Las redes ópticas son un medio de comunicación que utiliza señales codificadas en luz para transmitir información en varios tipos de redes de telecomunicaciones. Estos incluyen redes de área local (LAN) de alcance limitado o redes de área amplia (WAN) , que atraviesan áreas metropolitanas y regionales, así como redes nacionales, internacionales y transoceánicas de larga distancia. Es una forma de comunicación óptica que se basa en amplificadores ópticos , láseres o LED y multiplexación por división de ondas (WDM) para transmitir grandes cantidades de datos, generalmente a través de cables de fibra óptica . Porque es capaz de alcanzar altísimosancho de banda , es una tecnología habilitadora para Internet y las redes de telecomunicaciones que transmite la gran mayoría de toda la información humana y de máquina a máquina.
Tipos
Redes de fibra óptica
Las redes de fibra óptica más comunes son las redes de comunicación , las redes en malla o las redes en anillo de uso común en sistemas metropolitanos, regionales, nacionales e internacionales. Otra variante de las redes de fibra óptica es la red óptica pasiva , que utiliza divisores ópticos sin alimentación para conectar una fibra a varias instalaciones para aplicaciones de última milla .
Redes ópticas de espacio libre
Las redes ópticas de espacio libre utilizan muchos de los mismos principios que una red de fibra óptica, pero transmiten sus señales a través del espacio abierto sin el uso de fibra. Varias constelaciones de satélites planificadas , como Starlink de SpaceX, destinada al aprovisionamiento global de Internet, utilizarán comunicación láser inalámbrica para establecer redes de malla óptica entre satélites en el espacio exterior. [1] Las redes ópticas aerotransportadas entre plataformas de gran altitud están previstas como parte del Proyecto Loon de Google y Facebook Aquila con la misma tecnología. [2] [3]
Las redes ópticas de espacio libre también se pueden utilizar para configurar redes terrestres temporales, por ejemplo, para conectar LAN en un campus.
Componentes
Los componentes de un sistema de red de fibra óptica incluyen:
- Fibra. Multimodo o monomodo.
- Fuente de luz láser o LED.
- Multiplexor / demultiplexor , también llamado mux / demux, filtro o prisma. Estos pueden incluir multiplexor óptico de adición / eliminación (OADM) y multiplexor óptico reconfigurable de adición / eliminación (ROADM).
- Interruptor óptico , para dirigir la luz entre puertos sin una conversión óptico-eléctrica-óptica
- Divisor óptico , para enviar una señal por diferentes caminos de fibra.
- Circulador , para conectar otros componentes, como un OADM.
- Amplificador óptico .
- Multiplexor de división de ondas .
Medio de transmision
En sus inicios, la red de telecomunicaciones dependía del cobre para transportar información. Pero el ancho de banda del cobre está limitado por sus características físicas: a medida que aumenta la frecuencia de la señal para transportar más datos, más energía de la señal se pierde en forma de calor . Además, las señales eléctricas pueden interferir entre sí cuando los cables están demasiado juntos, un problema conocido como diafonía. En 1940, el primer sistema de comunicación se basó en un cable coaxial que operaba a 3 MHz y podía llevar 300 conversaciones telefónicas o un canal de televisión. En 1975, el sistema coaxial más avanzado tenía una tasa de bits de 274 Mbit / s, pero tales sistemas de alta frecuencia requieren un repetidor aproximadamente cada kilómetro para fortalecer la señal, lo que hace que la red sea costosa de operar.
Estaba claro que las ondas de luz podrían tener velocidades de bits mucho más altas sin diafonía. En 1957, Gordon Gould describió por primera vez el diseño del amplificador óptico y el láser que Theodore Maiman demostró en 1960 . El láser es una fuente de ondas de luz, pero se necesitaba un medio para transportar la luz a través de una red. En 1960, las fibras de vidrio se usaban para transmitir luz al cuerpo para obtener imágenes médicas, pero tenían una gran pérdida óptica: la luz se absorbía al pasar a través del vidrio a una velocidad de 1 decibel por metro, un fenómeno conocido como atenuación . En 1964, Charles Kao demostró que para transmitir datos a largas distancias, una fibra de vidrio necesitaría una pérdida no superior a 20 dB por kilómetro. Un gran avance se produjo en 1970, cuando Donald B. Keck , Robert D. Maurer y Peter C. Schultz de Corning Incorporated diseñaron una fibra de vidrio, hecha de sílice fundida, con una pérdida de solo 16 dB / km. Su fibra podía transportar 65.000 veces más información que el cobre.
El primer sistema de fibra óptica para el tráfico telefónico en vivo fue en 1977 en Long Beach, California, por General Telephone and Electronics , con una velocidad de datos de 6 Mbit / s. Los primeros sistemas utilizaban luz infrarroja a una longitud de onda de 800 nm y podían transmitir hasta 45 Mbit / s con repetidores a una distancia de aproximadamente 10 km. A principios de la década de 1980, se habían introducido láseres y detectores que funcionaban a 1300 nm, donde la pérdida óptica es de 1 dB / km. En 1987, operaban a 1,7 Gbit / s con un espaciado de repetidor de unos 50 km. [4]
Amplificación óptica
La capacidad de las redes de fibra óptica ha aumentado en parte debido a las mejoras en los componentes, como los amplificadores ópticos y los filtros ópticos que pueden separar las ondas de luz en frecuencias con menos de 50 GHz de diferencia, encajando más canales en una fibra. El amplificador óptico dopado con erbio (EDFA) fue desarrollado por David Payne en la Universidad de Southampton en 1986 utilizando átomos del erbio de tierras raras que se distribuyen a través de una longitud de fibra óptica. Un láser de bomba excita los átomos, que emiten luz, aumentando así la señal óptica. A medida que avanzaba el cambio de paradigma en el diseño de redes, surgió una amplia gama de amplificadores porque la mayoría de los sistemas de comunicación óptica utilizaban amplificadores de fibra óptica. [5] Los amplificadores dopados con erbio eran el medio más utilizado para soportar sistemas de multiplexación por división de longitud de onda densa. [6] De hecho, los EDFA eran tan frecuentes que, cuando WDM se convirtió en la tecnología de elección en las redes ópticas, el amplificador de erbio se convirtió en "el amplificador óptico de elección para aplicaciones de WDM". [7] En la actualidad, los EDFA y los amplificadores ópticos híbridos se consideran los componentes más importantes de los sistemas y redes de multiplexación por división de ondas. [8]
Multiplexación por División de Longitud de Onda
Al utilizar amplificadores ópticos, la capacidad de las fibras para transportar información aumentó drásticamente con la introducción de la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) a principios de la década de 1990. Bell Labs de AT&T desarrolló un proceso WDM en el que un prisma divide la luz en diferentes longitudes de onda, que pueden viajar a través de una fibra simultáneamente. La longitud de onda máxima de cada haz está lo suficientemente espaciada para que los haces se puedan distinguir entre sí, creando múltiples canales dentro de una sola fibra. Los primeros sistemas WDM tenían solo dos o cuatro canales; AT&T, por ejemplo, implementó un sistema oceánico de larga distancia de 4 canales en 1995. [9] Los amplificadores dopados con erbio de los que dependen, sin embargo, no amplificaban las señales de manera uniforme a través de su región de ganancia espectral. Durante la regeneración de la señal, leves discrepancias en varias frecuencias introdujeron un nivel de ruido intolerable, lo que hizo que WDM con más de 4 canales no fuera práctico para comunicaciones de fibra de alta capacidad.
Para hacer frente a esta limitación, Optelecom , Inc. y General de Instrumentos Corp . desarrolló componentes para aumentar el ancho de banda de la fibra con muchos más canales. Optelecom y su director de Light Optics, el ingeniero David Huber y Kevin Kimberlin cofundaron Ciena Corp en 1992 para diseñar y comercializar sistemas ópticos de telecomunicaciones, con el objetivo de ampliar la capacidad de los sistemas de cable a 50.000 canales. [10] [11] Ciena desarrolló el amplificador óptico de dos etapas capaz de transmitir datos con una ganancia uniforme en múltiples longitudes de onda, y con eso, en junio de 1996, introdujo el primer sistema comercial de WDM denso. Ese sistema de 16 canales, con una capacidad total de 40 Gbit / s, [12] se implementó en la red Sprint , la mayor portadora de tráfico de Internet del mundo en ese momento. [13] Esta primera aplicación de amplificación totalmente óptica en redes públicas [14] fue vista por los analistas como un presagio de un cambio permanente en el diseño de la red por el que Sprint y Ciena recibirían gran parte del crédito. [15] Los expertos en comunicaciones ópticas avanzadas citan la introducción de WDM como el verdadero comienzo de las redes ópticas. [dieciséis]
Capacidad
La densidad de los caminos de luz de WDM fue la clave para la expansión masiva de la capacidad de fibra óptica que permitió el crecimiento de Internet en la década de 1990. Desde la década de 1990, el número de canales y la capacidad de los sistemas WDM densos ha aumentado sustancialmente, con sistemas comerciales capaces de transmitir cerca de 1 Tbit / s de tráfico a 100 Gbit / s en cada longitud de onda. [17] En 2010, los investigadores de AT&T informaron sobre un sistema experimental con 640 canales que operan a 107 Gbit / s, para una transmisión total de 64 Tbit / s. [18] En 2018, Telstra de Australia implementó un sistema en vivo que permite la transmisión de 30,4 Tbit / s por par de fibra en un espectro de 61,5 GHz, lo que equivale a 1,2 millones de videos 4K Ultra HD que se transmiten simultáneamente. [19] Como resultado de esta capacidad para transportar grandes volúmenes de tráfico, WDM se ha convertido en la base común de casi todas las redes de comunicación globales y, por lo tanto, en la base de Internet en la actualidad. [20] [21] La demanda de ancho de banda está impulsada principalmente por el tráfico del Protocolo de Internet (IP) de los servicios de vídeo, la telemedicina, las redes sociales, el uso de teléfonos móviles y la informática basada en la nube. Al mismo tiempo, el tráfico de máquina a máquina, IoT y la comunidad científica requieren soporte para el intercambio a gran escala de archivos de datos. Según Cisco Visual Networking Index, el tráfico IP global será de más de 150,700 Gbits por segundo en 2022. De eso, el contenido de video equivaldrá al 82% de todo el tráfico IP, todo transmitido por redes ópticas. [22]
Estándares y protocolos
La red óptica síncrona (SONET) y la jerarquía digital síncrona (SDH) se han convertido en los protocolos más utilizados para las redes ópticas. El protocolo de red de transporte óptico (OTN) fue desarrollado por la Unión Internacional de Telecomunicaciones como sucesor y permite la interoperabilidad a través de la red como se describe en la Recomendación G.709 . Ambos protocolos permiten la entrega de una variedad de protocolos como el modo de transferencia asincrónica (ATM) , Ethernet , TCP / IP y otros.
Referencias
- ^ "Elon Musk está a punto de lanzar el primero de los 11.925 satélites de Internet propuestos para SpaceX, más que todas las naves espaciales que orbitan la Tierra en la actualidad" . Business Insider . Consultado el 15 de abril de 2018 .
- ^ "Google Laser-Beams the Film Real Genius 60 Miles Between Balloons" . CON CABLE . Consultado el 16 de abril de 2018 .
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