositivo es un ejemplo de un enrutador pasivo ya que su uso no

implica ningún elemento activo que requiera energía eléctrica. También se denomina

enrutador estático ya que la topología de enrutamiento no se puede reconfigurar

dinámicamente. A pesar de su naturaleza estática, dicho dispositivo WDM tiene muchas

aplicaciones potenciales en redes WDM.

Figura 15. (a) Ilustración esquemática de un enrutador de longitud de onda y (b) su implementación utilizando un AWGTomado de [11].

El diseño más común de un enrutador de longitud de onda utiliza un demultiplexor AWG

que se muestra en la figura 15 modificado para proporcionar múltiples puertos de entrada.

Tal dispositivo, llamado enrutador de rejilla de guía ondas (WGR), se muestra

esquemáticamente en la figura 15 (b). Consta de dos acopladores de estrella N × M de



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modo que los puertos de salida M de un acoplador de estrella están conectados con

puertos de entrada M de otro acoplador de estrella a través de una matriz de guías de

onda M que actúa como un AWG [11]. Tal dispositivo es una generalización del

interferómetro MZ en el sentido de que una sola entrada se divide coherentemente en M

partes (en lugar de dos), que adquieren diferentes cambios de fase e interfieren en la

segunda región de propagación libre para salir de N puertos diferentes dependiendo de

sus longitudes de onda. La naturaleza simétrica del WGR permite lanzar N WDM señales

que contienen N diferentes longitudes de onda simultáneamente, y cada señal WDM se

demultiplexa a N puertos de salida de forma periódica.

Transmisores y Receptores. La mayoría de los sistemas WDM utilizan una gran

cantidad de láser DFB (Distributed feedback laser) cuyas frecuencias se eligen para que

coincidan con la cuadrícula de frecuencias de la ITU con precisión. Esto se convierte en

una práctica cuando la cantidad de canales aumenta. Dos soluciones son posibles. En un

enfoque, se emplean láseres de frecuencia única con un rango de sintonización de 10 nm

o más. Alternativamente, se pueden usar transmisores de longitud de onda múltiple que

generan luz a 8 o más longitudes de onda fijas simultáneamente. Aunque tales

transmisores WDM atrajeron cierta atención en la década de 1980, solo durante la década

de 1990 se desarrollaron transmisores WDM integrados monolíticamente, operando cerca

de 1.55 μm con un espaciamiento de canal de 1 nm o menos [23].

Se han seguido varias técnicas diferentes para diseñar transmisores WDM. En un

enfoque, la salida de varios láseres semiconductores DFB o DBR, ajustables

independientemente a través de rejillas de Bragg, se combina mediante el uso de guías

de ondas pasivas. Un amplificador incorporado aumenta la potencia de la señal

multiplexada para aumentar la potencia transmitida. En un enfoque diferente, las rejillas

muestreadas con diferentes períodos se usan para sintonizar las longitudes de onda con

precisión de una matriz de láseres DBR. La complejidad de tales dispositivos hace que

sea difícil integrar más de 16 láseres en el mismo chip. La tecnología láser de emisión de

la superficie de la cavidad vertical (VCSEL) proporciona un enfoque único para los

transmisores WDM ya que se puede usar para producir una matriz bidimensional de

láseres que cubren una amplia gama de longitudes de onda a un costo relativamente

bajo; es adecuado para aplicaciones LAN y de transferencia de datos [24].



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Figura 16.Esquema de un láser WDM hecho integrando un AWG dentro de la cavidad del láser. Tomado de [11].

Un enfoque único para las fuentes WDM explota la técnica del corte espectral para

realizar transmisores WDM y es capaz de proporcionar más de 1000 canales. La salida de

una fuente de ancho de banda amplio y coherente se divide de forma espectral utilizando

un filtro óptico mutipaak como un AWG.

El corte espectral de la salida mediante un demultiplexor puede proporcionar

nuevamente muchos canales, cada uno de los cuales se puede modular de forma

independiente. Esta técnica también permite la modulación simultánea de todos los

canales utilizando un modulador único antes del demultiplexor si el modulador es

impulsado por un flujo de bits eléctrico adecuado compuesto por TDM.



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AWG (Array Waveguide Grating). Es un dispositivo que se usa en muchos

sistemas WDM como un multiplexor/demultiplexor, algunas veces es llamado como rejilla

de guía de ondas óptica, enrutador de rejilla de guía de ondas. También podrían definirse

como un componente pasivo que permite encaminar las señales ópticas en los puertos de

entrada hacia los puertos de salida, en función de su longitud de onda. AWG fue

propuesto por primera vez por Smit en 1988 y se trabajó con longitudes de onda cortas.

Entonces se puede decir que es una estructura periódica o de variación en el material que

tiene la propiedad de reflejar o transmitir la luz en una dirección determinada en función

de la longitud de onda. En1989 Takahashi diseñó un dispositivo con guías de onda

monomodo a diferentes longitudes con segmentos curvos al mismo radio de curvatura, lo

que permitió seleccionar cualquier valor para la longitud diferencial de las guías de tal

manera que se pudiera realizar multiplexación y demultiplexación con mayor resolución

[25].

Principio de operación y características del dispositivo. La figura 17 muestra el

diseño esquemático de un demultiplexor AWG, y la operación se puede entender de la

siguiente manera [26]. Cuando un haz que se propaga a través de la guía de onda del

transmisor entra la primera Región de Propagación Libre (FPR) ya no está confinada

lateralmente y se vuelve divergente. Al arribar a la abertura de entrada el haz se acopla

en la matriz de guía de onda y se propaga a través de las guías de onda individuales

hacia la apertura de salida. La longitud de las guías de onda de la matriz se elige de tal

forma que la diferencia de longitud del camino óptico entre guías de onda adyacentes sea

igual a un número entero múltiplo de la longitud de onda central λc del demultiplexor. Para

λc, los campos en las guías de onda individuales arriban a la abertura de salida con la

misma fase (módulo 2π), y por lo tanto la distribución de campo en la apertura de entrada

es reproducida en la apertura de salida. El haz divergente en la apertura de entrada es

por lo tanto transformado en uno convergente con igual amplitud y distribución de fase, y

el campo de entrada en el plano de objeto da origen a una imagen correspondiente en el

centro del plano de imagen. La separación espacial de diferentes longitudes de onda se

obtiene incrementando linealmente las longitudes de las guías de onda de la matriz, lo

cual introduce una inclinación dependiente de la longitud de onda del haz de salida

asociada con un cambio del punto focal a lo largo del plano de imagen. Si guías de onda



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receptoras son colocadas en las posiciones apropiadas a lo largo del plano de imagen,

longitudes de onda diferentes son llevadas a diferentes puertos de salida.

Figura 17.(a) Geometría de un demultiplexor AWG, (b) geometría de enfoque del haz en la región libre de propagación. Tomado de [26].

Fabricación AWG. La estructura del AWG es construida con núcleos de guía de

onda de Dióxido de Silicio-Dióxido de Titanio (𝑆𝑖𝑂2 − 𝑇𝑖𝑂2), revestimientos de dióxido de

Silicio- pentóxido de difosforo - Trióxido de diboro (𝑆𝑖𝑂2 − 𝑃2𝑂5 − 𝐵2𝑂3). Varios AWG

están disponibles en el mercado. Pueden dividirse en dos grupos principales según el

material utilizado: los denominados AWG de bajo índice y de alto índice.



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Figura 18.Principio de AWG.Adaptado de [27]

Los AWGs de bajo índice. Con un contraste de índice de refracción típico de

0,75% tienen la ventaja de su compatibilidad con fibras ópticas y, por lo tanto,

pérdidas de acoplamiento muy bajas entre guías de ondas de salida y fibras

ópticas. La desventaja de tales AWGs es su tamaño, que corresponde con la

curvatura de la guía de ondas que puede no estar por debajo de un valor crítico.

Como resultado, el aumento del número de canales y el estrechamiento de la

separación de canales conducen a un rápido aumento en el tamaño del AWG y

esto, a su vez; Provoca el deterioro en el rendimiento óptico como una mayor

pérdida de inserción y, en particular, una diafonía de canal más alta [28].

Los AWG de alto índice. Presentan un tamaño mucho menor pero también

pérdidas de acoplamiento mucho más altas. Como el número de guías de ondas

utilizadas para transportar la información en sistemas DWDM es generalmente una

potencia de 2, los AWG están diseñados para separar dos longitudes de onda

diferentes, o 4, 16, 32, 64, etc. Además de esto, También están disponibles AWGs

de canal. Los sistemas que se despliegan en la actualidad por lo general no tienen

más de 40 longitudes de onda, pero los avances tecnológicos seguirán haciendo

un mayor número de longitudes de onda posibles.



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FACTORES A TENER EN CUENTA EN AWG

Enfoque, dispersión espacial y rango espectral libre. El enfoque de los campos

que se propagan en una AWG se obtiene si la diferencia de longitud ΔL entre

guías de onda adyacentes es igual a un entero m de longitudes de onda dentro del

AWG

∆𝐿 = 𝑚.𝜆𝑐

𝑛𝑒𝑓𝑓 (6)

El entero m se llama orden de la matriz, λc es la longitud de onda central (in vacuo) de la

AWG, neff es el índice refractivo efectivo (fase) del modo guiado, y λc / neff corresponde a la

longitud de onda dentro de las guías de onda de la matriz. Bajo estas circunstancias la

matriz se comporta como un lente con planos de imagen y objeto a una distancia Ra de

las aberturas de la matriz. Por otra parte, la línea focal (que define el plano de imagen)

sigue un círculo de radio Ra / 2, y en esta línea deberían estar localizadas las guías de

onda del transmisor y el receptor. El incremento de longitud ΔL de la matriz da lugar a una

diferencia de fas

Diseño de un sistema de transmisión WDM-SCM para red...

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