Breve Análise de Multiplexação de Redes Ópticas

Na  comunicação por fibra óptica , a multiplexação é considerada o principal meio para a expansão da capacidade da engenharia de redes de fibra existente. As técnicas de multiplexação incluem a tecnologia TDM (Time Division Multiplexing), a tecnologia MIMO SDM (Space Division Multiplexing), a tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) e a multiplexação por divisão de frequência FDM com a tecnologia (Frequency Division Multiplexing). No entanto, por causa do FDM e do WDM, acredita-se geralmente que não há diferença essencial, de modo que a multiplexação por divisão de comprimento de onda é aproximadamente dividida, a multiplexação por divisão de frequência é um "nicho", que ambos estão incluídos em uma classe. Após a discussão, multiplexação por divisão de espaço (SDM), multiplexação por divisão de tempo (TDM), multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM),  abordagem  de multiplexação CWDM OADM .

1. Tecnologia TDM

A tecnologia TDM é uma comunicação eletrônica multiplexada muito madura. Essa técnica divide o tempo de transmissão em vários intervalos de tempo, nos quais o sinal multiplexado precisa ser transmitido de acordo com certas regras para alcançar a transmissão multiplexada de sinais multicanal. No entanto, essa técnica utiliza comunicação eletrônica, e devido à capacidade espacial da velocidade dos elétrons e à compatibilidade com muitas restrições, a taxa de multiplexação por divisão de tempo eletrônica não é muito alta. Por exemplo, os sinais PDH atingem apenas 0,5 Gbps, enquanto o sinal do sistema SDH , por meio do método de multiplexação intercalada sincronizada, atingiu a taxa de 10 Gbps (STM-64). No entanto, atingir 20 Gbps é bastante difícil. Por outro lado, na fibra óptica, a perda (afinação), a refletância, a dispersão cromática e a desoersão do modo de polarização (PMD) dos sinais ópticos gerados afetam seriamente a transmissão do sinal de modulação de alta taxa. Quando o sinal atinge uma taxa STM-64 ou superior, o PMD, além do efeito de espalhamento, causará um sinal "difuso", fazendo com que o receptor produza um erro de julgamento do sinal. Isso se deve ao fato de que os diferentes modos de luz polarizada produzem uma ligeira diferença de tempo nos percursos da fibra e, portanto, os requisitos gerais exigem que o coeficiente PMD seja de 0,1 ps/km. Em resumo, devido às limitações da tecnologia de multiplexação por divisão de tempo elétrica, a taxa de transmissão de comunicação eletrônica é limitada a menos de 10-20 Gbps.

Multiplexação óptica por divisão de tempo (OTDM ) 

Modulação de sinal OTDM com uma pluralidade de canais de rádio com um canal diferente da mesma frequência óptica, após multiplexação na mesma tecnologia de expansão de transmissão de fibra. A tecnologia de multiplexação por divisão de tempo óptico inclui: técnicas de geração e modulação de pulsos ópticos ultraestreitos, multiplexação/desmultiplexação óptica e técnicas de extração de temporização óptica.

a. Geração de pulsos ópticos ultra estreitos. A multiplexação por divisão de tempo óptico requer uma fonte de luz que forneça um ciclo de trabalho de 5 a 20 GHz bastante pequeno, com saída de pulso óptico ultra estreito. O ganho realizado é obtido pelo método de bloqueio do modo LD, pelo método de modulação contínua de luz estroboscópica por eletroabsorção e pelo método de rede de fibra óptica SC (Supercontínuo). O método de comutação de ganho pode gerar uma largura de pulso de 5 a 7 ps, e a frequência de repetição do pulso óptico pode ser ajustada arbitrariamente em torno de 10 GHz, facilitando a sincronização com outros sinais. A fonte de pulso no método de comutação de ganho tem sido utilizada em diversos experimentos de transmissão óptica de alta velocidade e medições ópticas. A largura de pulso óptico SC é maior que 1 ps, e a mais estreita atinge 0,17 ps. Além disso, o uso da modulação linear ajustada para corrigir o valor de dispersão da rede de fibra óptica na saída do modulador de eletroabsorção, também pode produzir um pulso de luz com duração de 5,8 ps a 10 GHz e um ciclo de trabalho de 6,3%.

b. Multiplexação/desmultiplexação óptica completa . A multiplexação óptica por divisão de tempo pela linha de retardo óptico e o acoplador direcional óptico de 3 dB constituem a solução ideal. Em sistemas de ultra-alta velocidade, é preferível integrar a linha de retardo óptico e a direção do acoplador óptico de 3 dB em um plano sobre um substrato de silício para formar um circuito de guia de ondas planar (CLP) como o multiplexador óptico. O demultiplexador totalmente óptico desmultiplexa a extremidade receptora de luz do sinal OTDM. Desenvolveu dispositivos como demultiplexadores: demultiplexador óptico de matriz de comutação Kerr óptica, demultiplexador óptico de deslocamento de frequência de modulação de fase cruzada, demultiplexador óptico de comutação de mistura de quatro ondas e demultiplexador óptico do tipo espelho de loop de fibra óptica sem linha (NOLM). Independentemente dos dispositivos, é necessário um controle confiável e estável do sinal óptico de baixa potência, independentemente da polarização.

c. Tecnologia de extração de temporização óptica. A extração de temporização óptica requer operação em ultra-alta velocidade, baixo ruído de fase, alta sensibilidade e não tem relação com a polarização. Foi desenvolvido um misturador de micro-ondas de alta velocidade (PLL Road) constituído como um detector de fase. O uso adicional de um interferômetro de Fabry-Perot constituído por um circuito de oscilação de luz (FPT) de caminho óptico permite a recuperação do relógio.

.  Tecnologia SDM

Para uma compreensão geral do SDM, é necessário: multiplexar a multiplexação da pluralidade de fibras ópticas, ou seja, o cabo. Em alguns locais, existem tubulações de rede de comunicação de fibra óptica prontas para uso e há uma posição sobressalente. Portanto, para aumentar a capacidade na tubulação, é necessário puxar mais fibra óptica , o que é mais conveniente do que eletronicamente. Outro entendimento sobre MIMOs: realizar a multiplexação por divisão espacial em uma fibra óptica, ou seja, o espaço do feixe de luz da região do núcleo da fibra óptica segmentada. Como parte do núcleo da fibra monomodo tem apenas 9 a 10 mm de diâmetro, e a fase de cada ponto da frente de onda do feixe transmitido pode apresentar flutuações, a segmentação espacial dessa superfície de onda é extremamente difícil. Embora tenha sido proposto recentemente um método de segmentação teórica com grau de coerência, na prática ainda há um longo caminho a percorrer.

.  Tecnologia WDM

WDM é o sinal elétrico de múltiplas fontes da respectiva portadora óptica, após multiplexação em uma transmissão de fibra óptica , e disponível na extremidade receptora por meio de um método de comunicação de detecção heteródina coerente ou filtro passivo sintonizado, detectando diretamente o método de comunicação convencional para realizar a seleção de canal. A tecnologia WDM não só pode expandir a capacidade de comunicação, como também pode trazer enormes benefícios econômicos para a comunicação. Assim, nos últimos anos, a pesquisa nesta área tem crescido. A tecnologia WDM é o sistema que transporta múltiplos comprimentos de onda (canais) em uma única fibra óptica, uma fibra óptica em múltiplas fibras "virtuais", cada fibra virtual trabalhando independentemente do comprimento de onda. Cada canal opera velocidades de até 2,5 a 10 Gbps.

a.  Multiplexação por divisão de comprimento de onda densa

A chamada tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda densa, que é frequentemente chamada de DWDM , refere-se a uma tecnologia de transmissão de dados por fibra óptica. Essa tecnologia utiliza o comprimento de onda do laser de acordo com a transmissão paralela de bits, a forma de transmissão de linha de string, os dados são transmitidos na fibra óptica.

O DWDM é introduzido inicialmente na distribuição de sinais ópticos para uma faixa específica dentro de uma frequência especificada (comprimento de onda, lambda). O sinal é então multiplexado em uma fibra, o que permite aumentar significativamente a largura de banda do cabo já instalado. Como a introdução do sinal não termina na camada óptica, a taxa e o formato da interface podem ser mantidos de forma independente, permitindo que o provedor de serviços integre os equipamentos existentes na tecnologia e na rede DWDM, mesmo que o cabo instalado não consuma muita largura de banda.

O DWDM pode transmitir uma pluralidade de sinais ópticos. Os resultados desses sinais ópticos podem ser compilados em um único grupo, amplificados e transmitidos simultaneamente por uma única fibra óptica, aumentando significativamente a largura de banda da rede. Cada portadora do sinal pode ser configurada para uma taxa de transmissão diferente (OC-3/12/24, etc.) e diferentes formatos (SONET, ATM, dados, etc.). Por exemplo, as redes DWDM SONET DWDM com taxas de transmissão OC-48 (2,5 Gbps) e OC-192 (10 Gbps) são baseadas em sinais mistos. A largura de banda é enorme, chegando a até 40 Gbps. O uso do sistema DWDM ainda permite atingir os objetivos acima, mantendo o desempenho do sistema e o mesmo grau de confiabilidade e estabilidade do sistema de transmissão existente. O futuro terminal DWDM pode transportar um total de 80 comprimentos de onda, tanto quanto o OC-48 para atingir uma taxa de transmissão de 200 Gbps, o OC-192, ou até 40 comprimentos de onda para atingir uma taxa de transmissão de 400 Gbps, essa largura de banda é suficiente para a transmissão de 9 rolos de Enciclopédia em segundos!

b.  Tecnologia CWDM

A tecnologia DWDM  é a preferida para aplicações de fibra óptica atualmente, mas seus altos preços afetam sua aplicação mais ampla. Diante das necessidades do mercado de comunicações, o CWDM (multiplexação por divisão de comprimento de onda grosso) surgiu. O CWDM oferece baixo custo e alta largura de banda de acesso, adequado para uma variedade de estruturas populares de rede ponto a ponto, Ethernet e anel SONET, particularmente adequado para aplicações de comunicação intensivas em pontos de acesso de curta distância e alta largura de banda, como comunicações em redes prediais ou em edifícios. Vale ressaltar que, com o uso de CWDM e PON (rede óptica passiva), a PON é um modo de comunicação de fibra óptica ponto a multiponto de baixo custo. Combinado com o CWDM, cada canal de comprimento de onda único pode ser usado como o link óptico virtual da PON, o nó central e uma pluralidade de nós distribuídos para transmissão de dados em banda larga.

No entanto, o CWDM é um meio-termo entre custo e desempenho, e inevitavelmente apresenta algumas limitações de desempenho. Especialistas do setor apontam que o CWDM ainda está abaixo de 4 pontos:

1. Menos suporte CWDM ao número de comprimentos de onda multiplexados em uma única fibra, resultando em maior custo de expansão futura;

2. Multiplexador multiplex demodulador e assim o custo do equipamento deve ser ainda mais reduzido, esses dispositivos não podem apenas DMDM ​​uma modificação simples do dispositivo correspondente;

3. O CWDM ainda não formou um padrão.

.  OADM

O interesse das pessoas no campo de redes ópticas de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) está aumentando, e o OADM está cada vez mais concentrado. Esses dispositivos, no campo de multiplexação por divisão de comprimento de onda óptico, utilizam a função SDH OADM tradicional no domínio do tempo. Um OADM específico pode ser separado do feixe de um canal WDM (função de cessão) e geralmente é baseado no mesmo comprimento de onda para inserir novas informações na portadora óptica (função de inserção). A seletividade do OADM permite que o dispositivo de transferência selecione o próximo sinal do canal ou o sinal de estrada, ou simplesmente o sinal de um determinado comprimento de onda, mas não afeta a transmissão dos outros canais de comprimento de onda. O OADM no domínio óptico e o OADM no domínio do tempo completam a função, tendo transparência e podendo lidar com qualquer formato e taxa de sinal em SDH. Isso pode melhorar a confiabilidade da rede, reduzir o custo dos nós e melhorar a eficiência da operação da rede. Equipamentos essenciais são essenciais para a formação de redes totalmente ópticas. Para OADM, a subsaída e a inserção entre a boca e as portas de entrada e saída devem ter um alto grau de isolamento (> 25 dB) para minimizar os efeitos de interferência no mesmo comprimento de onda, caso contrário, o desempenho da transmissão será seriamente afetado. Diversas técnicas foram propostas para alcançar OADM: WDMMUX/DEMUX; entre um circulador óptico ou uma rede de fibra óptica em estrutura MachZehnder; e o MachZehnder em tandem implementado com tecnologia óptica integrada e o filtro de interferência. Os dois primeiros métodos, para obter o isolamento máximo, exigem equipamentos caros. A estrutura MachZehnder (com rede de fibra óptica ou tecnologia de integração óptica) ainda está em desenvolvimento e precisa de mais aprimoramentos para atingir o isolamento necessário.

Do ponto de vista atual, as redes totalmente ópticas são aplicadas primeiramente à LAN, MAN ao roteamento óptico interno, e a tecnologia utilizada é baseada em WDM, EDFA e banda larga. A longo prazo, as redes totalmente ópticas inevitavelmente apontam para a direção do desenvolvimento, combinando ondas, divisão de tempo e divisão de espaço. Sua aplicação será estendida à WAN. O alcance da rede pode cobrir todo o país ou vários países, resultando em uma rede totalmente óptica de alta velocidade e grande capacidade para atender à demanda futura por serviços de comunicação.