caracterizaciÓn de redes lr-pon con diferentes
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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 35. Salida con una longitud de onda 1313 nm........................................................................ 43
Figura 36. Salida con una longitud de onda 1480 nm........................................................................ 43
Figura 37.Salida con una longitud de onda 980 nm........................................................................... 43
Figura 38. Salida con una l Longitud de onda 1146 nm. ................................................................... 43
Figura 39. Salida con una longitud de onda 1313 nm........................................................................ 44
Figura 40. Salida con una longitud de onda 1480 nm........................................................................ 44
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 51. Ganancia con fibra de 17 km. ........................................................................................... 49
Figura 52. Ganancia con fibra de 25 km. ........................................................................................... 50
Figura 53. Ganancia con fibra de 32 km. ........................................................................................... 50
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
Figura 71.Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de
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
Figura 74.Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de
83.5 km. ............................................................................................................................................. 63
Figura 75.Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de
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
Figura 77. Diferentes valores del BER para las diferentes longitudes de onda de la señal transmitida
a una longitud de 95 km. .................................................................................................................... 66
Figura 78. Diferentes valores del BER para las diferentes longitudes de onda de la señal transmitida
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
Figura 87.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el
municipio de Gachalá. ....................................................................................................................... 81
Figura 88.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el
municipio de Cucunubá. .................................................................................................................... 81
Figura 89.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el
municipio de Zipaquirá. ..................................................................................................................... 84
8
Figura 90.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el
municipio de Gachalá. ....................................................................................................................... 84
Figura 91.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el
municipio de Nemocón. ..................................................................................................................... 85
Figura 92.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el
municipio de Gachancipa a 10 GBPS. ............................................................................................... 88
Figura 93.Gráfica del analizador de espectro (izquierda) y diagrama de ojo (derecha) para el
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
ENTRADA LÁSER DE BOMBEO LONGITUD
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.
Figura 34. Salida con una longitud de onda 1146 nm.
43
Figura 35. Salida con una longitud de onda 1313 nm.
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 39. Salida con una longitud de onda 1313 nm.
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
ENTRADA LÁSER DE BOMBEO LONGITUD
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.
Figura 45. Salida del amplificador con fibra de 20 m.
Figura 46. Salida del amplificador con fibra de 40 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.
Figura 51. Ganancia con fibra de 17 km.
50
Figura 52. Ganancia con fibra de 25 km.
Figura 53. Ganancia con fibra de 32 km.
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.
Figura 71.Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de 60 km.
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
Figura 75.Diferentes valores del BER para las diferentes potencias de transmisión a una longitud de 90 km.
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
0.2(𝑑𝐵𝑘𝑚
) = 150 𝑘𝑚
𝐷𝑆𝑂𝐴(𝑘𝑚) =34 𝑑𝐵
0.2(𝑑𝐵𝑘𝑚
) = 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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