26/10/2015

Universidad Santo TomasRedes Ópticas – TareaJuan Fernando Cifuentes Obando COD: 2127071

Tecnologías Para Cross Conectores Ópticos

Los OADM (Optical Add-drop Multiplexer) dispositivos usados  en la multiplexación

por división de longitud de onda de sistemas para la multiplexación

y encaminamiento de diferentes canales de luz dentro o fuera de una fibra mono

modo. En redes más complejas, caracterizadas por una topología en malla y el

número de longitudes de onda elevado, para ello es necesario emplear un nuevo

componente y es la matriz de conmutación óptica OXC (Optical Croos Connect).

Los OXC son elementos indispensables para la implementación de redes ópticas

reconfigurables y, además pueden estar constituidas internamente por

conmutadores ópticos o bien por un conjunto hibrido de elementos ópticos y

eléctricos.

Un OXC permite hacer uso de diferentes servicios, como por ejemplo,

proporcionar caminos bypass o (express) para todo el tráfico que no tiene como

destino final un equipo conectado al conmutador. También posee puertos

terminales como (SDH, ATM, IP y WDM) que origina o termina tráfico en ellos.

Básicamente un OXC no incluye a los OLTs (Optical Line Termination) que son

terminadores de linea óptica.

Un OXC es un elemento inteligente de red, capaz de proteger los caminos ópticos

ante un fallo en la fibra o los equipos. Ello es posible porque el OXC puede

detectar fallos en la red y re-encaminar rápidamente el trafico afectado buscando

nuevos caminos ópticos.

Figura1. Esquema de una matriz de conmutación óptica OXC. [1]

Los OXC posibilitan la evacuación de los parámetros de funcionamiento de la

señal en nodos intermedios de la red, ya que permiten el enganche de equipos de

media en puertos especiales del propio cross conector, de modo que las mismas

señales puedan monitorizar de manera no destructiva. Sin embargo pueden

agrupar y conmutar señales de granularidades mucho más finas llamadas

(Grooming). Ello debe realizarse sin embargo en un formato electrónico por medio

de MUX, TDM, SDH incorporado al OXC.

Figura2. Interconexión de redes mediante un OXC. [1]

1. Conmutación Espacial

Los conmutadores ópticos se emplean en las redes ópticas para múltiples

aplicaciones. Entre los parámetros más importantes para caracterizar los

conmutadores ópticos son las bajas perdidas de inserción, la alta relación de

extinción, la baja diafonía, la dependencia con la polarización (PDL y PDM), bajo

consumo, la monitorización de la señal entre otros.

En cuanto a la conectividad de los conmutadores, estos pueden ser de dos tipos.

Un conmutador de no bloqueo permite conectar cualquier puerto de entrada libre a

cualquier puerto de salida libre.

En cuanto a la estructura de un conmutador, la unidad básica con 2 puertos de

entrada y 2 puertos de salida (2x2), barra y cruce, permiten el paso de cualquiera

de los puertos de entrada a cualquier puerto de salida. A partir de ello esta unidad

básica se puede implementar en conmutadores de mayor número de entrada y

salida.

Donde se puede utilizar cualquiera de las arquitecturas o topologías de

conmutación como son Crossbar, Clos, Spanke, Benes, Spanke-Benes.

Figura3. Unidad básica 2x2 de conmutación. [1]

Figura4. Unidad básica de conmutación 2x2 implementada con dilatación. [1]

2. Conmutadores Mecánicos

Se lleva a cabo por medios mecánicos, bien posicionando espejos dentro y fuera

del camino óptico, empleando acopladores direccionales, cambiando el coeficiente

de acoplo entre fibras mediante el estiramiento. Entre sus ventajas se destacan los

bajos valores de diafonía que introducen y las bajas perdidas de inserción y PDL,

aunque sus tiempos de conmutación son de varios milisegundos y el número de

puertos es limitado.

Figura5. Conmutador 2x2 mecánico en sus dos estados posibles. [1]

3. Conmutadores Micro Electro Mecánicos (MEMs)

Los MEMs son pequeños dispositivos que suelen fabricarse usando substratos de

Silicio. Combinan la interconexión de espacio libre con las ventanas de integración

monolítica, tienen unos espejos que cambian de una posición a otra usando

técnicas de variación electrónica, tales como métodos electromagnéticos,

electroestáticos o piezoeléctricos. El tamaño, posición y el ángulo de inclinación se

fijan en el proceso fotolitográfico. Sus ventajas son el pequeño tamaño, el bajo

consumo de potencia, la fabricación por lotes y la alta velocidad de conmutación,

entre otras.

La estructura de los espejos es sencilla es una estructura de 2D. En un estado el

espejo esta bajado y el rayo de luz no se desvían.

Las dos tecnologías posibles de fabricación de MEMs son las siguientes:

- Surface Micromachining: Se depositan en múltiples capas encima de un

substrato de Silicio y se quita el material etching posterior, dejando las

piezas ancladas al substrato.

- Bulk Micromaching: Se construyen las estructuras MEM directamente

sobre una oblea de Si en bloque.

Figura6. Espejo 3D para implementación en MEMs. [1]

4. Conmutadores Termo-Ópticos

Son esencialmente interferómetros construidos sobre un substrato de guía de

onda, cuyo índice de refracción es función de la temperatura. Al variar el índice de

refracción en uno de los brazos del interferómetro, puede cambiarse la diferencia

relativa de fase entre los dos brazos, con lo que se produciría la conmutación.

Una de las ventajas de estos conmutadores es la posibilidad de integración con

MUX/DEMUX de longitud de onda, algo que es difícil de conseguir a la hora de

conseguir elementos que puedan controlar la temperatura.

Como desventajas, se destacan que la velocidad de conmutación es baja, que la

repetitividad depende de la temperatura y que para reducir la diafonía, se

requieren esquemas con dilatación, tal y como se muestra en la siguiente imagen.

Figura7. Conmutadores termo-ópticos con esquemas de dilatación en estados. [1]

5. Conmutadores De Burbuja

El conmutador de burbuja fue desarrollado inicialmente por Agilent. El principio de

funcionamiento se basa en pasar la luz por unas guías de onda impresas sobre un

substrato de Silicio que a su vez contienen puntos de cruce con unas zanjas que

contienen un fluido, en el cual se crea una burbuja de aire que re direcciona la

señal en la dirección deseada y por lo tanto, hacia el puerto deseado.

En esta tecnología hay que mantener la burbuja durante el tiempo que este fijo un

camino óptico, que puede ser largo en algunas redes ópticas. Se hace necesario,

por tanto un entorno hermético para controlar la fase del líquido de la zanja.

Además existe cierta inestabilidad en el haz de luz transmitida y conmutada al

pasar la burbuja debido al calor y la propia presión del aire hacen que la burbuja

se deforme y deje una capa delgada de fluido entre la pared de la guía de onda y

el contorno de la burbuja. Con este esquema pueden construirse conmutadores de

hasta 32x32.

Figura8. Funcionamiento del conmutador de burbuja. [1]

6. Conmutador Basado En Amplificadores Usados Por Puertas

Los amplificadores ópticos de semiconductor pueden emplearse como

interruptores variando la corriente de polarización dl dispositivo. Si la corriente de

polarización se reduce, no se produce inversión de población y el dispositivo

absorbe las señales de entrada. Si la corriente de bombeo es suficientemente

grande, se amplifican las señales de entrada. Si se desea que la señal de entrada

salga por varios puertos de salida habrá que poner varios SOAs en estado ON y

así se consigue un reparto de la señal en aplicaciones de difusión. En cuanto a las

perdidas, son muy bajas e incluso nulas.

Figura9. Conmutador basado en amplificadores usados como puertas. [1]

7. Conmutadores De Cristal Líquido

Estos conmutadores utilizan la naturaleza de los cristales líquidos para

implementar conmutadores basados en la polarización de las señales que lo

atraviesan. Estos dispositivos permiten la conmutación paralela de múltiples

longitudes de onda, y presentan bandas de paso planas, además de ser bastantes

flexibles. Son fácilmente escalable a un número grande de longitudes de onda y

presentan baja diafonía. Entre sus inconvenientes se destacan su baja velocidad,

su dependencia con la polarización (PDM) y la sensibilidad a la temperatura.

Figura10. Conmutadores de cristal líquido. [1]

8. Conmutación Electrónica

Esta se realiza en el dominio eléctrico utilizando receptores ópticos a la entrada

del conmutador que realicen las conversiones óptico-eléctricas (O-E) y

transmisores de salida que realizan la función inversa. De este modo puede

aprovecharse la tecnología electrónica, mucho más madura, para continuar las

señales transmitidas por las redes ópticas. Entre sus ventajas destacan el bajo

coste, alto volumen de procesado, la intensibilidad a las pérdidas, la integración a

gran escala y el intercambio permitido de longitudes de onda. No obstante,

requiere un gran número de transceptores ópticos, su funcionamiento está limitado

a las velocidades de diseño, su respuesta es sensible a la diafonía y al jitter, y

además requiere redundancia.

Figura11. Conmutador electrónico en redes ópticas. [1]

REFERENCIAS

[1] J. C. Francoy and B. O. Tamarit, Redes ópticas. Editorial de la UPV, 2006.