Rede de dados ópticos

O IP sobre WDM, conforme definido hoje, impõe uma visão restritiva dos recursos que as redes de dados e redes ópticas podem fornecer. As restrições, introduzidas por uma única pilha de protocolo e não pelo uso completo dos recursos de rede na camada óptica, são muito restritivas para alguns aplicativos de rede.

As tendências de rede mencionadas acima requerem uma plataforma de rede óptica que pode suportar uma variedade de pilhas de protocolo, arquiteturas de rede e opções de proteção e restauração de uma forma independente do sinal do cliente. A opção de POS sobre WDM ponto a ponto é melhor para alguns dos aplicativos de rede em redes de dados de alta velocidade, mas certamente não para todos. Além disso, a plataforma óptica selecionada para implementar e implantar essas redes de dados futuras deve garantir que novos mapeamentos de pilha de protocolo inesperados possam ser facilmente acomodados e possam receber os mesmos recursos de rede da rede de camada óptica sem a necessidade de uma conversão de protocolo intermediária.

A rede ótica de dados é uma abordagem alternativa que não tenta reduzir a heterogeneidade das pilhas de protocolos e arquiteturas de rede, mas sim explora a heterogeneidade para fornecer soluções de rede personalizadas para cada aplicativo específico e segmento de provedor de rede. A rede óptica de dados combina recursos de rede nas camadas de serviço e transporte.

Componente principal da rede de dados ópticos

A diversidade de pilhas de protocolo, refletida na multiplicidade de tipos de sinais de cliente a serem suportados no OTN, é acomodada pelo uso de wrappers digitais. O uso de recursos de rede ótica verdadeiros oferece flexibilidade e robustez adicionais por meio de roteamento OCh, monitoramento de falha e desempenho, proteção e restauração, todos realizados de maneira seletiva por OCh. Todos esses elementos combinados resultam em uma solução de rede poderosa e flexível, preparada para o futuro e aberta a qualquer visão particular dos provedores de serviços de dados.

Esta tecnologia é econômica e mais flexível para a atualização da capacidade do canal, adição / remoção de canais, reencaminhamento e distribuição de tráfego, suportando todos os tipos de topologia de rede e sistemas de proteção e sincronização. A seguir estão os principais componentes -

  • TP (Transponder)
  • VOA (atenuador óptico variável)
  • MUX (Multiplexer)
  • DEMUX (De-multiplexer)
  • BA (amplificador de reforço)
  • Linha (mídia OFC)
  • LA (amplificador de linha)
  • PA (pré-amplificador)
  • OSC (Canal de Supervisão Ótica)

Transponder

Esta unidade é uma interface entre o sinal óptico de pulso largo STM-n e os equipamentos MUX / DEMUX. Este sinal óptico pode ser co-localizado ou proveniente de diferentes meios físicos, diferentes protocolos e tipos de tráfego. Ele converte o sinal de pulso largo em um comprimento de onda estreito (ponto ou freqüência colorida) da ordem do nanômetro (nm) com espaçamento de 1,6 nm; enviando para MUX.

Na direção reversa, a saída colorida do DEMUX é convertida em um sinal óptico de pulso amplo. O nível de potência de saída é de +1 a –3 dBm em ambas as direções. A conversão é ótica para elétrica e elétrica para ótica (O para E e E para O) no método 2R ou 3R.

Em 2R, regeneração e remodelagem são feitas, enquanto em 3R, regeneração, remodelagem e redefinição de tempo são realizadas. TP pode ser a cor do comprimento de onda e a taxa de bits dependente ou ajustável para ambos (caro e não usado). No entanto, em 2R, qualquer taxa de bits, PDH, STM-4 ou STM-16 pode ser a taxa de canal. A unidade tem uma limitação com a sensibilidade do receptor e ponto de sobrecarga.

Embora o estágio elétrico intermediário seja inacessível, bytes de overhead de STN-n são utilizados para fins de supervisão. Esta unidade também oferece suporte à operação de segurança óptica (ALS) sobre a recomendação G.957 do ITU-T.

Atenuador óptico variável (VOA)

Esta é uma rede passiva como a pré-ênfase necessária para ajustar a distribuição uniforme do nível do sinal na banda EDFA, de modo que a potência de saída óptica do canal individual da unidade Mux permaneça a mesma, independentemente do número de canais carregados no sistema.

O atenuador óptico é semelhante a um potenciômetro ou circuito simples usado para reduzir o nível do sinal. O atenuador é usado sempre que o teste de desempenho deve ser executado, por exemplo, para ver como o erro de bit é afetado pela variação do nível do sinal no link. Uma maneira é ter uma configuração mecânica precisa na qual o sinal óptico passa por uma placa de vidro com diferentes níveis de escuridão e depois volta para a fibra óptica, como mostrado na figura.

A placa de vidro tem densidade de cinza variando de 0% em uma extremidade a 100% na outra extremidade. Conforme a placa é movida através da lacuna, mais ou menos energia da luz é permitida para passar. Este tipo de atenuador é muito preciso e pode lidar com qualquer comprimento de onda de luz (já que a placa atenua qualquer energia de luz na mesma quantidade, independentemente do comprimento de onda), mas é mecanicamente caro.

Multiplexador (MUX) e Demultiplexador (De-MUX)

Como os sistemas DWDM enviam sinais de várias estações por uma única fibra, eles devem incluir alguns meios para combinar os sinais de entrada. Isso é feito com a ajuda de um multiplexador, que pega comprimentos de onda óticos de várias fibras e os converge em um feixe. Na extremidade receptora, o sistema deve ser capaz de separar os comprimentos de onda transmitidos do feixe de luz para que possam ser detectados discretamente.

Os desmultiplexadores executam essa função separando o feixe recebido em seus componentes de comprimento de onda e acoplando-os em fibras individuais.

Multiplexadores e demultiplexadores podem ser passivos ou ativos em design. O design passivo usa prisma, grades de difração ou filtros, enquanto o design ativo combina dispositivos passivos com filtros ajustáveis.

Os principais desafios nesses dispositivos são minimizar a diafonia e maximizar a separação de canais (a diferença de comprimento de onda entre dois canais adjacentes). A linha cruzada é uma medida de quão bem os canais estão separados, enquanto a separação de canais se refere à capacidade de distinguir cada comprimento de onda.

Tipos de Multiplexador / Demultiplexador

Tipo de prisma

Uma forma simples de multiplexação ou demultiplexação de comprimentos de onda pode ser feita usando um prisma.

Um feixe paralelo de luz policromática incide na superfície do prisma e cada comprimento de onda componente é refratado de forma diferente. Isto é orainbow effect. Na luz de saída, cada comprimento de onda é separado do próximo por um ângulo. Uma lente então focaliza cada comprimento de onda até o ponto em que precisa entrar na fibra. Os componentes podem ser usados ​​ao contrário para multiplexar diferentes comprimentos de onda em uma fibra.

Tipo de grade de difração

Outra tecnologia é baseada no princípio da difração e da interferência óptica. Quando uma fonte de luz policromática colide com a rede de difração, cada comprimento de onda é difratado em um ângulo diferente e, portanto, em um ponto diferente no espaço. Usando uma lente, esses comprimentos de onda podem ser focalizados em fibras individuais, conforme mostrado na figura a seguir.Bragg grating, é um componente passivo simples, que pode ser usado como espelhos seletivos de comprimento de onda e é amplamente usado para adicionar e descartar canais em sistemas DWDM.

As grades de Braggs são feitas usando um feixe de laser ultravioleta para iluminar o núcleo de uma fibra monomodo através de uma máscara de fase. A fibra é dopada com fósforo, germânio ou boro para torná-la fotossensível. Depois que a luz passa pela máscara, um padrão de franja é produzido, que é “impresso” na fibra. Isso cria uma modulação periódica permanente do índice de refração do núcleo de fibra de vidro. A grade acabada reflete a luz no comprimento de onda de Bragg (igual a duas vezes o espaçamento óptico entre as regiões de alto e baixo índice) e transmite todos os outros comprimentos de onda.

Grade de Bragg ajustável

Uma grade de fibra de Bragg pode ser colada a um elemento piezoelétrico. Ao aplicar uma voltagem ao elemento, o elemento estica de modo que a grade é esticada e o comprimento de onda de Bragg muda para um comprimento de onda mais longo. Os dispositivos atuais podem fornecer uma faixa de sintonia de 2 nm para uma entrada de 150v.

Arrayed Waveguide Grating

Arrayed Waveguide Gratings (AWG) também são baseadas em princípios de difração. Um dispositivo AWG, às vezes chamado de roteador de guia de onda óptico ou roteador de grade de guia de onda, consiste em uma matriz de guia de onda de canal curvo com uma diferença fixa no comprimento do caminho entre os canais adjacentes. Os guias de ondas são conectados a cavidades na entrada e na saída.

Multiplexador óptico

Quando a luz entra na cavidade de entrada, ela é difratada e entra na matriz do guia de onda. Assim, a diferença de comprimento óptico de cada guia de onda introduz atrasos de fase na cavidade de saída, onde uma matriz de fibras é acoplada. O processo resulta em diferentes comprimentos de onda com interferência máxima em diferentes locais, que correspondem às portas de saída.

Filtros de interferência multicamadas

Uma tecnologia diferente usa filtros de interferência em dispositivos chamados filtros de película fina ou filtros de interferência multicamadas. Ao posicionar os filtros, que consistem em filmes finos no caminho óptico, o comprimento de onda pode ser demultiplexado. A propriedade de cada filtro é que ele transmite um comprimento de onda, enquanto reflete outros. Ao colocar esses dispositivos em cascata, muitos comprimentos de onda podem ser demultiplexados.

Os filtros oferecem boa estabilidade e isolamento entre canais a um custo moderado, mas com uma alta perda de inserção (os AWGs exibem uma resposta espectral plana e baixa perda de inserção). A principal desvantagem do filtro é que eles são sensíveis à temperatura e podem não ser usados ​​praticamente em todos os ambientes. No entanto, sua grande vantagem é que eles podem ser projetados para executar operações de multiplexação e demultiplexação simultaneamente.

Tipo de acoplamento do OM

O acoplamento OM é uma superfície interativa com duas ou mais fibras soldadas entre si. Geralmente, ele é usado para o OM e seus princípios de funcionamento são ilustrados na figura a seguir.

O acoplamento OM só pode realizar a função de multiplexação com baixo custo de fabricação. Sua deficiência é a alta perda de inserção. Atualmente, o OM utilizado nos equipamentos DWDM da ZTWE emprega o acoplamento OM. O OD adota os componentes AWG.

Amplificadores de reforço (amplificadores ópticos)

Devido à atenuação, há limites para quanto tempo um segmento de fibra pode propagar um sinal com integridade, antes que ele precise ser regenerado. Antes da chegada dos amplificadores ópticos (OAs), deveria haver um repetidor para cada sinal transmitido. O OA tornou possível amplificar todos os comprimentos de onda de uma vez e sem conversão Ótico-Elétrico-Ótico (OEO). Além de serem usados ​​em links óticos (como repetidores), os amplificadores óticos também podem ser usados ​​para aumentar a potência do sinal após a multiplexação ou antes da demultiplexação.

Tipos de amplificadores ópticos

Em todas as rotas ópticas, os amplificadores ópticos foram usados ​​como repetidores em modo simplex. Uma fibra foi usada no caminho de envio e a segunda fibra foi usada no caminho de retorno. Os mais recentes amplificadores ópticos irão operar em duas direções ao mesmo tempo. Podemos até usar o mesmo comprimento de onda em duas direções, desde que sejam empregadas duas taxas de bits diferentes. Uma única fibra pode, portanto, ser usada para operação duplex.

Os amplificadores ópticos também devem ter largura de banda suficiente para passar uma faixa de sinais operando em diferentes comprimentos de onda. Por exemplo, um SLA com largura de banda espectral de, digamos, 40 nm, pode lidar com cerca de dez sinais ópticos.

No sistema de 565 mb / s, para link óptico de 500 kms, são necessários cinco amplificadores ópticos SLA, espaçados em um intervalo de 83 kms. Cada amplificador fornece um ganho de cerca de 12 dB, mas também introduz ruído ao sistema (BER de 10-9.)

Os amplificadores SLA têm as seguintes desvantagens -

  • Sensível a mudanças de temperatura
  • Sensível a mudanças de tensão de alimentação
  • Sensível a vibrações mecânicas
  • Unreliable
  • Propenso a crosstalk

Amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA)

Em sistemas DWDM, EDFAs são usados. Erbium é um elemento de terra rara que, quando excitado, emite luz em torno de 1,54 micrômetros, que é o comprimento de onda de baixa perda para fibras ópticas usadas em DWDM. Um sinal fraco entra na fibra dopada com érbio, na qual a luz em 980 nm ou 1480 nm é injetada usando uma bomba de laser.

Esta luz injetada estimula os átomos de érbio a liberar sua energia armazenada como luz adicional de 1550 nm. O sinal fica mais forte. As emissões espontâneas nos EDFAs também adicionam a figura de ruído de um EDFA. Os EDFAs têm uma largura de banda típica de 100 nm e são necessários em um intervalo de 80-120 kms ao longo da rota óptica.

EDFA também sofre de um efeito chamado four-wave-mixingdevido à interação não linear entre os canais adjacentes. Conseqüentemente, aumentar a potência do amplificador para aumentar a distância entre os repetidores leva a mais diafonia.

Amplificador Raman

O uso de amplificadores SLA e EDFA em WDM é limitado conforme já descrito e, os modernos sistemas WDM estão se voltando para a Amplificação Raman, que possui uma largura de banda de cerca de 300 nm. Aqui, o laser da bomba está na extremidade receptora da fibra. A diafonia e o ruído são bastante reduzidos. No entanto, a amplificação Raman requer o uso de um laser de alta bomba.

A dispersão na fibra realmente ajuda a minimizar o efeito de “mistura de quatro ondas”. Infelizmente, os primeiros links ópticos freqüentemente usavam fibra de dispersão zero em um esforço para minimizar a dispersão em longas distâncias, quando essas mesmas fibras são atualizadas para transportar sinais WDM; eles não são o meio ideal para sinais ópticos de banda larga.

Fibras de modo mono especiais estão sendo desenvolvidas para uso em WDM. Estes têm segmentos alternados de fibras de dispersão positiva e negativa, portanto, a dispersão total soma zero. Os segmentos individuais, entretanto, fornecem dispersão para evitar a mistura de quatro ondas.

Amplificadores de linha

É um amplificador EDFA de dois estágios que consiste em um Pré-amplificador (PA) e um Amplificador Booster (BA). Sem os dois estágios, não é possível amplificar o sinal até 33 dB pelo princípio do EDFA (para evitar o ruído gerado pela emissão espontânea). O amplificador de linha (LA) compensa a perda de linha de 22 dB ou 33 dB para sistemas de longa e muito longa distância, respectivamente. É inteiramente um dispositivo de palco óptico.

Line (OFC) Media

Este é o meio de fibra óptica sobre o qual os sinais DWDM viajam. Atenuação e dispersão são os principais fatores de limitação que determinam a distância de transmissão, capacidade de taxa de bits, etc. Normalmente, 22dB e 33dB são considerados como perda de linha para comprimento de salto de sistemas de longa distância e muito longa distância, respectivamente.

O comprimento de onda da linha de longo curso pode ser de 120 km sem repetidor (LA). No entanto, com um número de repetidores em cascata, o comprimento pode ser de até 600 kms, que pode ainda ser aumentado até 1200 kms usando o módulo de compensação de dispersão. Após tal distância, ele precisa ser regenerado no estágio elétrico ao invés do repetidor somente no estágio ótico.

Pré-amplificador (PA)

Este amplificador sozinho é usado no terminal para fazer a interface do DEMUX e da linha para receber o sinal vindo da estação distante. Portanto, o sinal de linha atenuado é amplificado para um nível de +3 dBm a 10 dBm antes de entrar na unidade DEMUX.

Canal de supervisão óptica

A função de transmissão de dados adicionais (2 mbps: EOW, dados específicos do usuário etc. via interface) em um comprimento de onda separado (1480 nm de acordo com a recomendação G-692 da ITU-T) de nível óptico inferior sem qualquer dispositivo de segurança óptica, acompanhado de e independente do sinal de tráfego ótico STM-n principal, é executado pelo OSC. EOW (0,3 a 3,4 KHz) para canal seletivo e omnibus é de 64 kbps no código PCM de 8 bits.

O Optical Supervisory Channel (OSC) ajuda a controlar e monitorar os dispositivos de linha óptica, bem como o gerenciamento de localização de falha, configuração, desempenho e segurança realizado usando LCT.