Tema 3: Interfaces Ópticos -...

31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 1

Tema 3: Interfaces Ópticos

1.1.-Evolución.1.2.- Estándares ITU. 1.3.- Implementaciones.

Soluciones discretasSoluciones integradas

Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 2

ObjetivoNormativa ITU-T

Discusión de los aspectos generales de la estandarización y relación de las Recomendaciones mas relevantes de la ITU-T en relación con:

tipos de fibras ópticas, interfaces ópticos, bandas WDM

Interfaces Ópticos.Analizar la evolución de los interfaces ópticos, sus implementaciones y los estándares ITU relacionados.


GeneralUltimas 2 décadas: los sistemas ópticos han evolucionado desde configuraciones simples punto a punto operando a una única longitud de onda (λ) a arquitecturas mas complejas punto-multipunto, multitramo y con múltiples λs.En dicho contexto la Unión Internacional de Telecomunicación ha desarrollado un amplio abanico de interfaces ópticos, comenzando con aplicaciones PDH y continuando con SDH/SONET, DWDM y OTN.Los sistemas han migrado desde soluciones propietarias a soluciones estandarizadas que proporcionan unas condiciones industriales de alto volumen de producción a coste efectivo


Perspectiva histórica1980 - 1988. Recomendaciones G.955 y G.956 (G.955 desde 1990 ).Se especifica los sistemas de línea de la jerarquía plesiócrona PDH, basada en la trama básica de 1,544 Mb/s (mercado USA y Canadá) y de 2,048 Mb/s (mercado europeo).

Se especifica las características de la planta de fibra óptica, principalmente la atenuación y dispersión.Supone un compatibilidad longitudinal. El TX y RX de un cierto enlace, con características estandarizadas, deben ser del mismo suministrador

En 1988, Bellcore (actualmente Telcordia) y asumido por ITU especifica SDH/SONET.

introduce el concepto de desarrollo de equipos inter-operables, independiente del fabricante.Además de definir las características de la planta de fibra es necesario especificar los parámetros a la salida del TX (punto S) y a la entrada de RX (punto T).Este principio de especificación se denominó compatibilidad transversal.

En la compatibilidad transversal no se especifica la distancia del enlace, sólo se especifica las características de la fibra: margen de atenuación, dispersión cromática y retardo diferencia de grupo. dispersión

La distancia se usa para la clasificación del enlace. La compatibilidad transversal es el método de estandarización elegido por ITU para los interfaces ópticos


Evolución2 últimas décadas. El concepto y la tecnología de diseño y fabricación de los interfaces ópticos han migrado desde diseños propietarios y específicos de compañía con componentes discretos hacia transceptores (TX+RX) en formato estándar, según acuerdos multi-suministrador (Multi-Source-Agreements), que satisfacen las especificaciones de ITU y Telcordia .Las actuales aplicaciones SDH/SONET/OTN ofrecen un abanico completo de especificaciones de interfaces ópticos que satisfacen la compatibilidad transversal. Los diseños iniciales de bajo volumen de fabricación eran de relativamente alto coste. Actualmente, en particular los productos a bajas velocidades entre 155 Mbit/s y 2,5 Gbit/s disponibles por un amplio abanico de suministradores, son fabricados en volúmenes altos y a precios muy competitivos (commodity products).


Fibra Óptica (1)

Definición y métodos de prueba para los atributos lineales y determinísticos de las fibras monomodo y cablesDefinición y métodos de prueba para los atributos estadísticos y no lineales de las fibras monomodo y cablesCaracterísticas de un cable de fibra óptica multimodo de 50/125 µm, de IG.Características de un cable de fibra óptica (convencional) monomodoF.O básicaRequisitos de Dispersión de Polarización modal (PMD) para aplicaciones a 10 Gb/sRequisitos adicionales para operación en el margen de λs de 1360-1530 nm para aplicaciones CWDM

G650.1

G650.2

G.651

G.652

Cat. ACat. B

Cat. C

TítuloRec. ITU


Fibra Óptica (2)

Características de un cable de fibra óptica monomodo de dispersión desplazadaCaracterísticas de un cable de fibra óptica monomodo de corte desplazado

Características de un cable de fibra óptica monomodo de dispersión desplazada de dispersión no-nula

Características de un cable de fibra óptica monomodo con dispersión no-nula para transporte óptico de banda amplia

G.653

G.654

G.655

G.656

TítuloRec. ITU


WDMBandas: G.Sup39.

1260 – 13601360 – 14601460 – 15301530 – 15651565 - 1625

OriginalExtendidaLongitud de Onda CortaConvencionalLongitud de Onda LargaLongitud de Onda Ultralarga

Banda OBanda EBanda SBanda CBanda LBanda U

Rango (nm)DescripciónBanda

Efectos No Lineales. G. 663. “Aspectos relacionados con la aplicaciones de los dispositivos y subsistemas de los Amplificadores ópticos”


Recomendaciones ITU. (1)


Recomendaciones ITU (2)


Interfaces Ópticos e ITU Rec.


Convenio de Códigos y Distancias ITU naming Telcordia

naming Target Distance


Sistemas SDH. STM-16

16 - 28

10 - 20

0 - 12

10 - 20

0 - 12

0 50 100

0 25

23 42

0 46

37 62

62 94 L- 16.2JE

L - 16.2

S - 16.2

L - 16.1

S - 16.1

Short

1310 nm

Long

STM16

1550 nm

Longitud Enlace (km)

Margen de PotenciadB

JointEngineering

J.E. Ingeniería Mixta (acuerdo entrefabricantes)


Redes SDH. Rec. ITU-T relacionadasRecomendación G.783. Características de los bloques funcionales de los equipos SDHRecomendación G.803. Arquitectura de las redes de transporte basadas en SDH.Recomendación G.841. Tipo y características de las arquitecturas de protección de la red SDH.Recomendación G.842. Arquitecturas de protección de interconexión de redes SDHRecomendación G.872. Interfaces normalizados


OTN. Rec.ITU-T relacionadasRecomendación G.798. Características de los bloques funcionales de los equipos OTNRecomendación G.872. Arquitectura de las redes OTNRecomendación G.873.1. OTN. Protección lineal.


INFERFACES ÓPTICOS

Soluciones Discretas. Décadas 80 y 90


Equipos.

MultiplexPCM. 2Mbps (30+2 ch. B)

Equipo Terminal a 2 Mb/s

Equipos de medida

Repetidor a 140 Mbps


Tecnología de 140 Mbit/s – 2,5 Gbit/sLos TX y RX ópticos estaban motados sobre placas de circuito impreso diseñados y construidos usando elementos discretos:

Dispositivos E/O: láser y pin-FET (Fotodetector + Pre-amplificador) encapsulados (tipo DIL, Butterfly, coaxial) con la fibra acoplada yCircuitos electrónicos correspondientes:

TX: Circuito excitador (polarización y modulación), Circuitos de control, RX: con fibra acoplada, Amplificador y Circuito de

decisión


140–622 Mbit/s. Módulo Láser Típicamente contiene: el chip láser, fotodiodo monitor, TEC (en su caso) y la fibra acoplada.Los primeros láseres fueron del tipo FP o láseres multimodo. Posteriormente del tipo DFB, operando a 1550 nm y anchura espectral mas estrecha (requisitos para distancias de hasta 80 km).

Encapsulado tipo DIL (Dual-In-Line) de 14 pines con TEC, Estándar de facto y fácil de implementar en un entorno general de fabricación.

Proporciona alta estabilidad. El TEC es el elemento menos fiable del módulo

Potencia de pico acoplada ≈ 1 mWCon un acoplamiento menos crítico entre chip láser y fibra, aparecieron dispositivos trabajando a 1310 nm y con una potencia acoplada de 0,1 mW.

En un sistema de producción de alto volumen, la mayor parte del coste del dispositivo láser está en el acoplamiento óptico.Para aplicaciones de corto y medio alcance se utilizan láseres de bajo coste (ITU. Rec. 957).

A principio de los 90 surgió el encapsulado coaxial de pequeño tamaño con fibra acoplada (estándar de facto) .

No incluye elemento de enfriamiento TEC, Permitió la migración hacia el uso de estos transmisores para casi todas las aplicaciones con distancias de hasta 80 km y velocidades de hasta 622 Mbit/s


140–622 Mbit/s. Módulo RXSu evolución ha sido mas lenta.Para obtener una baja sensibilidad (estandarizada), en la mayoría de los casos se requiere adicionalmente una etapa de bajo ruido con semiconductores, como FETs de GaAs o preamplificadores IC.Tipos de encapsulados:

DIL y coaxial.Tipos de fotodetectores:

Inicialmente, solo pin.Bajo costeApropiado para velocidades de hasta 622 Mbi/s y distancias de hasta 80 km

Posteriormente, APD.Mejora la sensibilidad.Se usó inicialmente hasta 622 Mbit/s y distancias de hasta 120 km.


Tecnología 2,5 Gbit/s (1)1er sistema a principios de los 90.Suponía un paso adelante en relación con los requisitos: tecnología electrónica de Alta –Frecuencia y mejores características de los módulos láser:

Necesidad de un aislador para minimizar la influencia en el láser de la reflexión procedente de la conexión a la fibra del enlace.El encapsulado tradicional DIL no es adecuado. Se introdujo el tipo “butterfly”, mas adecuado para HF.Par satisfacer los requisitos de dispersión se requieren diodos láser de anchura espectral estrecho: tipo SLM (Single Longitudinal Modo) o DFB.Inicialmente los módulos láser incorporaban elemento TEC


Tecnología 2,5 Gbit/s (2)Finales de los 90. Mejora de las prestaciones de los láseres DFB:

Operación sin enfriamientoVersiones miniatura del encapsulado butterfly mas adecuada para HF.

1as versiones operando a 1310 nm y posteriores a 1550 nm.Para distancias mayores de 80 km se requiere modulación externa.

la modulación directa no es apropiada debido al efecto chirp(variación de la λ de emisión durante el tiempo de bit).Inicialmente el chip láser y el modulador externo se integraron en una estructura conocida como EML (External ModulatedLaser). Posteriormente el chip EML consistía en dos secciones: láser, operando en continua (CW), y la sección de modulador de electro-absorción, que modula la luz emitida por la sección láser

• El modulador no deja pasar la luz cuando se le aplica corriente.Adecuado para aplicaciones DWDM con espaciado de hasta 100 GHz (≈ 0,8 nm).


Tecnología 2,5 Gbit/s (3)Inicialmente se instalaron sistemas con vanos de 40-80 km (largo alcance), que requerían receptores de alta sensibilidad.

Fotodiodos APD.Requisitos del encapsulado de HF.

Mínimo número de pines eléctricos y dispuestos convenientemente.

Integración en el RX de la etapa pre-amplificadora

En aplicaciones de corto y medio alcance se utilizaba receptores con pin utilizando el mismo encapsulado que los basados en APD


Tecnología 10 Gbit/sTX óptico

1er diseño. Combinación de un DL de 1550 nm (CW-laser) y modulador externo de tipo Mach Zehnder (MZ).

Para conseguir distancias de 80 km y superiores se necesitaba amplificadores ópticos, usados como booster o pre-amplificador.Adicionalmente se necesitaba compensación de dispersión.

Necesidad de tecnología de transmisión de Alta Frecuencia: láseres, detectores, interconexiones eléctricas.

Dominio de los diseños propietariosAvances tecnológicos.

Modulador integrado, basado en Electro-absorción (EMLs)• Fácil de fabricar y efectivo en coste, en comparación con el MZ.• Se especificó la Rec. G. 691 para enlaces de hasta 40 km sin

necesidad de AO.• Con AO se especificó SDH/SONET a 80 km.• Posteriores avances y utilización de APD se consiguió distancias

superiores a 40 km sin AO


Tecnología a 40 Gbit/sLa mayoría de las implementaciones actuales,

canal único como multicanal WDM, son completamente propietarias.

Su coste es extremadamente altoLa demanda de mercado es limitada Es prematuro la creación de acuerdos industriales (MSAs)


SOLUCIONES INTEGRADAS


Versiones inicialesLa Recomendación G.957 sirvió como referencia a los fabricantes para el diseño de los dispositivos TX y RX con total funcionalidad y características estandarizadas.Implementación. Módulos integrando en su interior las funciones ópticas (láser y/o fotodiodo) y electrónicas necesarias:

Módulo TX: Circuitos de excitación y control del láserMódulo RX: Etapas de amplificación. Extracción de reloj, para las aplicaciones que lo requieran

Encapsulado DIL, en la mayoría de los caso.Fibra óptica acoplada al módulo.Soluciones propietarias para velocidades hasta 2,5 Gbit/s


Dispositivo 1x9Módulo transceptor (TX+RX en un módulo)

Dimensiones: ancho, alto, largo en mm: 25x10x40. Conexión óptica: receptáculos de conector ópticotipo SCInterfaces eléctricos 9 pines.

Tipo serie, la velocidad de las señales eléctricas es exactamente la misma que la de las señales ópticas.

Van soldados en el extremo de una Placa de Circuito Impreso (PCB)

Conexión óptica directa desde el exterior.Aplicaciones.

Gigabit Ethernet, Canal Fibra, SDH/SONET: STM-1/OC-3 y STM-4/OC-12.Distancias cortas e intermedias


Dispositivos SFF (Small Form Factor)Objetivo: Mejora de la densidad de equiposde la red.

Montaje, mediante soldadura, de varios transceptores en una única PCB.

El Transceptor SSF, utiliza 2 conectores ópticos del tipo LC, mas pequeños que el SC :

Ancho: 12,7 mm (la mitad que el 1x9)Interfaces eléctricos:

configuraciones 2x5 y 2x10 pines.Desarrollados por acuerdos entre fabricantes (Multisource Agreement, MSA).


Dispositivos SFF (2)Aplicaciones:

Las del dispositivo 1x9 mas canal fibra a 2 y 2,5 Gbit/s SDH/SONET

Alcance. Pequeño e intermedio, inicialmente, operando a 1310 nm.Grande: 40-80 km, utilizando láseres mejorados

SLM o DFB, sin enfriamiento, operando a 1310 nmy 1550 nm y receptores APD.

Precio muy competitivo, debido a su alto volumen de fabricación por su utilización en muchas aplicaciones


Dispositivos SFF (3)Implementación.

Dimensiones (mm): ancho, alto, largo 12,7x10x40

Mas información Especificaciones oficiales para MSA SSF:

www.sffcommitte.org/ie/


Dispositivos SFP (Small Form Factor Pluggable)

Desarrollado bajo MSA. Similar a los SFF, pero permite (des)conexión de forma (des)enchufable eléctricamente. Esto implica que puede ser insertado/extraido individualmente de una placa activa sin afectar al servicio o al comportamiento de otros puertos en servicio.

Ofrece una total flexibilidad, permitiendo mezclar varios tipos de señales en un único paquete de circuito bajo el concepto de “pagar cuando crece” En caso de fallo, solo se reemplaza el transceptor afectado.

El I/F eléctrico se realiza mediante un conector de 20 pines, que proporciona todas las señales eléctricas necesarias.

Dispone de un bus serie de 2 hilos para la gestión del dispositivo, a donde se accede para monitorear su comportamiento y alarmas.


Dispositivos SFP (2)Aplicaciones. Cubre todas las aplicaciones hasta 2, 5 Gbit/s y recientemente a 4 Gbit/s para aplicaciós de 4 Canal Fibra.

Canal único, una longitud de onadaCWDM, según ITU Recomendación G.695

Los láseres DFB, sin enfriamiento, son adecuados para una separación de canal de 20 nm.

DWDM. Recientes avances en encapsulamiento y microenfriamiento de substratos ha permitido su introducción en aplicaciones DWDM a 2, 5 Gbit/s


Dispositivos SFP (3)Implementación.

Dim (mm): 13,7x38x76

Compatibilidad EM. Mediante una caja protectora, montada en el frontal de la PCB.

Aumenta el tamaño, reduciendo la densidad

Mas información www.schelto.com/SFP/


Transpondedores a 2,5 Gbit/sUn tranpondedor contiene funciones de (de)multiplexación.El transpondedor a 2,5 Gbit/s contiene un interfaz eléctrico de 16 canales operando cada uno a 155 Mbit/s.Desarrollado bajo MSA.Aplicaciones

SDH/SONET. Canal único DWDM, soluciones propietarias


Transpondedores a 10 Gbit/s300 pin Transponder (JDS) XENPAK (JDS)

Dispositivo X2 (JDS)

Dispositivo XFP (Finisar)


300-pin TansponderFinales de los 90..Interfaz eléctrico. 16 canales de 622 Mb/s.

10x30 pinesVarios señales digitales de alarma y analógicas, para reportar el estado de varias partes del módulo Superficie: Inicial práctico 3,5x4,5 pulgadas. Recientemente: 2,2x3 pulgadas2

Desarrollo MSA.www.300pinMSA.org


300-pin Tansponder (2)Tecnología E/O. Alcance

Muy corto (VSR). 60 mintra-office/corto a 1310 nmCorto y medio (hasta 40 kma 1550 nm.Largo (80 km):

con moduladores MZEML y APD sin amplificadores ópticos

Aplicaciones: Conexión SDH-WDM, SDH/SONET, OTN (G.709) y 10 GbE


200-pin TansponderCompetidor del 300-pin transponder.Menos tamañoDemostró interés en aplicaciones intraofficey corto alcance


XENPAKTendencia a mejorar la densidad de equipos con funcionalidad “enchufable”.Acuerdos MSA.Requisitos EMI2x5 pulgadasAplicaciones: 10 GbE, SDH/SONET.Conectores ópticos: 2 tipo SCI/F eléctricos (IEEE 802.3ae), 70 pinesMas información en www.10gea.org


XFPTamaño reducido, flexibilidad en relación co el espacio de aplicacionesDisponibilidad de la nueva generación de ICAplicaciones: SDH/SONET STM-64/OC-192, OTN G.709, 10 GbE, Canal fibra.

Alcances: Inicialmente a 1310 nm corto y medio Actualmente: a 1550 nm, EML , hasta 80 km y DWDM

Tamaño: 18x71x8,5 mm3

Interfaz eléctrico: conector de 30 pines (factor dereducción x10)Conector óptico: 2 tipo LC.Diagnostico digital mediante bus serie, I2CMas información: www.sfpmsa.org.


Tecnología a 40 Gbit/sEn 2002 se anticipó como necesidad de

mercado la disponibilidad comercial de dispositivos integrados, multi-suministrador de dispositivos operando a 40 Gbit/s.Se definió un MSA para un transpondedor de 300 pines similar al de 10 Gbit/s.

Aplicaciones de Muy Corto alcance (VSR) según G.693.Mas detalles en www.300pinMSA.org


FIN

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