Visão geral da tecnologia CWDM e transceptores

Introdução

Transceptores CWDM são transceptores ópticos baseados na tecnologia CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing). Eles são particularmente úteis na operação de enlaces bidirecionais (BIDI), uma vez que cada site compreende um transmissor além de um receptor. O laser, o diodo receptor e os componentes eletrônicos relevantes para acionar o laser e moldar o sinal recebido são integrados a um módulo com interface padronizada. Outra característica importante desses transceptores é sua modularidade, ou seja, a capacidade de conectá-los a placas de circuito eletrônico e intercambiá-los. Essa modularidade permite a separação da óptica da área eletrônica dos sistemas e, portanto, proporciona um projeto de sistema com boa relação custo-benefício. Um dos requisitos dessa modularidade é a adoção de padrões comuns para transceptores.

Visão geral da tecnologia CWDM

Primeiramente, vamos falar sobre a tecnologia CWDM . Existem dois tipos principais de tecnologia WDM (Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda) utilizados em aplicações multisserviços de acesso metropolitano/empresariais: DWDM (Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda Densa) e CWDM. As principais diferenças entre essas duas variantes resultam de suas alocações exclusivas de canais dentro do espectro de fibra, o que dá origem a tecnologias de componentes, faixas de preço e aplicações especializadas. Geralmente, a CWDM oferece faixas de preço mais baixas em comparação com a DWDM e, portanto, é extremamente adequada para muitas aplicações de acesso e empresariais com custos reduzidos. Os fatos são apresentados a seguir (mostrado na tabela abaixo).

1. Alocação de espectro de fibra

Nas áreas metropolitanas e de acesso, a Fibra Monomodo (SMF) é definitivamente a mais comum, especialmente a fibra do tipo SMF-28. Ao longo do tempo, um número crescente de "bandas" espectrais foi delineado para explorar a largura de banda utilizável com essa fibra específica, em consonância com as crescentes demandas de tráfego e o avanço das tecnologias de componentes (veja a figura abaixo). Originalmente, a SMF foi criada para "otimizar" a operação de canal único na região de 1310 nm, amplamente conhecida como "banda O", e, consequentemente, muitos produtos SONET/SDH e Ethernet "legados" foram especificados para operar nessa região. Nessa região, a SMF apresenta dispersão zero e perda extremamente moderada (aproximadamente 0,35 dB/km).

No início, a transmissão de canal único (banda O) era extremamente eficaz na extensão de sistemas SONET/SDH e Ethernet legados por grandes distâncias. No entanto, como esses sistemas suportavam apenas um canal de transmissão por fibra, tornaram-se cada vez mais ineficientes (em termos de fibra) para operadoras que enfrentavam crescentes demandas de tráfego. Como resultado, os projetistas começaram a buscar a expansão das capacidades de transmissão para regiões espectrais (SMF) adicionais, a fim de melhor utilizar a capacidade/os recursos de fibra existentes. Isso resultou essencialmente na criação de novas bandas de transmissão, juntamente com uma mudança para a transmissão multicanal, ou seja, WDM. Considerando o perfil geral da SMF, naturalmente, quaisquer novas bandas de transmissão só poderiam ser implantadas onde os valores de perda e dispersão fossem aceitavelmente baixos. Foi aqui que os projetistas optaram por avançar para a região de 1500 nm, porque a região de 1375-1400 nm (banda E) apresenta alta atenuação devido à absorção de energia luminosa pelo vapor d'água residual, ou seja, o "pico de água" em 1383 nm. Essa expansão da banda de transmissão resultou no surgimento do DWDM e também do CWDM.

A premissa básica das tecnologias CWDM é oferecer escalabilidade de largura de banda óptica aceitável a preços extremamente reduzidos. Esses objetivos são alcançados definindo um espaçamento de canais muito mais amplo, tipicamente 2500 GHz (20 nm), dentro das bandas espectrais SMF disponíveis, ajudando assim a reduzir as restrições e os custos dos componentes relacionados (conforme detalhado na seção subsequente). A maioria dos componentes CWDM atuais cobre a região das bandas C e L (semelhante ao DWDM) e também pode ser empregada em parte da banda S (faixa de 1460-1530 nm), produzindo até 8 canais de comprimento de onda (Figura 2). No entanto, em um esforço para agilizar ainda mais a padronização de componentes e a interoperabilidade entre fornecedores, a ITU-T iniciou recentemente o trabalho de definição das bandas CWDM e canais relacionados (muito semelhante à grade DWDM ITU-T). Aqui, o espaçamento de canais é definido em 20 nm (como esperado) e o espectro de transmissão relacionado é expandido para incluir as bandas O e E (além das bandas S, C e L atualmente utilizadas). A adição das bandas O e E visa especificamente explorar a capacidade adicional disponível em novas fibras "otimizadas para áreas metropolitanas". Utilizando essas provisões, o CWDM proporcionará ampla escalabilidade de capacidade e economia de comprimento de onda incomparável, uma combinação ideal para acesso metropolitano e ambientes corporativos.

Atualmente, muitos fornecedores de componentes ópticos já possuem portfólios CWDM significativos no mercado. Em particular, existem muitas tecnologias-chave que estão ajudando a reduzir os custos gerais da rede e a acelerar a implantação de paradigmas CWDM. De modo geral, isso inclui lasers de menor custo, filtros ópticos de banda larga, bem como fibras "otimizadas para metrô". No entanto, os avanços contínuos estão proporcionando melhores relações custo-benefício, inevitavelmente fortalecendo a situação da tecnologia CWDM. Alguns fatos são apresentados a seguir.

2. Tecnologias facilitadoras

A maioria dos sistemas baseados em WDM atualmente utiliza fontes de laser de feedback distribuído (DFB), cobrindo efetivamente distâncias de até 100 km (SMF-28). No entanto, essas unidades apresentam variação de frequência baseada na temperatura e, frequentemente, pode-se esperar uma variação de até 6 nm em uma ampla faixa operacional de 0 a 70 ℃ (ou seja, cerca de 0,08 nm/℃). Claramente, esse grau de flutuação é extremamente alto para espaçamento DWDM estreito e, portanto, circuitos complexos de monitoramento e resfriamento são necessários para manter bandas de passagem estreitas para DWDM, aumentando significativamente os custos do sistema DWDM. Por outro lado, aplicações CWDM de canal mais amplo não apresentam tais restrições e podem utilizar lasers DFB não resfriados de custo muito mais baixo para taxas de bits de até 2,5 Gbps. Especificamente, o espaçamento de 20 nm certamente pode lidar com faixas de deriva de temperatura, deixando quase 13 nm de largura de banda para a largura de banda do usuário. Esta configuração dispensa circuitos caros de controle de temperatura, reduzindo significativamente os custos e também resultando em menor dissipação de energia, por exemplo, apenas 1-2 W tipicamente por canal, contra mais de 10 W para lasers DWDM maiores. Além disso, diferentemente do DWDM, o CWDM não possui nenhuma provisão para amplificação óptica, o que reduz ainda mais os custos. Embora a falta de amplificadores CWDM afete as distâncias de alcance, a transmissão não amplificada é muito mais do que adequada para muitos ambientes de acesso metropolitano/empresariais, visto que mais de 90% dos anéis de áreas metropolitanas nos Estados Unidos têm menos de 100 km de perímetro. Na maioria dos casos, os recursos acima também permitem um encapsulamento de laser muito mais compacto, até 70% menor do que os lasers DWDM, o que é ideal para aplicações corporativas onde considerações sobre o tamanho são importantes.

Dispositivos de filtragem óptica de banda larga são outro recurso essencial para sistemas WDM e são usados para implementar operações de multiplexação/desmultiplexação de canais a partir de cabos de fibra. Atualmente, a maioria dos filtros WDM deriva da tecnologia de filme fino, que utiliza um processo de camadas baseado na fabricação para obter diferentes separações de canais. Especificamente, a quantidade de camadas de filtro aumenta com o espaçamento mais fino dos canais, e os elementos filtrantes DWDM típicos requerem cerca de 150 camadas. Por outro lado, o espaçamento maior da grade CWDM (2500 GHz) reduz o número de camadas de filtro para cerca de 50, o que resulta em uma redução muito significativa nos custos de fabricação. Consequentemente, atualmente, a maioria dos filtros CWDM é quase 50% mais barata do que seus equivalentes DWDM e, além disso, ambas as variantes ainda apresentam quedas constantes de preço. No geral, a maioria dos filtros CWDM disponíveis comercialmente opera na faixa de 1470-1610 nm e pode extrair até 8 canais de comprimento de onda. Entretanto, como vários fabricantes de cabos estão oferecendo novos tipos de fibras especializadas com maior capacidade de transmissão, os futuros dispositivos de filtragem CWDM provavelmente oferecerão cobertura de canal expandida.

Visão geral dos transceptores CWDM

Chegamos então ao ponto-chave: o transceptor. A combinação de transmissor e receptor em um único dispositivo leva ao conceito do transceptor. Como mencionado acima, os transceptores CWDM são baseados na tecnologia CWDM. O transceptor revolucionou muitas áreas das comunicações ópticas, e os padrões envolvidos, bem como os desenvolvimentos recentes, são apresentados a seguir.

1. Evolução do Transceptor Óptico

O transceptor, uma combinação de transmissor e receptor em um único dispositivo, é um dos principais blocos de construção em sistemas de transmissão óptica. Historicamente, os transceptores ópticos surgiram de placas de linha de sistema onde as fontes e detectores eram combinados com os componentes eletrônicos apropriados para lançar sinais na fibra, no caso do receptor. Um exemplo dos primeiros transmissores e receptores é mostrado na figura abaixo. A presença do transmissor e do receptor em pares facilita o projeto de enlaces de fibra BIDI. Em seu caso mais simples, a transmissão BIDI é realizada com duas fibras separadas; cada fibra transporta um sinal em uma direção. Nesse caso, as duas direções são totalmente independentes e, devido à ausência de diafonia, a alocação de comprimento de onda para as duas direções pode ser feita separadamente. O conceito de transmissão BIDI também funciona para uma única fibra. Aqui, a diafonia entre canais pode ser minimizada para operar o enlace BIDI em diferentes comprimentos de onda. A figura abaixo mostra o sistema básico de transmissão de fibra óptica duplex baseado em pares transmissor e receptor.

O sistema na figura acima consiste no transmissor, fibra óptica e um receptor. Para obter a transmissão duplex, é necessário que haja um transmissor e um receptor em cada extremidade; permitindo assim que os dados sejam enviados de e para cada local. A implementação mais antiga de transmissores e receptores foi realizada em placas de circuito. Esses dispositivos foram construídos a partir de componentes discretos e colocados em uma placa de circuito junto com outros circuitos para processar os sinais, fornecer energia, etc. À medida que o volume e a velocidade da transmissão aumentaram, houve um impulso para integrar a funcionalidade dos transmissores e receptores em um único módulo. Os blocos de construção básicos para um transmissor óptico são a fonte e o circuito do driver para modulação. O receptor digital consiste em um detector, amplificador e comparador.

2. Transmissores não refrigerados para CWDM

A principal diferença entre os sistemas DWDM e CWDM em relação à eletro-óptica é o uso de lasers DFB refrigerados como fontes nos sistemas DWDM e o uso de lasers DFB não refrigerados como fontes nos sistemas CWDM. Como resultado, o transmissor CWDM é simplificado.

Dicas sobre o desvio de comprimento de onda:
A figura abaixo mostra o desvio de comprimento de onda de um laser DFB de frequência única não refrigerado dentro da banda passante de um filtro multiplexador CWDM padrão de 13 nm de largura. Normalmente, a temperatura de operação pode variar de 0 a 70 °C, resultando em uma variação de comprimento de onda de até 7 nm. Portanto, é crucial que o projeto dos sistemas CWDM possa acomodar o desvio de comprimento de onda sem qualquer perda de desempenho. Consequentemente, os filtros devem ser suficientemente largos, com uma característica de topo plano em toda a banda passante.