CARACTERIZACIÓN DE REDES LR-PON CON DIFERENTES ...

CARACTERIZACIÓN DE REDES LR-PON CON DIFERENTES AMPLIFICADORES

ÓPTICOS

Jorge David Santos Mayorga

Diego Alejandro Ramírez Caro

Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

BOGOTÁ D.C. - 2017

2

CARACTERIZACIÓN DE REDES LR-PON CON DIFERENTES AMPLIFICADORES

ÓPTICOS

Jorge David Santos Mayorga

Diego Alejandro Ramírez Caro

Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

BOGOTÁ D.C. - 2017

3

Tabla de contenido 1. GENERALIDADES ...................................................................................................................... 10

1.1. Planteamiento del problema .................................................................................................... 10

1.2. Justificación ............................................................................................................................. 11

1.3. Objetivos ................................................................................................................................. 12

1.3.1 Objetivo general ................................................................................................................ 12

1.3.2 Objetivos específicos ......................................................................................................... 12

1.4. Alcance y limitaciones ............................................................................................................ 12

2. MARCO TEORICO....................................................................................................................... 13

2.1 Redes ........................................................................................................................................ 13

2.1.1. Redes PON ....................................................................................................................... 13

2.1.2. Redes LR-PON ................................................................................................................. 16

2.2. Amplificadores ópticos ........................................................................................................... 26

2.2.1. Amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) ............................................................. 26

2.2.2. Amplificador Raman ........................................................................................................ 29

2.2.3. Amplificador óptico de semiconductor (SOA) ................................................................. 32

2.3. Comparación de EDFAs, SOAs y amplificadores Raman ...................................................... 35

3. CARACTERIZACIÓN .................................................................................................................. 38

3.1 Caracterización del EDFA ....................................................................................................... 38

3.1.1. Variación de longitud de onda y potencia señal de entrada ............................................. 38

3.1.2. Variación longitud de onda del láser de bombeo ............................................................. 41

3.1.3. Cambio de longitud de la fibra dopada ............................................................................. 45

3.2. Caracterización del amplificador Raman ................................................................................ 48

3.2.1. Variación longitud fibra óptica ......................................................................................... 49

3.2.2. Barrido longitud de onda .................................................................................................. 51

3.3. Caracterización del amplificador SOA ................................................................................... 55

3.3.1. Variación de corriente de inyección ................................................................................. 55

3.3.2. Variación longitud de onda de la señal de entrada ........................................................... 58

3.4. Caracterización de distancias .................................................................................................. 60

3.4.1. Barrido longitud fibra óptica y potencia ........................................................................... 60

4

3.4.2. Barrido longitud de onda y longitud fibra óptica ............................................................. 64

3.4.3. Dispersión cromática ........................................................................................................ 67

4. DISEÑO ......................................................................................................................................... 69

5. SIMULACIONES .......................................................................................................................... 77

5.1. Red sin amplificadores ni DCM .............................................................................................. 77

5.2. Red con amplificadores EDFA y DCM: ................................................................................. 78

5.3. Red con amplificadores RAMAN y DCM .............................................................................. 82

5.4. Red con amplificadores SOA y DCM ..................................................................................... 85

6. ANÁLISIS ..................................................................................................................................... 90

7. CONCLUSIONES ......................................................................................................................... 92

REFERENCIAS ................................................................................................................................. 94

5

INDICE DE FIGURAS Figura 1.Red TPON [6]...................................................................................................................... 13

Figura 2. Red WDM PON [6]. ........................................................................................................... 14

Figura 3. Red WRPON [6]................................................................................................................. 15

Figura 4. LR-PON propuesta usando OFDM cuatro bandas con ancho de banda de 10 GHz y tráfico

de bajado adaptativo de 6.2 a 40 Gb/s [9]. ......................................................................................... 16

Figura 5. Configuración experimental de 4λ, 32 CAP, transmisión de 60 km [10]. ......................... 17

Figura 6.Respuesta en frecuencia de los 60 km de fibra a 1546 nm [10]. ......................................... 17

Figura 7.Tasa de transmisión alcanzable usando diferentes potencias de lanzamiento [10]. ............ 18

Figura 8. Configuración experimental LRPON con tasa de transmisión agregada de 120 Gb/s [11].

............................................................................................................................................................ 18

Figura 9. Arquitectura propuesta de un sistema WDM-PON de alta capacidad y largo alcance [12].

............................................................................................................................................................ 19

Figura 10.Configuración experimental propuesta de ONU basada en RSOA [13]. .......................... 20

Figura 11.Arquitectura de subida propuesta para LRPON [14]. ....................................................... 21

Figura 12. Arquitectura de bajada propuesta para LRPON [14]. ...................................................... 21

Figura 13. Montaje experimental de LRPON WDM-TDM [15]. ...................................................... 22

Figura 14. SRHA bidireccional [15]. ................................................................................................ 22

Figura 15. Espectro de salida del SRHA [15]. ................................................................................... 23

Figura 16.Rendimiento BER (tasa de error binario) de bajada y de subida de las LRPON híbridas

CWDM TDM [15]. ............................................................................................................................ 23

Figura 17.Sistema de acceso extendido con una sola fibra y amplificación Raman distribuida [16].

............................................................................................................................................................ 24

Figura 18. Medida de la tasa de bits erróneos para una señal de subida de 5Gb/s y 7.5Gb/s [16]. ... 24

Figura 19. Topología de la red experimental de largo alcance WDM-OFDM-PON [17]. .............. 25

Figura 20. Emisión estimulada en un sistema atómico de dos energías [18]. .................................. 27

Figura 21. Sistema de tres niveles para el modelo del amplificador [18]. ......................................... 27

Figura 22. Modelo de una molécula [21]. .......................................................................................... 30

Figura 23.Dispersión de Stokes en una molécula [20]. ..................................................................... 31

Figura 24. Espectro de ganancia Raman en λp = 1 μm [19]. ............................................................. 32

Figura 25. Diagrama de un SOA [22]. ............................................................................................... 33

Figura 26. Esquemático de la sección transversal de un SOA [23]. .................................................. 34

Figura 27. Topología de simulación para el amplificador EDFA. ..................................................... 38

Figura 28.Señal de salida del amplificador con una potencia de entrada de -20 dBm. ..................... 39

Figura 29.Señal de salida del amplificador con una potencia de entrada de -25 dBm. ..................... 39

Figura 30. Señal de salida del amplificador con una potencia de entrada de -30 dBm. .................... 40

Figura 31. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de onda (cambiando la potencia de

entrada). ............................................................................................................................................. 40

Figura 32. Ganancia contra longitud de onda (cambiando la potencia de entrada). .......................... 41

6

Figura 33. Salida con una longitud de onda 980 nm.......................................................................... 42

Figura 34. Salida con una longitud de onda 1146 nm........................................................................ 42



Figura 37.Salida con una longitud de onda 980 nm........................................................................... 43

Figura 38. Salida con una l Longitud de onda 1146 nm. ................................................................... 43



Figura 41.Relación señal a ruido óptico contra la longitud de onda de bombeo para dos potencias

establecidas. ....................................................................................................................................... 44

Figura 42. . Relación ganancia contra potencia de bombeo para dos potencias de entrada

establecidas. ....................................................................................................................................... 45

Figura 43. Salida del amplificador con fibra de 1 m. ......................................................................... 46

Figura 44. Salida del amplificador con fibra 5 m. ............................................................................. 46

Figura 45. Salida del amplificador con fibra de 20 m. ....................................................................... 46

Figura 46. Salida del amplificador con fibra de 40 m. ....................................................................... 46

Figura 47. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de la fibra dopada de Erbio. ................. 47

Figura 48. Relación ganancia contra la longitud de la fibra dopada de Erbio para dos potencias de

entrada. ............................................................................................................................................... 47

Figura 49. Topología de simulación del amplificador RAMAN. ...................................................... 48

Figura 50. Ganancia con fibra de 10 km. ........................................................................................... 49




Figura 54. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de la fibra óptica dentro del RAMAN. 50

Figura 55. Relación ganancia contra la longitud de la fibra del RAMAN para dos potencias de

entrada. ............................................................................................................................................... 51

Figura 56. Señal de salida para diferentes longitudes de onda a la entrada y una longitud RAMAN

de 10 km. ............................................................................................................................................ 52

Figura 57. Señal de salida para diferentes longitudes de onda a la entrada y una longitud RAMAN

de 25 km. ............................................................................................................................................ 52

Figura 58. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de onda dentro del RAMAN. ............... 53

Figura 59. Ganancia contra longitud de onda (cambiando la potencia de entrada). .......................... 53

Figura 60. Relación ganancia contra potencia de bombeo para dos potencias de entrada

establecidas. ....................................................................................................................................... 54

Figura 61. Topografía de simulación del amplificador SOA. ............................................................ 55

Figura 62.Potencia de entrada de -20 dBm. ....................................................................................... 56

Figura 63. Potencia de entrada de -30 dBm. ...................................................................................... 56

Figura 64. Relación señal a ruido óptico contra la corriente de inyección para dos potencias de

entrada diferentes. .............................................................................................................................. 57

7

Figura 65. Relación ganancia contra la corriente de inyección para dos potencias de entrada

diferentes. ........................................................................................................................................... 57

Figura 66.Señal de salida del amplificador SOA con la entrada a -20 dB......................................... 58

Figura 67. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de onda. ................................................ 59

Figura 68.Relación ganancia contra la longitud de onda para dos potencias de entrada diferentes. . 59

Figura 69. Topológico de simulación para la caracterización de distancias. ..................................... 60

Figura 70.Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de

50 km. ................................................................................................................................................ 61


60 km. ................................................................................................................................................ 61

Figura 72. Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud

de 70 km. ............................................................................................................................................ 62

Figura 73. Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud

de 80 km. ............................................................................................................................................ 62


83.5 km. ............................................................................................................................................. 63


90 km. ................................................................................................................................................ 64

Figura 76. Diferentes valores del BER para las diferentes longitudes de onda de la señal transmitida

a una longitud de 90 km. .................................................................................................................... 65


a una longitud de 95 km. .................................................................................................................... 66


a una longitud de 99.6 km. ................................................................................................................. 66

Figura 79.Diferentes valores del BER para las diferentes longitudes de onda de la señal transmitida

a una longitud de100 km. ................................................................................................................... 67

Figura 80. Dispersión acumulada en la fibra. .................................................................................... 67

Figura 81.Distribución con distancias desde Bogotá a municipios de Cundinamarca. ..................... 69

Figura 82.Modulador implementado para la simulación. .................................................................. 73

Figura 83. Transmisor implementado para la simulación. ................................................................ 74

Figura 84. Receptor implementado en la simulación. ........................................................................ 74

Figura 85. Topológico de toda la red a simular. ................................................................................ 75

Figura 86.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el

municipio de Zipaquirá. ..................................................................................................................... 80


municipio de Gachalá. ....................................................................................................................... 81


municipio de Cucunubá. .................................................................................................................... 81


municipio de Zipaquirá. ..................................................................................................................... 84

8


municipio de Gachalá. ....................................................................................................................... 84


municipio de Nemocón. ..................................................................................................................... 85


municipio de Gachancipa a 10 GBPS. ............................................................................................... 88


municipio de Gachancipa a 1 GBPS. ................................................................................................. 89

9

AGRADECIMIENTOS

Aprovechamos este espacio para expresar el más sincero agradecimiento a todas las personas que

han brindado su apoyo y ayuda a la realización del presente trabajo de grado, en especial al Dr.

Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón, director de esta monografía, por su esfuerzo, orientación,

supervisión y revisión de la misma.

De igual forma agradecemos a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por brindar su

infraestructura, su atención y su disposición, en todo lo referente a nuestra vida como alumnos de

pregrado.

10

1. GENERALIDADES

1.1. Planteamiento del problema

¿CUAL ES EL MECANISMO DE AMPLIFICACIÓN QUE MEJOR SE ADAPTA A

REDES LR-PON?

Debido a que en la actualidad el número de usuarios de las redes de comunicaciones se incrementa

en cantidades elevadas, tanto que la red implementada actualmente no es capaz de brindar servicios

a estos usuarios, por lo que aprovechando las cualidades de la fibra óptica, entre ella la alta

capacidad de transmisión de datos se pretende caracterizar una topología experimental (LR-PON)

que logre suplir las necesidades de la red [1].

Igualmente al ser una topología experimental se busca que sea eficiente a través de la minimización

del equipo electrónico usado y la reducción de los nodos intermedios que producen ruido llegando a

causar eventualmente un mal funcionamiento de la red, por lo que el problema reside en determinar

qué tipo de amplificador óptico (EDFA, SOA, RAMAN) es más eficiente para este tipo de redes,

sobre todo atendiendo a la capacidad multicanal que las futuras redes PON pueden incorporar [2].

Así mismo existen redes que son capaces de soportar grandes tráficos de datos pero solo a cortas

distancias, por lo que fue necesario diseñar este tipo de topología basada en la amplificación de las

señales brindando beneficios como la eliminación del equipo electrónico para los nodos de salida

de la red local, los equipos de enrutamiento y conmutación aumentando el número de clientes.

11

1.2. Justificación

En el ámbito social las redes pasivas ópticas de largo alcance se hacen necesarias en ambientes

urbanísticos con gran crecimiento de población, como las metrópolis para mejorar la calidad de

servicio (QoS) ofrecida a los usuarios puesto que la demanda por un mejor servicio se incrementa

con el pasar de los días y el avance de las comunicaciones [3].

Debido a que la redes ópticas pasivas de largo alcance son una tecnología reciente y en proceso de

estandarización, al respecto en el ámbito investigativo es necesario una correcta caracterización de

los amplificadores ópticos aplicables a estas redes, ya que a través de estos es posible lograr un

mayor alcance en las señales transmitidas por fibra óptica y por ende es necesario conocer cómo es

el desempeño de la red bajo ciertas circunstancias de tráfico de red y de su ambiente externo como

temperatura de trabajo y temperatura ambiental, etc [4].

Asimismo este es un tema nuevo que surge en necesidad de mejorar las actuales redes de accesos a

los usuarios, es un campo de investigación donde las universidades comienzan a incursionar para

generar el conocimiento necesario para que este tipo de redes sean estandarizadas y poder así ser

implementadas por las empresas que brindan un servicio de comunicaciones.

Económicamente hablando, estas redes tienen como objetivo a largo término una viabilidad y

sostenibilidad para los dispositivos de instalaciones de fibra óptica en las redes de acceso a los

usuarios [3], puesto que estas optimizan el alcance de las redes actuales y por ende mejora los

costos de las mismas [2].

Igualmente se estudiarán las topologías de las redes LR-PON y la eficiencia de los diferentes

amplificadores ópticos para hacer una evaluación de sus características y posteriormente el diseño

de este tipo de red con el fin de obtener resultados satisfactorios para escribir la presente

monografía y así cumplir uno de los requisitos fundamentales para la obtención del título de

pregrado.

12

1.3. Objetivos

1.3.1 Objetivo general

● Caracterizar el comportamiento de las redes LR-PON con los diferentes tipos de

amplificadores ópticos.

1.3.2 Objetivos específicos

● Identificar las características y topologías de una red LR-PON.

● Determinar las características de amplificación de los diferentes tipos de amplificadores

ópticos.

● Diseñar una red LR-PON con capacidad multicanal atendiendo las características de

amplificación necesarias para suplir las necesidades de esta.

● Evaluar mediante procesos de simulación la red diseñada.

1.4. Alcance y limitaciones

La presente monografía tiene como finalidad la caracterización y evaluación de una red LR-PON, a

través de la simulación de la red diseñada a partir del estudio de las características de los

amplificadores ópticos a usar y de la misma red LR-PON.

Dado que la implementación física de la red diseñada resultaría muy costosa y requeriría de

elementos e instrumentos que son difíciles de conseguir y tienen un costo elevado, su desarrollo se

limita a la simulación con diversos componentes en procura de determinar el más eficiente.

13

2. MARCO TEORICO

2.1 Redes

2.1.1. Redes PON

Figura 1.Red TPON [6].

Para estudiar la evolución de las PON (redes pasivas ópticas) , se parte de la TPON (PON para

telefonía), donde el operador inicia desplegando una simple TPON como la mostrada en la figura 1,

la cual es una red de transmisión en estrella con ancho de banda compartido de acuerdo a la

clasificación de la siguiente tabla:[6]

Tabla 1. Clasificación de redes de acceso [7].

Si más unidades de redes ópticas (ONUs) necesitan ser soportadas, el operador puede actualizar la

red a una WDM (multiplexación por división de longitud de onda) PON como la de la figura 2, la

cual es un red de transmisión con ancho de banda dedicado previsto para cada ONU. Esto puede ser

hecho actualizando los transmisores en la oficina central (CO) a transmisores WDM. Si se necesita

14

altas capacidades por ONU, el operador puede actualizar la red a una PON de longitud de onda

enrutada (WRPON) como la de la figura 3, que es una red conmutada con ancho de banda

dedicado. Además, esta WRPON puede también soportar servicios de transmisión eficientemente

usando la técnica de cortes espectrales.

Figura 2. Red WDM PON [6].

Las PONs usan algunos componentes pasivos, como un acoplador óptico en estrella o un router de

longitud de onda estática como nodo remoto. Las principales ventajas de usar arquitecturas pasivas

son su confiabilidad, fácil mantenimiento, y el hecho de que las redes desplegadas no necesitan ser

energizadas [6].

A continuación se muestra una comparación de las arquitecturas PON:

Tabla 2. Comparación de las arquitecturas PON [6].

Donde N denota el número de ONUs en la red. Una ONU con una tasa de bits de 1 indica que la

ONU opera a una tasa de bits correspondiente al tráfico. Además la infraestructura de la fibra es

15

independiente de la tasa de bits y los formatos de modulación, la red global puede ser actualizada

en el futuro sin cambiar la infraestructura.

Figura 3. Red WRPON [6].

Es por esto que la evolución de las redes PON se ha dado con una mínima interrupción de los

servicios y sin perder el equipo ya desplegado. En general, el equipo terminal puede ser actualizado

a una capacidad adicional y servicios como sean necesarios, sin tener que actualizar la fibra

externa. Así que en la ruta de actualización se parte de una red de difusión con ancho de banda

compartido a una red de difusión con ancho de banda dedicado y, finalmente, a una red conmutada

con ancho de banda dedicado [6].

El paso hacia las redes pasivas ópticas de largo alcance (LR-PON) tiene el objetivo de reemplazar

la conversión óptico/eléctrico/óptico que se produce en la central local a una trayectoria óptica

desde el usuario hasta el núcleo de la red, lo que se traduce en una reducción de costos al quitar los

elementos intermedios para las conversiones ópticas/ eléctricas, al igual que aumentando el número

de usuarios el coste restante se divide entre estos lo cual cada usuario tiene que pagar un precio

menor, además se aumenta el ancho de banda que se puede proveer a los usuarios [8].

Para esto se utilizan amplificadores ópticos con el fin de que la potencia de la señal en el receptor

sea mayor que la sensitividad del mismo, debido a que es necesario suplir la atenuación, tanto la

producida por la misma fibra óptica como la de los elementos de distribución (splitters ópticos).

16

2.1.2. Redes LR-PON

A lo largo de los artículos consultados se encontraron diversos diseños que se utilizarán como

referencia, estos se citarán a continuación:

En la figura 4, se presenta la arquitectura propuesta para el diseño y desarrollo de una red de

40Gb/s, pero con una tasa de bajada que puede cambiar adaptativamente desde 6.25 Gb/s a 40Gb/s

dependiendo de las diferentes longitudes de onda en la fibra, desde 0 a 100 km entre el CO(oficina

central) y cada ONU(unidad de red óptica) y una tasa de subida de 10 Gb/s que es generada usando

un DML (láser directamente modulado) a 2.5 GHz [9].

Figura 4. LR-PON propuesta usando OFDM cuatro bandas con ancho de banda de 10 GHz y tráfico de bajado adaptativo de 6.2 a 40 Gb/s [9].

En esta propuesta se usó una modulación 16 QAM (modulación de amplitud en cuadratura) OFDM

(multiplexación ortogonal por división de frecuencia). El EDFA (amplificador de fibra dopada con

erbio) con una ganancia de 27dB y una figura de ruido de 5 dB es usado para mejorar el balance de

potencia de bajada y compensar las pérdidas de los componentes pasivos.

En las figuras 4 y 5, se presenta la arquitectura propuesta para el diseño y desarrollo de una red

simétrica de 100 km, 10Gb/s y una división de 1024, lo que probaría experimentalmente la

viabilidad de las LRPON para las transmisiones tanto de subida como de bajada. Una señal óptica

CW (onda continua) a una longitud de onda de 1540 nm es lanzada en el MZM (modulador Mach-

Zehnder) para producir la señal óptica OFDM que pasará a través de una SMF (fibra monomodo)

de 20 a 100 km sin compensación de dispersión y será directamente detectada a través de un

receptor PIN a 10 GHz en la ONU [9].

En la figura 5 se presenta el montaje experimental de una LRPON con cuatro canales WDM,

transmisión de 224 Gbps sobre una fibra de 60 km sin compensación de dispersión usando

modulación CAP (amplitud /fase sin portadora), detector PIN y un EAM (modulador de electro

absorción) a 10 GHz [10].

17

Figura 5. Configuración experimental de 4λ, 32 CAP, transmisión de 60 km [10].

Las señales CAP eléctricas fueron generadas por un generador de forma de onda aleatorio con una

tasa de muestreo de 50 Gmuestras/s y una resolución de 8 bits. El ancho de banda de la señal CAP

fue controlado en el rango de 7.4 a 11.2 GHz para adaptarse al rendimiento de la transmisión. Se

usaron 4 láseres DFB (realimentación distribuida) como las fuentes de luz WDM, las señales CAP

ópticas fueron generadas por un EAM. El EDFA y un VOA (atenuador óptico variable) fueron

usados para habilitar la potencia total de lanzamiento de 12-24 dBm [10].

Figura 6.Respuesta en frecuencia de los 60 km de fibra a 1546 nm [10].

18

Figura 7.Tasa de transmisión alcanzable usando diferentes potencias de lanzamiento [10].

En la figura 6 se muestra la respuesta en frecuencia medida de la fibra de 60 km usando una señal

CAP a 11.2 GHz a 1546 nm, donde se evidencia que cuando la potencia total de lanzamiento es 24

dBm, no hay desvanecimiento de potencia dentro de todo el ancho de banda, mientras que cuando

la potencia de lanzamiento es 15 o 12 dBm la transmisión óptica apenas opera en la región lineal.

La figura 7 muestra la máxima capacidad alcanzable de cada canal en el límite de FEC (corrección

de errores) con una potencia recibida de -8 dBm [10].

En la figura 8 se muestra el esquemático de la configuración experimental de un sistema LRPON

con detección directa óptica (DDO) OFDM con multibanda de doble cara, que transmite a una tasa

agregada de 120 Gb/s [11].

Figura 8. Configuración experimental LRPON con tasa de transmisión agregada de 120 Gb/s [11].

En la CO un láser sintonizable a 1552.52 nm con un ancho de láser de 100 kHz es emitido e

igualmente separado en dos caminos: uno para la generación de la señal OFDM multibanda y el

otro para la inserción de la portadora óptica de detección directa. En la generación de la señal

OFDM la primera sección es un generador de barrido de frecuencias que se consigue con dos etapas

ópticas de conversión ascendente, donde dos relojes sinusoidales sincronizados en fase modulan

individualmente dos MZM. En la siguiente sección el barrido de frecuencias es modulado con las

señales OFDM ópticas de bajada por el IQM (modulador en fase/cuadratura de fase) y después es

amplificado por un EDFA. En este proceso cada banda de la señal lleva 20 Gb/s de datos, por lo

19

que la tasa de transmisión de las 6 bandas ensambladas es de 120 Gb/s. Esta señal amplificada por

el EDFA es enviada a través de un canal de 100 km SSMF (fibra monomodo estándar) con una

potencia de entrada de 2 dB para prevenir las no linealidades de la fibra, después de la transmisión,

la señal de bajada es amplificada por un EDFA en línea y posteriormente la energía es dividida a

cada ONU [11].

La arquitectura de un sistema WDM-PON de largo alcance y alta capacidad es propuesto en la

figura 9. Este sistema tiene un flujo de bajada de 40 Gb/s/𝜆y un flujo de subida de 10 Gb/s/𝜆, para

el flujo de bajada se usará un MZM y para el de bajada un transmisor sintonizable por longitud de

onda [12].

Figura 9. Arquitectura propuesta de un sistema WDM-PON de alta capacidad y largo alcance [12].

En el OLT (terminación de línea óptica) la fuente del enlace de bajada WDM consiste en n

transmisores ópticos constituidos por LDs (diodos láser de longitud de onda fija) y moduladores

DQPSK (modulación por desplazamiento de fase en cuadratura diferencial), un AWG (matriz o

enrutador óptico de guía de onda) de nx1 y un módulo DCF (fibra de compensación de dispersión),

mientras que el enlace de subida WDM consiste en n receptores ópticos y un AWG de nx1. Un OC

(circulador óptico) de tres puertos es usado para la conexión cruzada de la fuente del enlace de

bajada y el receptor de subida. En el RN (nodo remoto), un RPEDFA (EDFA bombeado

remotamente) y un AWG de nx1 son usados para amplificar las señales del enlace de bajada y de

subida y acoplar n ONUs, respectivamente. EL RPEDFA consiste en una fibra dopada con erbio, un

filtro WDM de 980 nm/1550 nm y un diodo láser de bombeo sintonizable de potencia que se coloca

en cualquier ONU. En una ONU, un filtro WDM rojo/azul es usado para acoplar el transmisor de

subida y el receptor de bajada, este receptor consiste en un demodulador DQPSK y PDs

(fotodiodos) que son usados para alcanzar la detección directa [12].

En la figura 10, se propone una LRPON de portadora distribuida de tráfico de subida de 10 Gbps

usando una ONU basada en RSOA (amplificador óptico semiconductor reflectante) con un ancho

20

de banda de 1.2 GHz. En la ONU modulación 64 QAM OFDM es usada para generar una tasa de

datos de 10 Gbps [13].

Figura 10.Configuración experimental propuesta de ONU basada en RSOA [13].

El RSOA tiene un ancho de banda de 1.2 GHz cuando opera a una corriente de bias de

aproximadamente 50 mA. Una onda continua (CW) con longitud de onda de 1550 nm se inyecta en

el RSOA a través de un OC. Un EDFA con ganancia de 23 dB y figura de ruido de 5 dB y un OVA

son utilizados para compensar pérdidas en la SMF. Aquí la frecuencia de relajación de oscilación

del RSOA puede ser incrementada a través de una inyección óptica, por lo tanto una potencia óptica

mayor puede incrementar la velocidad de modulación del RSOA [13].

En las figuras 11 y 12, se presenta la arquitectura propuesta para el diseño y desarrollo de una red

simétrica de 100 km, 10 Gb/s y una división de 1024, lo que probaría experimentalmente la

viabilidad de las LRPON para las transmisiones tanto de subida como de bajada [14].

21

Figura 11.Arquitectura de subida propuesta para LRPON [14].

Figura 12. Arquitectura de bajada propuesta para LRPON [14].

La introducción de la fibra óptica en estas redes de acceso permite la eliminación del cuello de

botella que se presenta en redes basadas en cobre. Además estas arquitecturas presentan una

alternativa fiable para redes punto a punto a través de estructuras tipo árbol y tipo rama, se buscó

también reducir costos al aumentar el tamaño de la división, lo cual incrementa el número de

clientes que comparten el costo del equipo. Igualmente para esta red dos splitter en cascada N: 16

(con pérdidas de 28dB), un splitter de N: 4 (con pérdidas de 7.3dB) y la fibra de 10 km (con

pérdidas de 0.35dB/km) lo cual resulta en una pérdida total de 40.3dB. En la arquitectura de subida

se usó en el OA1 un EDFA como preamplificador y en el OA2 un amplificador booster. Como el

EDFA es dependiente de la longitud de onda entre el OA1 y el OA2 se colocó un filtro ASE

(emisión espontánea amplificada) con un pasabanda desde 1532 a 1565 nm. En el OA3 se usó otro

EDFA pero con un filtro óptico antes para ajustar el ancho de banda óptico del sistema. Para el caso

de la arquitectura de bajada los tres amplificadores son EDFA pero en el OA3 se usa uno de alta

potencia para asegurar que la señal de entrada a la sección de distribución sea de más de 20 dBm

[14].

En la figura 13 se presenta un montaje experimental de una LRPON que usa multiplexación WDM-

TDM para una red de 2.5Gb/s, 60 km y 1024 clientes.

22

Figura 13. Montaje experimental de LRPON WDM-TDM [15].

El montaje experimental consiste en que la oficina central es conectada al nodo remoto a través de

una fibra de 60 km. El nodo remoto consiste en un amplificador híbrido SOA-Raman (SRHA)

bidireccional y una serie de multiplexaciones WDM y splitters pasivos. Los terminales de red

ópticos (ONT) son diseñados con un filtro WDM y un transreceptor. Cada PON usa longitudes de

ondas distintas, PON1 usa 1550 nm de bajada y 1510 nm de subida, PON2 usa 1570 nm de bajada

y 1530 nm de subida [15].

Figura 14. SRHA bidireccional [15].

Como se muestra en la figura 15 el SRHA bidireccional de 1.5um consisten en un SOA seguido de

3.5 km de fibra Raman con una atenuación de 0.32dB/km a 1550 nm. Este SRHA tiene suficiente

ancho de banda óptico para amplificar dos canales CWDM (Multiplexación por división en

longitudes de onda ligeras) en cada dirección y es compatible con los transmisores CWDM no

refrigerados usados en las PON comerciales [15].

23

Figura 15. Espectro de salida del SRHA [15].

Figura 16.Rendimiento BER (tasa de error binario) de bajada y de subida de las LRPON híbridas CWDM TDM [15].

En la figura 15 se muestra el espectro de salida del SRHA, en el caso de la subida se incluye las

señales reflejadas de bajada del segundo acoplador de banda WDM. Los símbolos abiertos en la

figura 16 representan la tasa de error binario medida a 2.488 Gb/s para la PON extendida TDM en

ambas direcciones, de subida y de bajada, con todos los canales operando a través del sistema

simultáneamente.

En la figura 17 se representa un sistema LRPON de 85 km bidireccional soportado por

amplificación Raman distribuida con 7.5Gb/s de señal de subida modulada de portadora remota

empleando un circuito monolíticamente integrado SOA-EA (sección electro absorbente) reflectante.

24

Figura 17.Sistema de acceso extendido con una sola fibra y amplificación Raman distribuida [16].

Lo que se buscó con esta propuesta es reemplazar las dos fibras ópticas (una de subida y una de

bajada) que comunican el nodo del núcleo y el intercambio local por una única fibra bidireccional

soportada por amplificación Raman distribuida. La DRFA (amplificación Raman distribuida) es

usada para compensar las pérdidas de transmisión y permitir largas longitudes de onda y/o tasas de

división de potencia en el intercambio local. Igualmente DRFA ofrece bidireccionalidad, amplio

ancho de banda de operación con altos valores de OSNR (relación óptica de señal a ruido). En la

figura 18 se muestran los resultados de las medidas de la tasa de bits erróneos, la de la izquierda

corresponde al caso de 5Gb/s donde se observa que la sensibilidad del receptor a una tasa de bits

erróneos de 10^-9 es de 0.7dB, mientras que la de la derecha corresponde al caso de 7.5Gb/s donde

la sensibilidad del receptor a una tasa de bits erróneos de 10^-9 es 1.3dB.

Figura 18. Medida de la tasa de bits erróneos para una señal de subida de 5Gb/s y 7.5Gb/s [16].

En la figura 19 se muestra un sistema experimental jerárquico LR-PON, que combina la topología

de árbol y en estrella. Se divide las ONU en varios grupos o ramas. Cada rama se compone de

25

algunos grupos, y en cada grupo que establece una unidad ONU central (CONU). OLT y CONUs

se encuentran todavía en el cumplimiento de la topología del árbol. Mientras que en cada grupo, el

CONU y el resto de unidades ONU están en topología en estrella. Aplicamos el protocolo de

control multipunto (MPCP) a la topología del árbol, y aplicamos el protocolo punto a punto sobre

Ethernet (PPPoE) para la topología en estrella. Con el fin de ofrecer una gran capacidad y aumentar

la utilización del ancho de banda, se construye un sistema WDM-OFDM-PON, y proponemos un

esquema compatibles con QoS WDM-OFDM-Combinado DBA (WOC-DBA) para mejorar la

equidad de diferentes unidades ONU y la demora de diferentes servicios [17].

El diseño jerárquico agrupado de largo alcance WDM-OFDM-PON se compone de una OLT y 𝑚

ONU. Estas 𝑚 ONUs se dividen en 𝑤 grupos, y estos grupos forman 𝑛 ramas. En esta red WDM-

PON-OFDM, utilizamos 𝑛 longitudes de onda en el enlace ascendente, y 64 canales para cada

longitud de onda.

Figura 19. Topología de la red experimental de largo alcance WDM-OFDM-PON [17].

Como se muestra en la figura 19, cerca de la OLT, la densidad de clientes es alta. Con el aumento

de la distancia, se reduce la densidad de cliente. El último grupo abarca el menor número de grupos

que cumplen con el consumo de energía causada por la transmisión a larga distancia y el divisor.

Según lo establecido en [17], se crean cuatro ramas en esta red. La primer rama está en el rango de

10 km, la segunda rama está en el rango de 40 km, la tercer rama está en el rango de 70 km, y la

última rama está en el intervalo de 100 km. Cada rama se compone de varios grupos. En cada

grupo, hay una CONU y ocho unidades ONU.

26

2.2. Amplificadores ópticos

2.2.1. Amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA)

La principal característica de los EDFAs es su gran ancho de banda de ganancia mientras

simultáneamente amplifica un gran número de canales a diferentes longitudes de onda dentro del

espectro sin reducir la ganancia. El fenómeno físico de funcionamiento del EDFA se llama emisión

estimulada y lo mencionaremos a continuación.

2.2.1.1. Emisión Estimulada

En la mayoría de amplificadores ópticos que serán mencionados en este documento, el fenómeno

físico detrás de la señal a amplificar es la emisión estimulada por radiación de átomos en presencia

de un campo electromagnético. Este campo electromagnético se convierte en una señal óptica

dentro del amplificador óptico, basándose en los principios de física cuántica en cualquier sistema

físico, por ejemplo el átomo existe un número discreto de niveles de energía, para practicidad

académica se considera solo dos niveles de energía 𝐸1 y 𝐸2 ,con 𝐸2 > 𝐸1 y un campo

electromagnético cuya frecuencia 𝑓𝑐satisface ℎ𝑓𝑐 = 𝐸2 − 𝐸1 y induce transiciones de átomos entre

los niveles de energía.

Tenemos dos tipos de transiciones, 𝐸2 → 𝐸1 y 𝐸1 → 𝐸2, cuando ocurre 𝐸1 → 𝐸2la transición está

acompañada por la absorción de fotones provenientes del campo electromagnético incidente,

mientras que cuando ocurre 𝐸2 → 𝐸1la transición está acompañada por la emisión de fotones con

energía ℎ𝑓𝑐, la misma energía que la de los fotones incidentes, por lo que si en la emisión

estimulada domina sobre la absorción --esto es, que la señal incidente cause más transiciones de

𝐸2 → 𝐸1 qué transiciones de 𝐸1 → 𝐸2-- tendríamos un aumento neto en el número de fotones de

energía ℎ𝑓𝑐 y una amplificación en la señal, de otra forma, la señal sería atenuada.

Según la teoría de la mecánica cuántica la tasa de la transición 𝐸1 → 𝐸2 por átomo equivale a la

tasa de la transmisión 𝐸2 → 𝐸1. Esta tasa la llamaremos 𝑟. Si la población (número de átomos) en

los niveles de energía 𝐸1 y 𝐸2, son 𝑁1y 𝑁2, respectivamente, se tiene que el incremento en potencia

es de (𝑁2 − 𝑁1)𝑟ℎ𝑓𝑐. Claramente para que la amplificación ocurra, esta última expresión debe ser

positiva, esto implica que 𝑁2 > 𝑁1. Pero en equilibrio térmico, los niveles de menor energía son

más poblados, por lo cual se tiene 𝑁2 < 𝑁1, entonces, en equilibrio térmico, solo se tiene absorción

de la señal de entrada. Pero para que la amplificación ocurra, se debe invertir la relación entre las

poblaciones de los niveles 𝐸1 y 𝐸2, a este proceso se le llama inversión de población, esta es lograda

mediante un suministro adicional de energía, mediante una bomba de electrones de alto nivel

energético, esta energía puede ser en forma óptica o forma eléctrica [18].

27

Figura 20. Emisión estimulada en un sistema atómico de dos energías [18].

Como vimos anteriormente el principio físico de funcionamiento es la emisión estimulada, ahora

miraremos cómo funciona un poco más a fondo los EDFAs, esto puede ser explicado considerando

un sistema de tres niveles atómicos. Teniendo en cuenta la figura 21. Se tienen tres estados

𝐸1 , 𝐸2 𝑦 𝐸3 con poblaciones de iones 𝑁1, 𝑁2 𝑦 𝑁3 respectivamente, donde según el equilibrio térmico

se tiene que 𝑁1 > 𝑁2 > 𝑁3, para lograr la emisión estimulada se necesita la inversión de población

entre 𝐸2 y 𝐸1, es decir 𝑁2 > 𝑁1. Como se muestra en la figura 21, la diferencia de energía entre el

nivel 𝐸3y el nivel 𝐸1corresponda a una longitud de onda de 980 nm. Por consiguiente si mediante

una fuente se aplica una señal de esa longitud de onda se generará una transición de iones de 𝐸1a

𝐸3, estos iones que logren trasladarse del nivel 𝐸1al nivel 𝐸3 rápidamente irán al nivel 𝐸, este

proceso tiene un tiempo de vida de 𝜏32 ≃ 1 𝜇𝑠. Los iones que se encuentran en el nivel 𝐸2también

cambian de nivel al nivel 𝐸1 pero para este caso el tiempo de vida es 𝜏21 ≃ 10 𝑚𝑠. Como se puede

observar el mucho más largo que el tiempo de 𝐸3 a 𝐸2, por lo que si la fuente es lo suficientemente

grande los iones de 𝐸1 suben rápidamente a 𝐸3 y posteriormente decrecen rápidamente a 𝐸2. El

efecto neto que esto causa que la mayoría de iones se encuentre en el nivel 𝐸2, logrando así la

inversión de población entre 𝐸2y 𝐸1.

Figura 21. Sistema de tres niveles para el modelo del amplificador [18].

28

Gracias a esto, si simultáneamente se inyecta una señal en la banda de 1525-1570 nm, esta será

amplificada por la emisión estimulada de los niveles 𝐸2 a 𝐸1. Aunque hay varios niveles superiores

al nivel 𝐸3 que en principio pueden ser utilizados para amplificar, la fuente de 980 nm es más

eficiente debido a que necesita menos potencia. También se pudiera utilizar una fuente de 1480 nm,

que como muestra la figura 21 es la energía de diferencia entre el nivel 𝐸1 y 𝐸2. Esta fuente de 1480

nm logra la inversión de población entre los niveles de 𝐸2 y 𝐸1 pero en este funcionamiento la

figura de ruido del amplificador es mayor que la de 980 nm, sin embargo tiene varias aplicaciones

en algunos sistemas.

2.2.1.2. Modelo simplificado del amplificador EDFA

Como se mencionó anteriormente, el nivel más alto del sistema, es decir el nivel con energía

𝐸3(mire la figura 21) es un nivel que permanece casi vacío por la rápida transición que hacen los

iones del nivel 𝐸3al nivel 𝐸2, por esto para describir el modelo del amplificador se tiene en cuenta

las densidades de población solo de los dos primeros estados, las cuales se pueden modelar por las

siguientes expresiones [19]:

𝜕𝑁2

𝜕𝑡= (𝜎𝑝

𝑎𝑁1 − 𝜎𝑝𝑒𝑁2)𝜑𝑝 + (𝜎𝑠

𝑎𝑁1 − 𝜎𝑠𝑒𝑁2)𝜑𝑠 −

𝑁2

𝜏21

𝜕𝑁1

𝜕𝑡= (𝜎𝑝

𝑒𝑁2 − 𝜎𝑝𝑎𝑁1)𝜑𝑝 + (𝜎𝑠

𝑒𝑁2 − 𝜎𝑠𝑎𝑁1)𝜑𝑠 +

𝑁2

𝜏21

Donde 𝜏21 es el tiempo de vida de los iones en el estado 𝐸2 antes de que desciendan al estado 𝐸1

(alrededor de 10 ms como se mencionó anteriormente), 𝜎𝑗𝑎 y 𝜎𝑗

𝑒 son las secciones eficaces de

absorción y emisión en la frecuencia 𝑗 con 𝑗 = 𝑝, 𝑠 y las expresiones 𝜙𝑝y 𝜙𝑠representan el flujo de

fotones de la señal de bombeo y de la señal a ser amplificada definida como:

𝜙𝑗 = 𝑃𝑗

𝑎𝑗 ℎ 𝑣𝑗

Donde 𝑃𝑗es la potencia óptica, 𝜎𝑗es la sección eficaz de transición en la frecuencia 𝑣𝑗 , y 𝑎𝑗 es el área

de la sección eficaz del modo de la fibra para 𝑗 = 𝑝, 𝑠.

La potencia de las señales de bombeo (𝑃𝑝) y de la señal a amplificar (𝑃𝑠) varían a lo largo del

amplificador (longitud) debido a la emisión estimulada, a la emisión estimulada y a la absorción. Si

se desprecia la interferencia que genera la emisión estimulada tal como se propone en [19]. Las

potencias 𝑃𝑝y 𝑃𝑠cumplen las siguientes ecuaciones:

𝜕𝑃𝑠

𝜕𝑧= Γ𝑠(𝜎𝑠

𝑒𝑁2 − 𝜎𝑠𝑎𝑁1)𝑃𝑠 − 𝑎𝑃𝑠

29

𝑠𝜕𝑃𝑝

𝜕𝑧= Γ𝑝(𝜎𝑝

𝑒𝑁2 − 𝜎𝑝𝑎𝑁1)𝑃𝑝 − 𝑎′𝑃𝑝

Donde 𝛤𝑠 y 𝛤𝑝son los factores de confinamiento (expresión que representa cuánta potencia viaja

por el núcleo de la fibra) y que estos toman en cuenta el hecho de que la región dopada al interior

del núcleo proporciona la ganancia para toda la fibra, 𝛼 y 𝛼′ se refiere a las pérdidas de la fibra en

las diferentes longitudes de onda de la señal a ser amplificada y de bombeo respectivamente. El

parámetro s = ±1 en la segunda ecuación de las inmediatamente anterior mostradas depende de la

dirección de la propagación del bombeo si 𝑠 = −1 se refiere a un bombeo que se propaga hacia

atrás [19].

2.2.2. Amplificador Raman

Los amplificadores de fibra Raman (FRA por su nombre en inglés) incrementan el ancho de banda

y mejoran las propiedades de ruido de los sistemas actuales. Los FRAs pueden dar una ganancia en

un ancho de banda que es sólo limitada por la potencia de la bomba o fuente disponible, con estos

amplificadores se han podido obtener anchos de banda de ganancia de hasta 100 nm. Actualmente

los amplificadores Raman son primeramente usados en la fibra de transmisión, y en algunos casos

también en la fibra de compensación de dispersión (DCF), empleando altas tasas de bits de 10-40

Gbit/s.

La FRAs están basados en el principio de dispersión Raman, que consiste en la capacidad de la luz

para dispersarse inelásticamente en una estructura molecular (gas, líquido o sólido) y a su vez

intercambiar energía con el material que fue descubierto por el físico indio C. V. Raman. Este

efecto causa que un fotón entrante se desplace hacia el rojo (conocido como desplazamiento de

Stokes) o hacia el azul (conocido como desplazamiento anti-Stokes) por interacción con el medio.

En cualquier caso, una fracción de la energía del fotón es absorbida o emitida por el material en

términos de vibraciones moleculares (calor), también conocido como fonones.

Debido a que la dispersión Raman es inelástica, la molécula decaerá a un nivel vibracional que es

diferente de su estado inicial. La dispersión Stokes Raman ocurre cuando el nivel final de energía

de la molécula es más alto que su nivel inicial, mientras que la dispersión anti-Stokes Raman ocurre

cuando el nivel de energía final es más bajo que el nivel inicial. La dispersión Stokes es mucho más

común que la anti-Stokes ya que en un momento dado un electrón en el rango más común de

temperatura es más probable que esté en un nivel bajo de energía, de acuerdo a la distribución de

Boltzmann. Por lo tanto, la dispersión anti-Stokes Raman no es importante en el contexto de las

comunicaciones ópticas [20].

Ahora se muestra una forma más rigurosa cómo funciona esto, el campo eléctrico induce un dipolo

en la molécula representado por la siguiente expresión

30

𝑝 = 𝑎𝐸

Donde 𝛼es el complejo de polarización de la molécula.

Figura 22. Modelo de una molécula [21].

La polarizabilidad en bloque del material está expresado como

𝑃 = 휀0𝑋(1)𝐸

Con 𝑋(1) la línea susceptible del material.

Con estas condiciones se tiene que el número complejo de la polarización de la molécula (𝛼) tiene

la siguiente respuesta a un campo eléctrico armónico incidente de la siguiente forma:

𝛼(𝑥) = 𝑎0 + 𝜕𝑎

𝜕𝑥|𝑥0 𝛿𝑥

Donde 𝛿𝑥 es el la longitud del desplazamiento del equilibrio molecular y está dado por la siguiente

expresión:

𝛿𝑥(𝑡) = 𝛿𝑥0𝑒±𝑗𝑤𝑝𝑡

Entonces el dipolo inducido en la molécula es:

𝑝(𝑡) = 𝑎(𝑡)𝐸(𝑡)

= (𝑎0 + 𝜕𝑎

𝜕𝑥|𝑥0 𝛿𝑥0𝑒±𝑗𝑤𝑝𝑡)𝐸0𝑒𝑗𝑤1𝑡

= 𝑎0𝐸0𝑒𝑗𝑤1𝑡 + 𝜕𝑎

𝜕𝑥|𝑥0 𝛿𝑥0𝐸0𝑒𝑗(𝑤1±𝑗𝑤𝑝)𝑡

Como se puede notar en la ecuación anterior, se generan dos componentes de campo eléctrico con

diferente frecuencia, uno con un frecuencia de 𝜔1igual a la incidente y otro con una frecuencia

31

𝑤1 ± 𝑤𝑝, como se puede notar este segundo componente es no lineal puesto que la frecuencia de

salida es diferente a la frecuencia de entrada. Todas las moléculas que contribuyen al proceso están

vibrando independientemente y la dispersión de luz es no direccional. En los niveles más altos de

intensidad de los fotones generados comienzan a actuar en fase o coherente - es decir, las moléculas

oscilan como un conjunto de osciladores vibrantes [21].

Figura 23.Dispersión de Stokes en una molécula [20].

Para el desplazamiento Stokes, la conservación de energía:

ℎ𝑣𝑠 = ℎ𝑣𝑝 − 𝐸𝑓𝑜𝑛𝑜𝑛

Donde 𝑣𝑝 y 𝑣𝑠son la frecuencia de la bomba y el fotón Stokes, respectivamente, 𝐸𝑓𝑜𝑛𝑜𝑛 es la

energía del fonon emitido y ℎ es la constante de Planck. El desplazamiento Stokes puede ocurrir

espontáneamente, como se muestra en la Figura 23 (a). Una frecuencia de bombeo se dispersa en

una molécula la cual causa un desplazamiento hacia el rojo del fotón y simultáneamente emite un

fonón. El proceso también puede ser estimulado por la presencia de un fotón de señal con una

frecuencia igual a la frecuencia Stokes 𝑣𝑠, como se muestra en la Figura 23 (b). Aparte de

contribuir al ruido en los amplificadores y láseres Raman, la dispersión espontánea Raman es

ampliamente usada en aplicaciones de sensado y espectroscopia. La aplicación más importante de

la dispersión estimulada Raman es proveer una ganancia óptica, tal que es el proceso clave en los

amplificadores y láseres Raman [20].

La interacción entre la onda incidente y la onda Stokes (onda a la que se le transfiere la potencia)

está gobernada por la siguiente pareja de ecuaciones [19]:

𝑑𝐼𝑠

𝑑𝑥 = 𝐺𝑅𝐼𝑝𝐼𝑠 − 𝑎𝑠𝐼𝑠

𝑑𝐼𝑝

𝑑𝑥 = −

𝑤𝑝

𝑤𝑠 𝐺𝑅𝐼𝑝𝐼𝑠 − 𝑎𝑠𝐼𝑝

Donde 𝐼𝑝 es la intensidad de la onda incidente, 𝐼𝑠 es la intensidad de la onda Stokes, los términos 𝛼𝑝

y 𝛼𝑠 son los coeficientes de absorción de la onda incidente y Stokes respectivamente y 𝐺𝑅 es el

32

coeficiente de ganancia de Raman, que depende de la composición del núcleo de la fibra. En la

siguiente figura se puede ver el coeficiente 𝐺𝑅 para una fibra de silicio en función del

desplazamiento de frecuencia a una longitud de onda 𝜆𝑝 = 1 𝜇𝑚.

Figura 24. Espectro de ganancia Raman en λp = 1 μm [19].

Lo más destacable de la ganancia de Raman es que se extiende a lo largo de un gran rango de

frecuencias (hasta 40 THz.), y para una longitud de onda de λP=1.55 mm alcanza un valor máximo

de aprox. 6.67·10-14 m/W para un desplazamiento de frecuencia de aprox. 13.2 THz [19].

2.2.3. Amplificador óptico de semiconductor (SOA)

Un SOA es un dispositivo optoelectrónico que bajo condiciones de funcionamiento adecuadas

puede amplificar una señal de luz de entrada. El diagrama básico de un SOA es mostrado en la

figura 25. La región activa en el dispositivo provee ganancia a la señal de entrada. Una corriente

eléctrica externa brinda la fuente de energía que permite que tenga lugar la ganancia. Una guía de

onda embebida es usada para confinar la onda de señal que se propaga a la región activa. La señal

de salida está acompañada por ruido. Este ruido añadido es producido por el mismo proceso de

amplificación y por lo tanto no puede ser enteramente evitado [22].

33

Figura 25. Diagrama de un SOA [22].

Una capa InP (Fosfuro de Indio) con dopaje n (Silicio) define la capa de revestimiento inferior

(Figura 26). La composición de la capa activa sin dopar de GaAsP (Arseniuro de Galio y Fosfato)

es seleccionado para una emisión alrededor de 1.55um. El revestimiento superior consiste en una

capa no dopada de InGaAsP (Arseniuro de Galio Fosfato e Indio) (banda prohibida de 1.28um) que

mejora el modo guiado y evita la difusión de la guía de onda de InP con dopaje p (Zinc). El índice

de refracción de la capa activa y el revestimiento da el modo guiado en dirección vertical. La cresta

o parte superior de la guía de onda proporciona el modo lateral guiado. Las dimensiones

estructurales están optimizadas para polarización TE y operación monomodo. La ganancia del

amplificador es dependiente de la polarización ya que es diferente para polarización TE o TM. La

polarización TE es conseguido con una capa activa delgada que proporciona una ganancia más

grande para el modo TE.

La corriente eléctrica externa es inyectada por un contacto p en la parte superior. Una poliimida

(polímero fuerte, resistente al calor y a los agentes químicos) es depositada para la pasivación y el

aislamiento eléctrico entre el amplificador y las secciones parciales de absorción [23].

34

Figura 26. Esquemático de la sección transversal de un SOA [23].

2.2.3.1 Modelo matemático del SOA

En la literatura se pueden encontrar varios modelos matemáticos de SOAs. En este caso se recurre

al modelo propuesto por Agrawal [24], el cual describe la evolución del campo electromagnético en

la cavidad activa, donde se considera el amplificador como una estructura de dos niveles de

energía. A continuación se expondrá brevemente este modelo, que ha sido escogido por tratarse de

un modelo básico de carácter bastante general e importante. En la obtención de este modelo se

realizan varias simplificaciones. En primer lugar, se establece la hipótesis de que las dimensiones w

(anchura) y d (espesor) del amplificador son tales que la cavidad es monomodo [25]. También, se

considera que la luz está linealmente polarizada a la entrada y se mantiene así durante la

propagación en el amplificador. Existen diferentes expresiones para representar la dependencia de

la susceptibilidad χ respecto a la densidad de portadores 𝑁, según los fenómenos que se pretenda

estudiar. En este modelo se utiliza una aproximación lineal de χ:

𝜒(𝑁) = −�̅�𝑐

𝑤𝑜(𝑎 + 𝑗) 𝑎 (𝑁 − 𝑁𝑜)

Donde 𝑗 es la unidad imaginaria, �̅� es el índice modal efectivo, 𝑐 es la velocidad de la luz, 𝜔0 es la

frecuencia del fotón, α es el factor de ensanchamiento de línea, 𝑎 el coeficiente de ganancia

diferencial y 𝑁𝑜 la densidad de portadores de transparencia. Tras estas consideraciones, la ecuación

de la tasa de portadores viene definida por:

𝜕𝑁

𝜕𝑡=

𝐼

𝑞𝑉−

𝑁

𝜏𝑠−

𝑔(𝑁)

ℎ 𝑣𝑜|𝐴𝑐|2

Donde 𝐼 es la corriente de inyección, 𝑞 es la carga del electrón, 𝑉 es el volumen de la cavidad

activa, 𝜏𝑠 es el tiempo de vida de los portadores espontáneos y ℎ 𝑣𝑜 es la energía del fotón. La

ganancia viene definida por:

𝑔(𝑁) = Γ𝑎(𝑁 − 𝑁𝑜)

35

Donde 𝛤 es factor de confinamiento y 𝐴𝑐 es el campo eléctrico normalizado, que se define como:

𝐴𝑐(𝑧, 𝑡) = √𝑃(𝑧, 𝑡) 𝑒𝑥𝑝 (𝑗𝜑(𝑧, 𝑡))

Donde 𝑃(𝑧, 𝑡) es la potencia del campo eléctrico incidente y 𝜙(𝑧, 𝑡) su fase. Se puede operar con el

conjunto de ecuaciones mostradas anteriormente según presenta [24], con lo que se obtienen las

siguientes ecuaciones acopladas:

𝜕𝑃

𝜕𝑧= (𝑔 − 𝑎𝑖𝑛𝑡) 𝑃

𝜕𝜙

𝜕𝑧= −

1

2𝑎𝑔

𝜕𝑔

𝜕𝑧=

𝑔𝑜−𝑔

𝜏𝑠−

𝑔𝑃

𝑃𝑠𝑎𝑡𝜏𝑠

Donde el coeficiente de ganancia de pequeña señal viene definido por:

𝑔𝑜 = Γ 𝑎𝑁𝑜(𝐼

𝐼𝑜− 1)

Y el parámetro

𝐼𝑜 = 𝑞 𝑉 𝑁𝑜

𝜏𝑠

Es la corriente necesaria para transparencia (zona de ganancia nula, donde el SOA deja de

comportarse como un medio absorbente). La expresión de la potencia de saturación 𝑃𝑠𝑎𝑡 es:

𝑃𝑠𝑎𝑡 = 𝑤𝑑

Γ.

ℎ.𝑣

𝑎 𝜏𝑠

En estas ecuaciones sólo se tiene en cuenta la propagación unidireccional (no se incluye el ruido

ASE). Además se adopta la hipótesis de densidad de portadores uniforme, por lo que solamente se

pueden aplicar a SOAs relativamente cortos (menos de 1 mm) [25].

2.3. Comparación de EDFAs, SOAs y amplificadores Raman

Los EDFAs representan la tecnología más madura de amplificadores de fibra óptica y ha sido

distribuido en el mercado por muchos años y son producidos por varios fabricantes a nivel mundial.

El EDFA es particularmente atractivo para sistemas ópticos WDM (multiplexación por división de

longitud de onda) y son ampliamente usados para estas aplicaciones. Por otra parte, los SOAs

siguen en fase de investigación y desarrollo. Hoy en día, pocos fabricantes los producen y su

rendimiento es muy bajo. Aunque la tecnología de los SOAs está basada en la muy bien

desarrollada tecnología láser, muchos importantes problemas relacionados al empaque,

recubrimiento anti-reflejo y sensibilidad de polarización no han encontrado todavía soluciones

36

satisfactorias para la producción en masa. Las aplicaciones más adecuadas de los SOAs son como

bloques de ganancia en sistemas ópticos punto a punto, o como amplificadores de potencia,

integrados con un láser emisor, aunque hay algunas limitaciones en términos de potencia de salida.

Los amplificadores Raman son principalmente usados en sistemas de transmisión de larga distancia

o ultra larga distancia con muy altas capacidades donde la degradación de la señal proveniente del

ruido de los EDFAs no es tolerable o el ancho de banda óptica requerido es más largo que de los

que el EDFA puede soportar. Especialmente los amplificadores Raman distribuidos pueden ayudar

a mejorar la relación señal a ruido óptica (OSNR) usando la fibra de transmisión como medio

activo. Debido al alto costo de los componentes, especialmente debido a la bomba de alta potencia,

este tipo de amplificador no es ampliamente instalado en las redes de hoy en día pero es usado en

aplicaciones específicas [26].

A continuación se presenta una tabla que resume las características de los amplificadores:

Característica EDFA SOA RAMAN

Ganancia (dB) 13-50 10-30 10-40

Longitud de onda (nm) 1530-1560 1280-1650 1280-1650

Ancho de banda (nm) 30-60 60 Depende de la bomba

Potencia de bomba >25dBm <400mA >30dBm

Figura de ruido (dB) 5 8 5

Tamaño Modulo Rack Compacto Módulo Bulk

Conmutable No Si No

Factor de costo Medio Competitivo Alto

Tabla 3. Comparación características EDFA, SOA, RAMAN [26].

37

VENTAJAS DESVENTAJAS

EDFA 1. Alta eficiencia de transferencia de

potencia.

2. Comercialmente disponible en

bandas C y L.

3. Alta ganancia.

4. Baja figura de ruido.

5. No requiere electrónicos de alta

velocidad.

6. Inmune a la diafonía.

7. Adecuado para aplicaciones de larga

distancia.

1. Solo puede trabajar a longitudes

de onda donde 𝐸𝐸+3emite

fluorescencia.

2. Requiere fibra especialmente

dopada como medio de ganancia.

3. Sistema de tres niveles, tal que la

ganancia media es opaco a

longitudes de onda de señal hasta

que se bombea.

4. Requiere amplia trayectoria de

ganancia.

5. Ganancia muy dependiente de la

longitud de onda y debe ser

aplanada.

SOA 1. Compacto.

2. Integración potencial.

3. Alta potencia de salida.

4. Amplia selección de longitud de

onda operativa (400-2000 nm).

5. Bajo precio con alto volumen de

producción.

1. Altas perdidas de acople.

2. Dependiente de la polarización.

3. Alta figura de ruido (comparado

con EDFA).

4. Modulación de fase cruzada.

5. Mezcla de cuatro ondas y diafonía.

RAMAN 1. Longitud de onda variable.

2. Compatible con fibra SM

(monomodo).

3. Puede ser usado para extender

EDFAs.

4. Puede resultar en una potencia

promedio inferior sobre un lapso.

5. Bueno para baja diafonía.

1. Interferencia multitrayecto.

2. Transferencia del ruido de la

bomba.

3. Figura de ruido.

4. Necesita control de ganancia.

Tabla 4. Ventajas y desventajas de los amplificadores EDFA, SOA, RAMAN [26].

38

3. CARACTERIZACIÓN

En la sección anterior se mostró las características generales de los amplificadores ópticos, sin

embargo, como se mencionó anteriormente, las redes LR-PON basan su estructura en la

amplificación de señales, por tal razón, en esta sección se corroboran dichos datos mediante la

simulación de los amplificadores ópticos en el software OptiSystem 7.0, de tal manera que se pueda

hallar sus mejores puntos de trabajo.

3.1 Caracterización del EDFA

Para la caracterización del EDFA se usó la topología mostrada en la figura 26 donde la entrada del

EDFA es un láser continuo multiplexado con un láser de bombeo y en la salida se coloca el

analizador de espectro óptico.

Figura 27. Topología de simulación para el amplificador EDFA.

Una vez definida la topología con la que se va a trabajar, se realizan pruebas variando diferentes

parámetros en la simulación como la potencia de entrada y del láser de bombeo, la longitud de onda

del láser continuo y del láser de bombeo y la longitud de la fibra dopada de erbio con el fin de

analizar el comportamiento del EDFA. Los resultados obtenidos al variar todos estos parámetros se

mostrarán a continuación.

3.1.1. Variación de longitud de onda y potencia señal de entrada

ENTRADA LÁSER DE BOMBEO LONGITUD

EDFA (m)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

POTENCIA

(dBm)

ANCHO DE LÍNEA

LÁSER (MHz)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

POTENCIA

(dBm)

1530 a 1625 -30 a -20 10 980 20 20

Tabla 5. Características de simulación de variación de longitud de onda y potencia de entrada.

39

Figura 28.Señal de salida del amplificador con una potencia de entrada de -20 dBm.

Figura 29.Señal de salida del amplificador con una potencia de entrada de -25 dBm.

40

Figura 30. Señal de salida del amplificador con una potencia de entrada de -30 dBm.

Figura 31. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de onda (cambiando la potencia de entrada).

41

Figura 32. Ganancia contra longitud de onda (cambiando la potencia de entrada).

Ya que cada una de las longitudes de onda que entraron al amplificador entraron con la misma

potencia, en las figuras 28, 29 y 30 se puede evidenciar que el amplificador EDFA no tiene una

respuesta plana en ganancia, ya que a la salida del amplificador se tienen diferentes longitudes de

onda a diferentes niveles de potencia.

Es también importante mencionar que como se evidencia en la figura 31, el amplificador tiene una

relación señal a ruido óptico (OSNR por sus siglas en inglés) que varía según diferentes parámetros,

en la misma figura se ve que para las longitudes de onda de 1540 nm a 1600 nm el OSNR es

relativamente plana y solo varía o depende de la potencia de la señal a la entrada, sin embargo para

el rango de señales con mayor longitudes de onda, de 1600 nm en adelante, el OSNR aumenta para

ambos casos y las líneas se sobre ponen, generando así que sea independiente de la potencia de la

señal de entrada.

De las figuras 28 a 30 se evidenció que la ganancia no es plana y que varía según la longitud de

onda, sin embargo al ser la ganancia un aspecto importante en los amplificadores, se decidió hacer

un análisis un poco más detallado en la región donde la ganancia se comporta de manera más

estable, ya que en un sistema de comunicaciones WDM, el cual es el propósito de este trabajo, es

muy importante que las diferentes portadoras salgan con potencia similar entre sí, en la figura 32 se

puede evidenciar que en la zona de 1550 nm y 1565 nm, la ganancia es relativamente plana y

depende de la potencia de entrada de la señal. Se evidencia que a menor potencia de entrada es

mayor la ganancia, sin embargo, en la figura 31 se puede ver que en esta zona de operación, el

OSNR es menor y por tanto más perjudicial, para la señal de menor potencia, lo cual nos demuestra

que hay que tener cuidado y un oportuno balance entre la potencia de entrada, la longitud de onda

y la ganancia de la señal para tener un óptimo resultado en el amplificador.

42

3.1.2. Variación longitud de onda del láser de bombeo


EDFA (m)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

POTENCIA

(dBm)

ANCHO DE LÍNEA

LÁSER (MHz)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

POTENCIA

(dBm)

1560 -20 10 980 a 1480 20 y 30 20

Tabla 6. Características de simulación para la variación de longitud de onda del láser de bombeo del

amplificador EDFA.

En los resultados que serán mostrados continuación se tiene a la señal de entrada en rojo mientras la

señal de ruido en verde y una potencia del láser de bombeo de 20 dBm.

Figura 33. Salida con una longitud de onda 980 nm.


43


Figura 36. Salida con una longitud de onda 1480 nm

A continuación se muestran los mismos resultados con las mismas convenciones, para una potencia

de bombeo de 30 dBm.

Figura 37.Salida con una longitud de onda 980 nm.

Figura 38. Salida con una l Longitud de onda 1146 nm.

44


Figura 40. Salida con una longitud de onda 1480 nm

Figura 41.Relación señal a ruido óptico contra la longitud de onda de bombeo para dos potencias establecidas.

45

Figura 42. . Relación ganancia contra potencia de bombeo para dos potencias de entrada establecidas.

De las figuras 33 a 40 se puede evidenciar que si la longitud de onda del láser de bombeo no es 980

nm o 1480 nm, el amplificador no funciona y no se obtiene señal alguna en la salida, además se

evidencia que dependiendo de la potencia del láser de bombeo, la señal a la salida del amplificador

varía. En la figura 41 y 42 se convalida lo anteriormente dicho, puesto que en la figura 41 se

evidencia que solo se obtiene relación señal a ruido en las longitudes anteriormente mencionadas y

en las demás la señal de salida es solo ruido, mientras que en la figura 42 se ve que a medida que se

aumenta la potencia del láser de bombeo, aumenta la ganancia, es decir aumenta la potencia de la

señal de salida del amplificador.

3.1.3. Cambio de longitud de la fibra dopada


EDFA (m)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

POTENCIA

(dBm)

ANCHO DE LÍNEA

LÁSER (MHz)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

POTENCIA

(dBm)

1560 -20 10 980 30 1 a 40

Tabla 7. Características de simulación para la variación de la longitud de la fibra dopada.

46

En las figuras 43 a 46 se tienen los resultados donde hubo variaciones significativas en la salida del

amplificador:

Figura 43. Salida del amplificador con fibra de 1 m.

Figura 44. Salida del amplificador con fibra 5 m.



47

Figura 47. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de la fibra dopada de Erbio.

Figura 48. Relación ganancia contra la longitud de la fibra dopada de Erbio para dos potencias de entrada.

De las figuras 43 a 46 se puede evidenciar como al variar la longitud de la fibra dopada con Erbio

se varía la figura de ruido del amplificador, además en la figura 47 se evidencia el comportamiento

del OSNR y en la figura 48 se evidencia que después de unos 10 m en la longitud de la fibra dopada

la ganancia se estabiliza.

Al analizar los resultados de las simulaciones de los parámetros del EDFA (de la figura 28 a la

figura 48),se obtiene que para obtener el mejor desempeño del amplificador, la longitud de onda de

la señal de entrada debe estar entre 1550 nm y 1565 nm ya que tanto la ganancia como el OSNR es

relativamente constante (ganancia plana) , igualmente la longitud de la fibra debe ser superior a los

48

5 m pero menor a los 10m ya que a partir de este punto la ganancia aumenta mínimamente y el

OSNR no disminuye significativamente.

Así mismo la longitud de onda de la fuente de bombeo debe ser 980 o 1480 nm ya que solo en estas

longitudes de onda funciona el EDFA, pero con 1480 nm se obtiene una mayor ganancia, de igual

forma la ganancia aumenta con la potencia de bombeo, pero para mantener un buen OSNR sin

sacrificar ganancia se debe tener esta potencia entre 20 y 30 dBm.

3.2. Caracterización del amplificador Raman

Para la caracterización del RAMAN se usó la topología mostrada en la figura 49 donde la entrada

del RAMAN es un arreglo de láseres continuos y un arreglo de láseres de bombeo contra

direccionales y en la salida se coloca el analizador de espectro óptico.

Figura 49. Topología de simulación del amplificador RAMAN.

Con la topología definida se va a realizar un proceso similar al hecho con el EDFA, donde se harán

pruebas variando diferentes parámetros en la simulación como la potencia de entrada y del láser de

bombeo, la longitud de onda del láser continuo y del láser de bombeo y la longitud de la fibra

RAMAN con el fin de analizar el comportamiento del amplificador RAMAN. Los resultados

obtenidos al variar todos estos parámetros se muestran a continuación.

49

3.2.1. Variación longitud fibra óptica

ENTRADA LÁSER DE BOMBEO

LONGITUD RAMAN

(km) LONGITUD DE

ONDA (nm)

POTENCIA

(dBm)

ESPACIADO DE

FRECUENCIAS (nm)

ANCHO DE LÍNEA

LÁSER (MHz)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

POTENCIA

(dBm) TIPO

1516 -20 0.955 10 1405 a 1487.5 18.45 a 22.43 Contradireccional 10 a 32

Tabla 8. Características de simulación para la variación en la longitud de la fibra óptica del amplificador

RAMAN.

Figura 50. Ganancia con fibra de 10 km.


50



Figura 54. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de la fibra óptica dentro del RAMAN.

51

Figura 55. Relación ganancia contra la longitud de la fibra del RAMAN para dos potencias de entrada.

De la figuras 50 a 53 se podría evidenciar que el cambio de longitud de la fibra óptica dentro del

amplificador RAMAN no genera un efecto importante en la señales de salida, sin embargo, si se

observa la figura 55 se puede evidenciar que al aumentar la longitud de la fibra la ganancia también

aumenta, no obstante, si se observa la figura 54 se evidencia que a medida que se aumenta la

longitud de la fibra disminuye el OSNR.

3.2.2. Barrido longitud de onda

ENTRADA LÁSER DE BOMBEO

LONGITUD

RAMAN

(km) LONGITUD

DE ONDA

(nm)

POTENCIA

(dBm)

ESPACIADO DE

FRECUENCIAS

(nm)

ANCHO DE LÍNEA

LÁSER (MHz)

LONGITUD

DE ONDA

(nm)

POTENCIA

(dBm) TIPO

1450 a 1516 -20 0.955 10 1405 a 1487.5 18.45 a 22.43 Contradireccional 10 y 25

Tabla 9. Características de simulación para el barrido de longitud de onda de la señal de entrada del

amplificador RAMAN.

52

Figura 56. Señal de salida para diferentes longitudes de onda a la entrada y una longitud RAMAN de 10 km.

Figura 57. Señal de salida para diferentes longitudes de onda a la entrada y una longitud RAMAN de 25 km.

53

Figura 58. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de onda dentro del RAMAN.

Figura 59. Ganancia contra longitud de onda (cambiando la potencia de entrada).

54

Figura 60. Relación ganancia contra potencia de bombeo para dos potencias de entrada establecidas.

De las figuras 56 y 57 se podría deducir que a medida que se aumenta la longitud de onda se tiene

una mayor ganancia en la salida del amplificador, sin embargo, si se observa la figura 59 donde se

grafica la ganancia del amplificador contra la longitud de onda de la señal de la entrada en un rango

mayor, se puede evidenciar que no siempre al aumentar la longitud de onda aumenta la ganancia,

puesto que alrededor de los 1510 nm la ganancia comienza a disminuir a medida que aumenta la

longitud de onda. También es importante observar que en la figura 58 se puede evidenciar que el

OSNR es relativamente plano con respecto a la longitud de onda, salvo por un cambio brusco que

también se presenta alrededor de los 1510 nm.

La figura 60 la cual muestra el comportamiento en ganancia del amplificador según se varía la

potencia de bombeo permite deducir que entre el rango de 15 y 25 dBm de potencia de bombeo se

obtiene la mejor ganancia del amplificador.

Analizando las simulaciones del RAMAN (de la figura 50 a la figura 60), se obtiene que los

mejores resultados de amplificación se obtienen con las siguientes características, una longitud de

onda de la señal de entrada superior a los 1516 nm e inferior a 1570 nm. La longitud de la fibra

debe estar entre 15 y 20 km con el fin de tener buena ganancia y que la señal no se vea afectada

significativamente por el ruido, así como la longitud de onda de la fuente de bombeo debe estar

entre los 1405 y 1487.5 nm y su potencia entre 15 y 25 dBm.

También se debe tener en cuenta que en los casos donde no se requiera la ganancia máxima la

longitud de la fibra debería ser de 5 a 10 km, para mitigar el efecto de la dispersión de la señal al

viajar por la fibra del RAMAN.

55

3.3. Caracterización del amplificador SOA

Para la caracterización del SOA se usó la topología mostrada en la figura 61 donde la entrada del

SOA es una señal gaussiana para simular los diferentes datos enviados y en la salida se coloca el

analizador de espectro óptico.

Figura 61. Topografía de simulación del amplificador SOA.

Aquí se realizará un proceso homólogo al realizado con el EDFA y con el RAMAN pero los

diferentes parámetros que se varían son la potencia de entrada, la longitud de onda de la señal de

entrada y la corriente de inyección del SOA con el fin de analizar su comportamiento. Los

resultados obtenidos al variar todos estos parámetros se muestran a continuación.

3.3.1. Variación de corriente de inyección

ENTRADA CORRIENTE

SOA (A)

LONGITUD DE ONDA

(nm)

POTENCIA (dBm)

1560 -20 y -30 0.15 a 0.5

Tabla 10. Características de simulación para una variación de la corriente de inyección del amplificador

SOA.

56

Figura 62.Potencia de entrada de -20 dBm.

Figura 63. Potencia de entrada de -30 dBm.

57

Figura 64. Relación señal a ruido óptico contra la corriente de inyección para dos potencias de entrada diferentes.

Figura 65. Relación ganancia contra la corriente de inyección para dos potencias de entrada diferentes.

Al variar la corriente de inyección se puede evidenciar que al aumentar dicha corriente también

aumenta la ganancia del amplificador, tal y como se muestra en la figura 65, sin embargo, hay que

tener cuidado puesto que en la figura 64 se puede evidenciar que al aumentar la corriente de

inyección disminuye drásticamente el OSNR.

58

3.3.2. Variación longitud de onda de la señal de entrada

ENTRADA CORRIENTE

SOA (A)

LONGITUD DE ONDA

(nm)

POTENCIA (dBm)

1450 a 1600 -20 0.5

Tabla 11. Características de simulación para el barrido de longitud de onda en la señal de entrada del

amplificador SOA.

Figura 66.Señal de salida del amplificador SOA con la entrada a -20 dB.

59

Figura 67. Relación señal a ruido óptico contra la longitud de onda.

Figura 68.Relación ganancia contra la longitud de onda para dos potencias de entrada diferentes.

Al realizar el barrido de la longitud de onda de la entrada de la señal se encuentra que el OSNR se

comporta tal y como se muestra en la figura 67, lo más importante a mencionar de esta figura es

que en la tercera ventana de transmisión, de 1530 nm a 1630 nm, tiene un OSNR plano o constante.

Otro punto importante a observar es que tras realizar el barrido de longitud de onda, se observó que

la ganancia del amplificador es prácticamente constante y que depende o ajusta a la potencia de

entrada según su valor.

Para el caso del SOA se observa según las simulaciones que la mejor configuración se obtiene al

proporcionarle una corriente de inyección a partir de 0.3 A, pero cuando no sea necesaria la

60

ganancia máxima del SOA la corriente debería ser menor a este valor, para tener un mejor OSNR,

mientras que en cuanto a la longitud de onda de las señales de entrada se evidencia que se tiene una

ganancia constante en toda la tercera ventana de transmisión.

3.4. Caracterización de distancias

A continuación se muestra la simulación de un sistema transmisor-receptor variando la longitud de

la fibra para establecer la distancia a partir de la cual se hace necesario el uso de los amplificadores

ópticos con el fin de satisfacer un BER de 10−12o un log de BER de -11.

Figura 69. Topológico de simulación para la caracterización de distancias.

Durante la simulación no solo se varía la longitud de la fibra óptica, sino también otros parámetros

como la potencia y la longitud de onda de la señal de entrada, para analizar el comportamiento

general del sistema transmisor-receptor y así tener características de este como la dispersión

cromática que se acumula a lo largo de la transmisión.

3.4.1. Barrido longitud fibra óptica y potencia

TASA DE

BITS

POTENCIA

TRANSMISOR

(dBm)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

ATENUACIÓN

(dB/km)

DISPERSIÓN

(ps/nm/km)

10 Gbps -10 a 10 1560 0.2 0

Tabla 12. Características de simulación con un barrido de longitud de fibra óptica y potencia en el transmisor

61

Figura 70.Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de 50 km.

De la figura 70 se puede observar que si se tiene una fibra con una longitud de 50 kilómetros, se

debe tener al menos una potencia de transmisión de al menos -6 dBm para que el BER sea menor al

límite establecido.


62

De la figura 71 se puede observar que si se quiere tener un BER menor al límite establecido, se

debe tener una potencia de transmisión de al menos -4 dBm si se tiene una fibra con longitud de 60

km.

Figura 72. Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de 70 km.

En la figura 72 se observa que al tener una fibra con una longitud de 70 km, se debe tener una

potencia de transmisión de al menos 2 dBm para que el BER sea menor al parámetro establecido

inicialmente.

Figura 73. Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de 80 km.

63

Analizando la figura 73, para obtener un BER menor al valor establecido, se debe tener una

potencia de transmisión de al menos 8 dBm.

Figura 74.Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de 83.5 km.

En la figura 74 se puede observar que, al tener una potencia de transmisión menor a 10 dbm, con

una fibra de 83.5 km, el BER es mayor al límite establecido, por lo que, se puede decir que este es

el límite máximo que se puede tener en cuanto a la longitud de la fibra óptica (sin ningún elemento

amplificador o atenuador) para que el BER sea menor al límite establecido con una potencia de

transmisión de 10 dBm y una potencia de recepción de -18 dBm. Es claro que, si se siguiera

aumentando la longitud de la fibra para las condiciones de simulación descritas en la tabla 12,

ninguna de las potencias de transmisión sería suficiente para tener un BER menor al límite. A

continuación, en la figura 75 se muestra un ejemplo de esto, realizando la simulación con una

longitud de fibra de 90 km.

64


3.4.2. Barrido longitud de onda y longitud fibra óptica

TASA DE

BITS

POTENCIA

TRANSMISOR

(dBm)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

ATENUACIÓN

(dB/km)

DISPERSIÓN

(ps/nm/km)

10 Gbps 10 1530 a 1630 0.2 0

Tabla 13. Características de simulación para un barrido de longitud de onda y barrido de longitud de la fibra

óptica.

65

Figura 76. Diferentes valores del BER para las diferentes longitudes de onda de la señal transmitida a una longitud de 90 km.

En la figura 76 se puede evidenciar que si la longitud de onda de la señal de entrada es mayor a

1540 nm, el BER es menor al límite del valor establecido, esto permite inferir que a menor longitud

de onda (dentro de tercera ventana) se obtiene un menor BER. A continuación, en las figura 77, 78

y 79 se muestra el caso en que se aumenta la longitud de la fibra y para tener el BER establecido,

las longitudes de onda son menores.

66

Figura 77. Diferentes valores del BER para las diferentes longitudes de onda de la señal transmitida a una longitud de 95 km.

Figura 78. Diferentes valores del BER para las diferentes longitudes de onda de la señal transmitida a una longitud de 99.6 km.

67

Figura 79.Diferentes valores del BER para las diferentes longitudes de onda de la señal transmitida a una longitud de100 km.

3.4.3. Dispersión cromática

TASA DE

BITS

POTENCIA

TRANSMISOR

(dBm)

LONGITUD DE

ONDA (nm)

ATENUACIÓN

(dB/km)

LONGITUD FO

(km)

10 Gbps 2 1560 0 83

Tabla 14. Características de simulación para la visualización de la dispersión cromática.

Figura 80. Dispersión acumulada en la fibra.

68

Al realizar la simulación se evidencia que en una fibra de 83 km se acumuló una dispersión

cromática total de 1560 ps/nm, por lo que calculando la dispersión cromática de la fibra se tendría

un valor de 18.75 ps/nm/km, lo cual es superior a lo establecido en la descripción de la fibra ya que

su valor es de 16.75ps/nm/km, lo cual quiere decir que la codificación NRZ y el modulador Mach-

Zehnder usados en el transmisor también introducen una dispersión en la señal. De igual forma la

dispersión acumulada en la fibra es igual para todas las longitudes de onda de la banda C, así que

para garantizar una buena recepción de la señal a largas distancias (más de 90 km) es necesario

compensar la dispersión cromática usando un módulo compensador de dispersión (DCM), evitando

de esta forma errores en la transmisión y una disminución del BER debido a la dispersión

cromática.

69

4. DISEÑO

Para el diseño de la red de fibra óptica se utilizó como base el plan nacional de fibra óptica,

específicamente la sección destinada a describir la red de Cundinamarca donde se tienen las

distancias entre municipios. Estas distancias son las que se simularán para caracterizar el

comportamiento de la red LRPON usando los diferentes amplificadores, a continuación, en la

figura 81 se muestra la red a simular.

Figura 81.Distribución con distancias desde Bogotá a municipios de Cundinamarca.

Dado que se diseñará una red multicanal para brindar servicio a los distintos municipios, es

necesario conocer la cantidad de habitantes de cada uno, para agruparlos y que cada canal brinde

servicio al mismo número promedio de habitantes. Para esto se utilizó la información contenida en

el censo del 2015 y se tabulo de la siguiente forma:

70

Tabla 15. Población de los municipios que se simularán.

Basados en los resultados de la caracterización de los amplificadores se halló que el intervalo en el

cual estos tienen mejor comportamiento y una ganancia relativamente plana para diferentes

longitudes de onda es el de 1555 a 1565 nm; y dado que se requieren 8 portadoras para brindar

servicio a los diferentes municipios, se tiene que el espaciado entre portadoras debe ser de 1.25nm,

obteniendo las siguientes portadoras:

71

λ1 1555 nm

λ2 1556.25 nm

λ3 1557.5 nm

λ4 1558.75 nm

λ5 1560 nm

λ6 1561.25 nm

λ7 1562.5 nm

λ8 1563.75 nm

Tabla 16. Distribución de Portadoras.

Para la red se usará fibra monomodo con las siguientes características:

DISPERSIÓN (ps/nm/km) 16.75

ATENUACIÓN (dB/km) 0.2

DIFERENCIAL DE GRUPO (ps/km) 0.2

Coeficiente PMD (ps/√𝑘𝑚) 0.5

Área efectiva (um^2) 80

Tabla 17. Características de fibra óptica a usar en las simulaciones.

Según la configuración de la red cuando la señal que sale desde Bogotá llega a Torca, esta se divide

en tres caminos, uno hacia Zipaquirá, el segundo hacia Nemocón y el último hacia Macheta, pero

teniendo en cuenta la ramificación en cada uno de estos puntos, las ocho longitudes de onda se

deben repartir enviando una hacia Zipaquirá, cuatro hacia Nemocón y tres hacia Macheta. Para

conseguir esto primero se usará un OADM para bajar únicamente la longitud de onda que va hacia

Zipaquirá (λ1), después se usa un AWG 1X2 para dividir las restantes siete longitudes de onda de

acuerdo a la repartición mencionada anteriormente. Usando la ciclicidad del AWG las portadoras

enviadas hacia los dos trayectos quedan de la siguiente manera:

72

TRAYECTO PORTADORAS

Nemocón λ2, λ4, λ6, λ8

Macheta λ3, λ5, λ7

Tabla 18. Distribución de portadoras en el primer AWG.

En Nemocón y Macheta también se utiliza un AWG para dividir las portadoras y enviarlas a los

municipios correspondientes, con la diferencia de que el AWG de Nemocón es de 1X4 y el de

Macheta de 1X3. De igual forma al tener en cuenta los resultados de la caracterización de la fibra,

los municipios que superen los 80 km de distancia desde Bogotá requieren del uso de DCM para

compensar la dispersión cromática, obteniéndose finalmente el siguiente diseño:

MUNICIPIO Distancia desde

Bogotá (km)

Dispersión a

compensar (ps/nm)

Portadora

Zipaquirá 54.74 0 λ1

Nemocón 75 0 λ2

Tausa 95 1591.25 λ2

Sutatausa 103 1725.25 λ2

Villapinzón 132 2211 λ4

Guacheta 186 3115.5 λ4

Lenguezaque 200 3350 λ4

Gachancipa 110 1842.5 λ6

Sesquile 125 2093.75 λ6

Guatavita 142 2378.5 λ6

Simijaca 155 2596.25 λ6

Susa 164 2747 λ6

San Miguel

de Sema

181 3031.75 λ6

Suesca 90 1507.5 λ8

73

Cucunubá 116 1943 λ8

Carmen de

Carupa

125 2093.75 λ8

Fuquene 145

170

2428.75

2847.5

λ8

Macheta 127 1959.75 λ3

Tibirita 150 2512.5 λ3

Manta 151 2529.25 λ3

Ubalá 200 3350 λ5

Gachalá 214 3584.5 λ5

Gachetá 184 3082 λ7

Junín 193.6 3242.8 λ7

Gama 199 3333.25 λ7

Tabla 19. Distribución final de portadoras, distancia de Bogotá a cada municipio y dispersión necesaria a

compensar.

Para la elaboración de la red primero se hizo el transmisor que consta de ocho moduladores y un

arreglo de 8 láseres continuos con las longitudes de onda de la tabla. Cada modulador consiste en

un generador pseudo-aleatorio de bits que se codifican con un generador de pulso de no retorno a

cero (NRZ), esta codificación se ingresa al modulador Mach-Zehnder junto con el láser de onda

continua para generar la señal óptica.

Figura 82.Modulador implementado para la simulación.

74

Cada uno de estos moduladores se usaron para los láseres de onda continua y una vez moduladas y

generadas las 8 portadoras ópticas se multiplexan para ser enviadas por la fibra óptica.

Figura 83. Transmisor implementado para la simulación.

Posteriormente se realizaron los receptores que consisten en un fotodetector PIN y un filtro Bessel

pasa bajas para obtener solo el espectro de la señal, adicionalmente se usó un regenerador 3R para

recuperar las señales necesarias (trama de bits, trama codificada) para el uso del analizador BER.

Figura 84. Receptor implementado en la simulación.

Con el transmisor, los receptores y todos los diseños mencionados anteriormente la red obtenida es

la siguiente:

75

Figura 85. Topológico de toda la red a simular.

Para la ubicación de los amplificadores es necesario tener en cuenta tanto los resultados de la

caracterización de la fibra como los de cada amplificador, ya que a partir de los de la fibra se

conoció que a los 83.5 km el BER sube al límite establecido con una potencia a la salida de la fibra

de -18 dBm, lo que significa que este es el mínimo valor que se puede llegar a tener en el receptor,

76

así que a partir de los amplificadores se tiene que garantizar por lo menos ese valor, pero a partir de

la caracterización de cada amplificador se sabe que cada uno tiene una ganancia máxima diferente,

el EDFA 35 dB, el RAMAN 30 dB, el SOA 34 dB y dado que según la tabla 17 la atenuación de la

fibra es de 0.2dB/km, se tiene que la distancia máxima a la que se puede colocar los amplificadores

es:

𝐷(𝑘𝑚) =𝐺(𝑑𝐵)

0.2(𝑑𝐵𝐾𝑚)

𝐷𝐸𝐷𝐹𝐴(𝑘𝑚) =35 𝑑𝐵

0.2(𝑑𝐵𝑘𝑚

) = 175 𝑘𝑚

𝐷𝑅𝐴𝑀𝐴𝑁(𝑘𝑚) =25 𝑑𝐵


) = 150 𝑘𝑚

𝐷𝑆𝑂𝐴(𝑘𝑚) =34 𝑑𝐵


) = 170 𝑘𝑚

Cabe resaltar que estas distancias son sin tener en cuenta las pérdidas por inserción de los AWG, el

OADM, la modulación, los divisores de potencia y las pérdidas por las no linealidades de la fibra,

así que aunque según el cálculo sin pérdidas y las distancias de los municipios a Bogotá se

necesitaría solo el uso de un amplificador por rama, pero si se tiene en cuenta todas las pérdidas

mencionadas anteriormente, por rama, se necesitan 2 o incluso 3 amplificadores dependiendo del

tipo de amplificador que se use.

77

5. SIMULACIONES

Con la red diseñada se realizarán las simulaciones de la misma usando los tres tipos de

amplificadores ópticos, EDFA, RAMAN y SOA, pero inicialmente se simula la red sin

amplificadores y sin DCM para usar como referencia y poder contrastar con las demás

simulaciones, usando como parámetros de comparación el BER, la potencia recibida y el OSNR:

5.1. Red sin amplificadores ni DCM

MUNICIPIO Potencia

recibida

(dBm)

OSNR (dB) BER

Zipaquirá -4.7613 92.4933 3.44353e-14

Nemocón -17.5413 82.458623 3.84538e-6

Tausa -21.5414 78.458605 0.000505277

Sutatausa -23.1414 76.858601 0.00162785

Villapinzón -27.1839 72.816053 1

Guacheta -40.9942 59.005754 1

Lenguezaque -43.7942 56.205754 1

Gachancipa -25.8093 74.190638 1

Sesquile -31.8196 68.180337 1

Guatavita -35.2197 64.780337 1

Simijaca -36.5702 63.429726 1

Susa -38.3702 61.629726 1

San Miguel de

Sema

-41.7702 58.229727 1

Suesca -21.8767 78.123292 0.000291774

Cucunubá -30.0870 69.912985 1

Carmen de -28.8767 71.123277 1

78

Carupa

Fuquene -35.0870

-37.8767

64.912985

62.123277

1

1

Macheta -27.9513 72.048664 1

Tibirita -32.5513 67.448664 1

Manta -32.7513 67.248664 1

Ubalá -40.7670 59.232932 1

Gachalá -43.5670 56.432932 1

Gachetá -39.3741 60.625893 1

Junín -41.2941 58.705893 1

Gama -42.3741 57.625893 1

Tabla 20. Resultados simulación red sin amplificadores ni DCM.

De los 25 municipios solo se recibió la señal en cinco de ellos, pero solo uno con el BER requerido

para garantizar que la información recibida sea la correcta. Esto se debe tanto a que para la mayoría

de municipios la señal recibida tiene muy baja potencia y que no se hizo la compensación de la

dispersión

5.2. Red con amplificadores EDFA y DCM:

A continuación se tiene la tabla con los resultados de la simulación de la red, detallando los

parámetros de cada municipio.

MUNICIPIO Dispersión

compensada

(ps/km)

Número de

amplificadores

Potencia

recibida

(dBm)

OSNR

(dB)

BER

Zipaquirá 0 1 -1.2987 53.404991 5.73164e-40

Nemocón 0 1 -14.9157 53.984008 3.24908e-15

Tausa 1591.25 2 -15.6907 40.552323 3.10498e-43

Sutatausa 1591.25 2 -17.2398 39.990224 1.46782e-41

79

Villapinzón 2211 2 5.1527 32.75773 3.28258e-53

Guacheta 3115.5 2 -8.6706 32.744629 5.68681e-45

Lenguezaque 3350 2 -10.6707 32.744519 2.48133e-29

Gachancipa 1842.5 2 6.7838 36.102428 2.76403e-27

Sesquile 2093.75 2 0.7661 36.095053 9.44342e-25

Guatavita 2378.5 2 -2.6372 36.091716 3.42272e-25

Simijaca 2596.25 2 -3.3142 27.122214 1.86645e-31

Susa 2747 2 -5.1127 27.121933 1.90459e-28

San Miguel de Sema 3031.75 2 -8.5130 27.121589 6.3364e-29

Suesca 1371.67 2 -0.2028 46.702315 1.49651e-15

Cucunubá 1844.56 2 -8.4174 46.697978 2.3859e-14

Carmen de Carupa 1962.5 2 -7.2141 46.691054 9.08244e-17

Fuquene 2264.86

2739.17

2

2

-13.4171

-16.2136

46.698279

46.691503

1.47935e-15

7.06404e-16

Macheta 1959.75 2 -2.8769 36.954157 1.67455e-218

Tibirita 2512.5 2 -7.4774 36.951109 6.88368e-96

Manta 2529.25 2 -7.6774 36.951085 3.48968e-94

Ubalá 3350 2 -14.3501 39.256731 4.76176e-15

Gachalá 3584.5 2 -17.1501 39.256728 1.87903e-19

Gachetá 3082 2 -12.8006 40.371609 1.97108e-14

Junín 3242.8 2 -14.7206 40.371594 5.80889e-21

Gama 3333.25 2 -15.8007 40.371593 4.38761e-17

Tabla 21. Resultados simulación red con DCM y EDFAs.

80

En la siguiente tabla se encuentra las características de los amplificadores usados en la red:

TRAYECTO LONGITUD

EDFA (m)

POTENCIA DE

BOMBEO (dBm)

LONGITUD DE ONDA

DE BOMBEO (nm)

Booster 15 20 1480

Torca-Tausa y Sutatausa 1 20 1480

Torca-Villapinzón 5 20 1480

Torca-Gachancipa 5 20 1480

Torca-Simijaca 5 20 1480

Torca-Suesca y Carmen

de Carupa

3 20 1480

Torca-Macheta, Ubalá,

Gacheta

4 20 1480

Tabla 22. Características EDFAs usados en la red.

A continuación, mostraremos el espectro y el diagrama de ojo obtenidos en la simulación de la red

para el municipio más cercano que en este caso es Zipaquirá, para el municipio de Gachalá el cual

es el más alejado del transmisor y el para el municipio de Cucunubá, el cual es el municipio en el

cual se obtuvo el mayor BER de la red.

Figura 86.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el municipio de Zipaquirá.

81

Figura 87.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el municipio de Gachalá.

Figura 88.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el municipio de Cucunubá.

Es importante mencionar en este punto que usando los amplificadores EDFA y compensando la

dispersión con DCM se recibió la señal en todos los municipios cumpliendo con los requerimientos

del BER, para toda la red solo hubo necesidad de usar 7 EDFA y ninguno con el desempeño ideal,

ya que aún sin obtener la máxima ganancia, se obtuvo un buen rendimiento en toda la red.

82

Tampoco se usaron los EDFA con la ganancia máxima ya que si se hacía de esa manera se

saturaban muchos de los receptores sobre todos los más cercanos a los amplificadores, evitando que

se pudiera regenerar la información.

5.3. Red con amplificadores RAMAN y DCM

MUNICIPIO Dispersión

compensada

(ps/km)

# de

amplificad

ores

Potencia

recibida

(dBm)

OSNR

(dB)

BER

Zipaquirá 0 1 1.0633 59.060233 1.5516e-30

Nemocón 0 1 -13.9280 58.827477 2.02153e-18

Tausa 1591.25 2 -14.7740 38.381769 4.9453e-57

Sutatausa 1725.25 2 -16.3353 37.807451 1.76198e-77

Villapinzón 2211 2 -13.8363 28.526318 1.51705e-56

Guacheta 3115.5 3 -16.1674 24.198176 1.53615e-35

Lenguezaque 3350 3 -18.9673 24.198197 7.21053e-19

Gachancipa 1842.5 2 -8.1636 29.557254 6.35175e-94

Sesquile 2093.75 2 -14.1741 29.557155 8.86183e-64

Guatavita 2378.5 2 -17.5741 29.557159 9.82506e-28

Simijaca 2596.25 2 -9.7525 20.437767 2.97131e-45

Susa 2747 2 -11.5525 20.437794 5.27246e-30

San Miguel de Sema 3031.75 2 -14.9524 20.437837 1.34962e-23

Suesca 1507.5 2 -8.6148 39.650126 1.03647e-85

Cucunubá 1943 2 -16.8254 39.649837 1.14424e-27

Carmen de Carupa 2093.75 2 -15.6154 39.649512 6.95717e-41

Fuquene 2428.75

2847.5

3

3

-15.7077

-18.4977

29.562298

26.978765

1.61174e-29

1.83892e-29

Macheta 1959.75 2 -0.4413 33.560295 3.25462e-317

83

Tibirita 2512.5 2 -5.0422 33.559316 4.95757e-155

Manta 2529.25 2 -5.2423 33.559296 1.42827e-173

Ubalá 3350 2 -12.4955 33.46062 1.72232e-26

Gachalá 3584.5 2 -15.2954 33.460725 5.34614e-48

Gachetá 3082 2 -10.5642 33.501809 3.20251e-59

Junín 3242.8 2 -12.4842 33.501827 5.20476e-68

Gama 3333.25 2 -13.5642 33.501848 1.11253e-70

Tabla 23. Resultados simulación red con DCM y RAMAN.

En la siguiente tabla se encuentra las características de los amplificadores usados en la red:

TRAYECTO LONGITUD

RAMAN (km)

POTENCIA DE

BOMBEO (dBm)

LONGITUD DE ONDA

DE BOMBEO (nm)

Booster 5 20 1405-1487.5

Torca-Tausa y Sutatausa 5 20 1405-1487.5

Torca-Villapinzón 10 20 1405-1487.5

Torca-Guacheta 10 20 1405-1487.5

Torca-Gachancipa 15 20 1405-1487.5

Torca-Simijaca 20 20 1405-1487.5

Torca-Suesca y Carmen

de Carupa

10 20 1405-1487.5

Cucunubá-Fuquene 5 20 1405-1487.5

Carmen de Carupa-

Fuquene

5 20 1405-1487.5

Torca-Macheta, Ubalá,

Gacheta

15 22 1405-1487.5

Tabla 24. Características RAMAN usados en la red.

84

De igual forma que se hizo para la simulación con los amplificadores EDFA se mostrarán algunos

resultados obtenidos para el municipio más cercano el cual sigue siendo Zipaquirá, ya que el único

cambio que sufre la red es de los amplificadores, para el municipio más lejano que es Gachalá y

para Nemocón, el municipio en el cual se obtuvo mayor BER.

Figura 89.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el municipio de Zipaquirá.

Figura 90.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el municipio de Gachalá.

85

Figura 91.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el municipio de Nemocón.

Para la red con amplificadores RAMAN y compensando dispersión con los DCM se recibió la señal

en todos los municipios cumpliendo con los requerimientos del BER, para toda la red se usaron 10

RAMAN, pero ninguno con la ganancia máxima ya que al igual que con los EDFA se saturarían

muchos de los receptores. Así mismo los RAMAN para lograr producir una buena potencia a lo

largo de la red requieren de una fibra del orden de kilómetros lo cual también produce una cantidad

considerable de dispersión cromática que al final degrada la calidad de la señal recibida.

5.4. Red con amplificadores SOA y DCM

A continuación se tiene la tabla con los resultados de la simulación de la red, detallando los

parámetros de cada municipio para una tasa de transmisión de 10 GBPS:

MUNICIPIO Distancia

desde Bogotá

(km)

Número de

amplificad

ores

Potencia

recibida

(dBm)

OSNR

(dB)

BER

Zipaquirá 54.74 0 -19.1456 78.93485 3.54504e-64

Nemocón 75 0 -22.26537 80.51956 2.79856e-012

Tausa 95 1 3.13595 44.617922 0.000148832

Sutatausa 103 1 1.70708 48.437737 1

86

Villapinzón 132 1 -11.768091 102.57598 0.000176812

Guacheta 186 2 -2.70942 15.260741 0.000303219

Lenguezaque 200 2 -5.936288 15.268475 0.000248838

Gachancipa 110 1 3.34091 55.726891 3.72515e-006

Sesquile 125 1 -3.31614 50.722555 6.51358e-008

Guatavita 142 1 -6.45744 57.684402 2.3193e-007

Simijaca 155 1 0.2035 59.563728 1

Susa 164 1 -2.4547 59.220876 1

San Miguel de Sema 181 1 -8.02873 58.604927 1

Suesca 90 1 6.46866 58.099702 1

Cucunubá 116 1 -3.5656 46.754042 0.000346176

Carmen de Carupa 125 1 3.54834 49.857818 8.52195e-007

Fuquene 145 2 2.80657 24.5696 1

Fuquene 170 2 1.79403 26.356839 1

Macheta 117 2 -10.6223 104.34651 1

Tibirita 150 2 -14.9705 87.579478 1

Manta 151 2 -15.1604 88.151385 1

Ubalá 200 3 -1.49206 26.010765 1

Gachalá 214 3 -4.00525 26.717445 1

Gachetá 184 3 0.4339 26.717445 0.00217389

Junín 193.6 3 1.7709 28.471514 2.09716e-006

Gama 199 3 2.01181 29.355656 4.07037e-006

Tabla 25. Resultados simulación red con DCM y SOAs a 10 Gbps.

87

Como se puede evidenciar en la tabla 25, llegó señal a 14 municipios diferentes, sin embargo a sólo

dos de ellos se llegó con una señal con los suficientes estándares para garantizar un buen servicio.

Debido a que en los datos obtenidos las señales recibidas tienen una potencia suficiente y a que ya

se realizó la respectiva compensación por dispersión cromática se decide disminuir la tasa de

transmisión del sistema a 1 GBPS, en la siguiente tabla se muestra los resultados obtenidos para

toda la red:

MUNICIPIO Distancia

desde Bogotá

(km)

Número de

amplificad

ores

Potencia

recibida

(dBm)

OSNR

(dB)

BER

Zipaquirá 54.74 0 -10.4753 95.8821 0

Nemocón 75 0 -19.17481 80.82519 2.29347e-164

Tausa 95 1 12.001273 59.302264 6.79784e-050

Sutatausa 103 1 10.420007 68.61289 9.27239e-053

Villapinzón 132 1 -12.3908 104.2897 5.32638e-015

Guacheta 186 2 -8.3946 20.560503 1

Lenguezaque 200 2 -13.4144 20.84171 1

Gachancipa 110 1 2.577 66.448903 3.32135e-094

Sesquile 125 1 -0.036 65.473038 1.33047e-120

Guatavita 142 1 -2.65825 66.173743 8.84796e-144

Simijaca 155 1 1.28215 68.71286 8.86339e-119

Susa 164 1 -1.378203 68.691712 2.92531e-093

San Miguel de Sema 181 1 -546745 68.641762 2.0747e-112

Suesca 90 1 6.62667 66.035281 2.85877e-036

Cucunubá 116 1 1.25205 56.106375 5.30409e-038

Carmen de Carupa 125 1 1.90624 67.074071 1.64699e-160

Fuquene 145 2 -5.4675 68.641762 2.0747e-112

Fuquene 170 2 14.1771 31.039539 0.0058929

88

Macheta 117 2 -3.7090 108.23655 0.0085313

Tibirita 150 2 -8.0896 92.058555 0.00918422

Manta 151 2 -8.2858 93.081341 0.0092181

Ubalá 200 3 -6.71896 28.775931 0.00544601

Gachalá 214 3 -11.6991 26.447568 0.00412399

Gachetá 184 3 2.0004 29.684194 1

Junín 193.6 3 2.3182 31.714693 0.00324476

Gama 199 3 2.27492 32.589817 0.00368045

Tabla 26. Resultados simulación red con DCM y SOAs a 1 Gbps.

Como se puede observar en la tabla 26 al disminuir la tasa de transmisión, las señales recibidas

tienen un BER significativamente menor, puesto que ahora llega señal a 23 municipios y a 15 de

ellos se llega con la calidad previamente establecida. Para corroborar este resultado se escoge al

azar uno de los municipios en los cuales se evidencia un cambio drástico del BER en la señal

recibida al cambiar la tasa de transmisión y se observa el diagrama de ojo para cada una de las tasas

de transmisión, para este caso se escogió el municipio de Gachancipa, a continuación, se muestran

dichas imágenes:

Figura 92.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el municipio de Gachancipa a 10 GBPS.

89

Figura 93.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el municipio de Gachancipa a 1 GBPS.

Como se puede observar en las figuras 89 y 90 el diagrama de ojo de la señal recibida es

fuertemente afectado por la tasa de transmisión de la señal, puesto que en las imágenes obtenidas de

las simulaciones el único cambio que se realizó fue el de la tasa de transmisión.

90

6. ANÁLISIS

Contrastando los resultados de la simulación de la red usando cada uno de los amplificadores se

obtuvo que la red con los amplificadores EDFA utilizó el menor número de amplificadores tanto de

manera general como en cascada. Igualmente también se puede evidenciar que el EDFA como

amplificador tipo Booster proporcionó una mayor ganancia que el RAMAN en la misma

configuración de amplificación, esto se puede evidenciar en la potencia recibida en los municipios

de Zipaquirá y Nemocón.

Al observar en los diferentes municipios la tasa de error de bits (BER) recibida, el cual se

encuentra en las tablas 21, 23, 25 y 26, se puede evidenciar que los resultados obtenidos en cuanto a

este parámetro son mejores cuando se usa los amplificadores tipo RAMAN que los amplificadores

EDFA, el menor valor de BER recibido para la red con amplificadores EDFA fue de

1.97108 x 10−14 y para el caso del RAMAN fue2.02e x 10−18 . Sin embargo, es importante

mencionar que aunque el amplificador RAMAN tiene mejores resultados en cuanto al BER, el

amplificador EDFA tiene mejores resultados cuando se observa el OSNR en las diferentes tablas

obtenidas, una muestra de esto es el valor mínimo obtenido con el RAMAN, el cual fue de 20.44

dB, mientras que con el EDFA el valor mínimo obtenido fue de 27.12 dB.

Otro aspecto importante que se evidencia y que es importante mencionar, es que entre más potencia

tuviera la señal en la fibra óptica, más evidente resulta el efecto de las no linealidades de está, como

la distorsión de la constelación, la reducción de la eficiencia en potencia y el ensanchamiento del

espectro, teniendo como resultado un aumento en la tasa de error de bits. Es muy importante

resaltar que usando los amplificadores tipo SOA los efectos de la no linealidades se incrementan, ya

que no solo se tienen las no linealidades presentes en la fibra óptica, sino que también se tienen las

de los elementos semiconductores que componen al SOA.

También se observó que al incrementarse la distancia del destino de la señal se aumenta la

dispersión que se acumula en la fibra y de igual forma se aumenta el timing jitter (fluctuación del

tiempo) pero este último efecto se mitiga al usar el regenerador 3R ya que re evalúa la señal

recibida en diferentes periodos de tiempo para saber en cual se obtiene la mejor señal.

En el caso del SOA se encontró que la tasa de bits de la señal a amplificar afecta el funcionamiento

del mismo, ya que al aumentarse la tasa de bits se incrementa la dispersión y el timing jitter, lo cual

no le viene bien al funcionamiento del amplificador. De manera general el amplificador SOA

deforma los bits, generando así que el BER aumente con el ancho de banda o la tasa de bits.

Al momento de implementar cualquier proyecto ingenieril, uno de los principales aspectos a tener

en cuenta es la cuestión económica, porque en función de los recursos disponibles se pueden tomar

decisiones acerca de los dispositivos a utilizar en dicho proyecto, es verdad que nosotros no

tenemos los recursos económicos suficientes para implementar este proyecto, sin embargo sin duda

91

alguna sí tenemos todos los conocimientos necesarios para realizarlos, por ende a continuación, se

muestra los resultados de un pequeño análisis de económico, el cual será base de futuras

afirmaciones.

Usando como referencia las páginas thorlabs y optilab se encontraron los siguientes precios:

AMPLIFICADOR RANGO DE

OPERACIÓN (nm)

FIGURA DE

RUIDO (dB)

GANANCIA

(dB)

PRECIO (USD)

EDFA 1530-1560 <5 20-37 4100

RAMAN 1528-1565 -1.3 11-13 6900

SOA 1528-1562 8 13-17 1790

Tabla 27. Comparativa comercial de EDFA, RAMAN, SOA.

Al observar la tabla 27 se evidencia que aunque el SOA tiene el menor precio, su uso en sistemas

multicanal es nulo debido a las restricciones y problemas mencionados anteriormente. El RAMAN

es el más caro pero fue el que obtuvo mejores BER y por lo tanto logró amplificar de una manera

más adecuada las señales, pero el EDFA aunque no logró los valores de BER del RAMAN si

satisface el valor requerido e incluso con un mayor OSNR, así que para este sistema con relación a

los costos resulta más competitivo el EDFA.

92

7. CONCLUSIONES

● Las redes LR-PON son un tipo de red que permite brindarle un servicio de calidad a una

gran cantidad de usuarios, por ejemplo para la red diseñada en este trabajo, es posible

brindarle un buen servicio a 25 municipios del departamento de Cundinamarca, Colombia.

Lo que equivale a brindarle servicio a alrededor de 352.468 personas. Teniendo la ventaja

de que los usuarios pueden estar a gran distancia de la central de operación, para el caso de

este trabajo la distancia máxima entre un usuario y la central es de 200 km, donde los

resultados obtenidos indican que perfectamente se le puede brindar un servicio y que

podrían incluso brindar un servicio a distancias mayores.

● Mediante las diferentes simulaciones y caracterizaciones que se realizaron se halló que si

solo se tienen en cuenta los efectos de atenuación y dispersión naturales de la fibra, con una

potencia de transmisión de −18 𝑑𝐵𝑚, la distancia mínima donde se debe colocar un

amplificador es de 83.5 km, puesto que si se ubica un receptor a mayor distancia, el BER

que el receptor detectará será mayor al límite establecido, por lo cual se hace necesario

utilizar un amplificador, generando así que el BER disminuya y se cumplan los parámetros

previamente establecidos. La distancia es mínima debido a que si el receptor se encuentra a

una distancia menor, no es necesario amplificar puesto que el BER es suficiente a los

valores establecidos que en un principio se establecieron (10−12) y si se amplificara a una

distancia menor, se entraría a tener costos que no son necesarios o se podrían generar

saturaciones en los receptores lo cual podría aumentar el valor del BER.

● Ya que cada tipo de amplificador está construido por diferentes materiales, cada uno tiene

una ganancia máxima que dependerá de dichos materiales y de su fabricación, por lo que en

función de esta ganancia máxima se puede establecer la distancia máxima en la que se

puede ubicar cada tipo de amplificador, en el caso del EDFA es de alrededor de 175 km

puesto que en la recopilación que se realizó sobre los amplificadores ópticos, se encontró

que este tiene una ganancia máxima de 40 𝑑𝐵, para el RAMAN se tiene una distancia

máxima de 150 km, puesto que para este se encontró una ganancia máxima de 25 𝑑𝐵 y para

el SOA se tiene una distancia de 170 km, ya que la ganancia máxima encontrada fue de

34 𝑑𝐵.

● Entre más potencia tenga la señal son más evidentes los efectos de las no linealidades, por

lo tanto, si se utiliza los amplificadores a su máximo desempeño, no se obtendría una

mejora significativa en la calidad de la señal recibida, sino que por el contrario se

desmejoraría.

● El amplificador EDFA es el mejor dispositivo de amplificación para la red LR-PON

diseñada, no solo porque cumple los parámetros técnicos de calidad establecidos (BER),

sino porque de los diferentes amplificadores que también cumplen estos parámetros, el

EDFA es el amplificador más económico de todos (en promedio 2800 USD con relación al

RAMAN), además el amplificador tiene la ventaja de que es, dentro de los diferentes

amplificadores estudiados en este trabajo el que mejores valores de OSNR tiene.

93

● El amplificador RAMAN funciona perfectamente para la red diseñada, puesto que cumple

con los parámetros técnicos de calidad establecidos (BER), sin embargo su costo es más

elevado que el del EDFA, por tal razón no es la principal elección a usar, sin embargo es

importante recalcar que en sistemas donde el BER requerido sea menor el amplificador

RAMAN puede ser más útil.

● El amplificador SOA aunque brinda una ganancia suficiente para que las señales lleguen

con suficiente potencia al receptor, cualidad principal que debe tener un amplificador, no es

una opción fiable para una red LR-PON debido a que este dispositivo funciona a partir de

un semiconductor el cual posee no linealidades que provoca una deformación de los bits en

función de la tasa de transmisión de la señal a amplificar.

● No es conveniente el uso del SOA en sistemas multicanal ya que puede deformar los bits y

por lo tanto generar un aumento bastante significativo en el BER, además de que como se

demostró en las simulaciones de la red, es fuertemente influenciado o afectado por la tasa de

transmisión, ya que al aumentarse esta, ocurre una mayor degeneración de la señal por las

propias linealidades del semiconductor del SOA.

● Debido a que la topología de la red diseñada está basada en una topología en árbol, lo cual

implica que a medida que se va alejando de la central de operación, la red se va dividiendo

en diferentes ramas, es pertinente y conveniente utilizar amplificadores tipo Booster, por lo

cual al analizar los resultados se evidenció que el amplificador EDFA se comporta mejor

como amplificador Booster que el amplificador RAMAN, ya que observando tanto los datos

recopilados, como las caracterizaciones realizadas para cada uno de los amplificadores se

pudo evidenciar que el amplificador EDFA tiene más ganancia que el amplificador

Raman(40 dB del EDFA contra 20 dB del RAMAN).

94

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CARACTERIZACIÓN DE REDES LR-PON CON DIFERENTES ...

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