Multiplexación por División de Longitud de Onda

El ancho de banda en las comunicaciones es como un armario en su hogar: nunca puede tener suficiente. Y el tráfico de Internet está haciendo que la demanda de capacidad de comunicación crezca más rápido que el guardarropa de un adolescente con una tarjeta de crédito sin límite. Los megabytes de gráficos animados que acaparan el ancho de banda están reemplazando los mensajes de correo electrónico compactos. Las señales de datos, video y voz aglomeran los sistemas de transmisión que tenían un amplio espacio hace solo unos años. La industria de las comunicaciones necesita espacio para respirar.



Eso es exactamente lo que una nueva generación de tecnología de fibra óptica está aportando a redes como la acertadamente llamada Project Oxygen. Neil Tagare, fundador del Grupo CTR en Woodcliff Lake, Nueva Jersey, eligió ese nombre para la red global porque consideró que el tremendo ancho de banda que ofrece la nueva tecnología es tan vital para las telecomunicaciones como el oxígeno para la vida misma. Al enviar señales en 16 longitudes de onda diferentes a través de cada uno de los cuatro pares de fibras ópticas, Project Oxygen transportará 640 gigabits por segundo (Gbit / s) a través de océanos enteros. Eso es el equivalente a 10 millones de conversaciones telefónicas simultáneas, suficiente para que cada persona en Hungría o Bélgica llame a los Estados Unidos al mismo tiempo.

Los ojos de Dios a la venta

Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 1999





  • Ver el resto del número
  • Suscribir

La tecnología que hace posible este nuevo ancho de banda se llama multiplexación por división de longitud de onda, o WDM, y representa la segunda gran revolución de la fibra óptica en las telecomunicaciones. El primero se produjo durante la década de 1980, cuando las compañías telefónicas conectaron a los Estados Unidos y otros países con fibras para crear una columna vertebral global de conductos de información que podrían transportar muchos más datos que los cables de cobre y los enlaces de microondas que reemplazaron. WDM aprovecha esta ventaja un paso gigantesco al multiplicar la capacidad potencial de cada fibra llenándola no solo con una, sino con muchas longitudes de onda de luz, cada una capaz de transportar una señal separada.

La multiplexación por división de longitud de onda ha surgido de manera bastante conveniente, a medida que se llenaban los cables de fibra más antiguos, dice Richard Mack, vicepresidente de KMI Corp., una firma de analistas de mercado con sede en Newport, Rhode Island que se especializa en fibra óptica. Aprovechando WDM, los operadores de larga distancia como AT&T y MCI han podido evitar el tendido de nuevos y costosos cables; en cambio, simplemente bombean longitudes de onda adicionales a través de fibras existentes.

fin de la ley de Moore

La revolución WDM ha llegado con una rapidez inesperada. Hace una década, señala Mack, la gente decía que había un exceso de capacidad de fibra. Para dejar espacio para la expansión, las compañías telefónicas habían tendido cables que contenían de 24 a 36 fibras, muchas de las cuales se mantenían en reserva como fibras oscuras. Cada fibra transportaba cientos de megabits por segundo en una sola longitud de onda. Desde entonces, los operadores han elevado las velocidades de datos a 2,5 Gbit / sy han encendido la mayoría de las fibras oscuras. Pero el tremendo aumento del tráfico ha abarrotado estos cables que antes parecían tan voluminosos. Los armarios, al parecer, se están llenando rápidamente hasta las vigas, y las cosas se están derramando por el suelo. El uso del teléfono representa cierto aumento, incluida la expansión de las máquinas de fax y los teléfonos móviles. Pero el crecimiento más espectacular ha sido el tráfico de Internet, que aproximadamente se duplica cada año.



Lo que también está claro es que no se vislumbra un final para la creciente demanda, especialmente si, como creen muchos expertos, la comunicación por video bidireccional se vuelve más común. La industria de las comunicaciones está atravesando una transición que en unos años nos traerá video digital para nuestro uso diario en el hogar y en el trabajo, dice Shahab Etemad, quien dirige el desarrollo de transmisión WDM en Bell Communications Research, o Bellcore, con sede en Morristown, Nueva Jersey. (Inicialmente, el brazo de investigación de las compañías telefónicas locales y regionales, Bellcore ahora opera como una consultora de administración de red con una variedad de clientes corporativos). Etemad espera que el cambio de telefonía de voz a datos digitales con gran cantidad de video requiera multiplicar la capacidad de transmisión de la red troncal por aproximadamente un factor de 200 y, insiste, WDM tiene que desempeñar el papel principal para satisfacer esa demanda expandida.

Gracias a los avances en los métodos WDM, la fibra ha hecho un buen trabajo para mantenerse al día con esta explosión de demanda. Según David Clark, científico investigador principal del Laboratorio de Ciencias de la Computación del MIT, la capacidad de obtener bits de una fibra está creciendo más rápido que la Ley de Moore, que predice la duplicación de la potencia informática cada 18 meses. Por el momento, señala Clark, la capacidad de carga de la fibra se duplica cada 12 meses.

Haciéndolo con erbio

El término multiplexación por división de longitud de onda apesta a jerga de ingeniería, pero el concepto es simple: envíe simultáneamente señales separadas a través de la misma fibra en diferentes longitudes de onda. Esencialmente, la misma idea forma la base de la transmisión de radio y televisión, donde cada estación envía su señal en una longitud de onda asignada en el espectro de radiofrecuencia. Por supuesto, la mayoría de la gente piensa en términos de frecuencia, pero los dos valores están indisolublemente ligados por su relación con la velocidad de la luz. (Por ejemplo, 100 megahercios en el dial de FM corresponden a una longitud de onda de unos 3 metros).



Los mismos principios funcionan para la luz que atraviesa una fibra óptica que para las ondas de radio transmitidas a través del aire. Las fibras ópticas transmiten mejor en las longitudes de onda de la luz infrarroja cercana invisible entre 1,3 y 1,6 micrómetros, aproximadamente el doble de la longitud de onda de la luz roja.

Si WDM es sencillo y una idea que ha existido, ¿por qué se ha vuelto práctica solo recientemente? El mayor obstáculo ha sido la falta de amplificadores adecuados. Las señales de luz que viajan incluso a través de las fibras ópticas más transparentes se desvanecen a niveles indetectables después de un par de cientos de kilómetros. Durante la mayor parte del tiempo, la fibra óptica ha estado en su lugar, la única forma de abarcar fibras más largas que eso era regenerar la señal a través de un proceso optoelectrónico: un fotodetector convertiría la corriente de pulsos de luz debilitados en una señal de voltaje que podría amplificarse electrónicamente. ; esta señal reforzada moduló un transmisor láser.

El problema es que los detectores de luz no discriminan entre longitudes de onda, codifican señales en diferentes colores, de la misma forma en que sus oídos tienen problemas para discernir lo que se dice si dos personas hablan a la vez. Para que los sistemas optoelectrónicos funcionen con múltiples longitudes de onda, deben tener una forma de separar ópticamente las longitudes de onda, utilizando filtros u otros elementos similares, permitiendo que cada señal pase a través de su propio regenerador. Sin embargo, hasta hace poco, eso ha resultado poco práctico.

Esta limitación desapareció con la invención de una técnica para potenciar la intensidad de la señal luminosa directamente, sin necesidad de un paso electrónico intermedio. La pieza clave de la tecnología es algo llamado amplificador de fibra dopada con erbio. Estos dispositivos, desarrollados a finales de la década de 1980, hicieron posible la revolución WDM.

A diferencia de un regenerador, un amplificador de fibra funciona directamente con la luz. La luz en la señal de entrada débil estimula los átomos de erbio excitados en la fibra para que emitan más luz en la misma longitud de onda. Las cadenas de amplificadores ópticos pueden combinarse para transportar señales a través de miles de kilómetros de cable de fibra óptica en tierra o bajo el océano, sin regeneradores. Debido a que conservan la longitud de onda de las señales ópticas, los dispositivos de fibra de erbio pueden amplificar varios canales de longitudes de onda diferentes simultáneamente sin codificarlos. Los amplificadores de erbio funcionan bien en la región del infrarrojo cercano del espectro en el que operan los sistemas de fibra óptica.

En tierra y en el mar

Las compañías telefónicas de larga distancia fueron las primeras en darse cuenta de que la multiplexación por división de longitud de onda podía reducir el costo del ancho de banda. En comparación con la alternativa de agregar fibra nueva, la tecnología WDM proporciona una forma mucho más efectiva de agregar capacidad, según Dana Cooperson, analista de redes ópticas de RHK Inc., una consultora de mercado en el sur de San Francisco. El tendido de un cable nuevo es caro y requiere mucho tiempo. Y enterrar un cable nuevo a lo largo de la misma ruta que ya está ocupada por un cable más antiguo es arriesgado: la excavación nueva invita a roturas de cable que podrían poner todo el sistema fuera de servicio.

El deseo de los operadores de telecomunicaciones de ahorrar tiempo y dinero ha impulsado un rápido desarrollo de las técnicas de WDM. A mediados de la década de 1990, las empresas portadoras comenzaron a utilizar sistemas que transmitían en cuatro longitudes de onda y pronto aumentaron la cuenta a ocho. Los desarrolladores cortaron rápidamente el espectro aún más finamente para exprimir 16 canales de longitud de onda a través de una sola fibra para lo que se conoce como WDM denso.

Cuando los transportistas vieron la necesidad, los fabricantes fueron igualmente rápidos en detectar el mercado. Lucent Technologies de Murray Hill, N.J., tecnología adaptada desarrollada en su subsidiaria Bell Labs. Ciena, una compañía de Linthicum, Maryland, fundada en 1992, avanzó más rápido, entregando su primer sistema comercial de 16 canales en 1996, casi al mismo tiempo que la escisión de AT&T. Le siguieron otros gigantes de las telecomunicaciones de todo el mundo, incluidos Nortel, Alcatel, Pirelli, NEC, Hitachi, Fujitsu y Ericsson. En los últimos dos o tres años, varias empresas, incluidas Ciena, Lucent y Nortel de Saint-Laurent, Quebec, han comenzado a comercializar sistemas que cortan el espectro del amplificador de erbio en 32 o 40 astillas, cada una de solo 0,8 nanómetros de ancho. En septiembre pasado, Lucent entregó su primer sistema de 80 canales a AT&T. Pirelli Cable de Lexington, S.C., seguido de la promesa de una versión de 128 canales, pero no había entregado hardware a mediados de enero.

Los operadores de telecomunicaciones no necesitan todos esos canales en la actualidad y, gracias a la modularidad inherente de WDM, no necesitan comprar más canales hasta que estén listos. Un operador que instale un sistema WDM puede comenzar solo con los transmisores y receptores necesarios para los pocos canales iniciales. Más tarde, a medida que aumenta la demanda de capacidad, se pueden conectar equipos adicionales para abrir nuevas longitudes de onda.

Aprovechar al máximo WDM a menudo requiere actualizar cables más antiguos agregando componentes que compensen un efecto molesto llamado dispersión cromática. Esto se refiere a la tendencia de un pulso de luz corto a estirarse a medida que viaja a través de una fibra debido al hecho de que algunas longitudes de onda viajan más rápido que otras. La dispersión mancha los pulsos de luz y, por lo tanto, limita la velocidad de transmisión. Evitar este fenómeno es especialmente importante en los cables submarinos, donde las señales de luz deben viajar a través de varios miles de kilómetros de fibra de costa a costa. Las nuevas instalaciones pueden aprovechar las fibras diseñadas para un rendimiento óptimo de WDM, desarrolladas recientemente tanto por Lucent como por Corning (Corning, Nueva York).

El año pasado, el primer gran cable submarino diseñado para operaciones de múltiples longitudes de onda, llamado Atlantic Crossing 1, comenzó a enviar 2.5 Gbit / sa cuatro canales de longitud de onda en cada uno de sus cuatro pares de fibras. La capacidad de este sistema se puede actualizar a 16 longitudes de onda por fibra a esa velocidad, dice Patrick R. Trischitta, director de marketing técnico de Tyco Submarine Systems Laboratories en Holmdel, Nueva Jersey. Eso promete un total de 160 Gbit / s a ​​través del cable, un bucle que conecta los Estados Unidos con Gran Bretaña, los Países Bajos y Alemania.

Project Oxygen sube el listón. La tecnología WDM más nueva transportará 10 Gbit / s en cada una de las 16 longitudes de onda a través del océano en cuatro pares de fibras, una capacidad total de 640 Gbit / s por cable. Eso es más de 1.000 veces la capacidad del primer cable transatlántico de fibra óptica, que comenzó a funcionar hace apenas una década. En última instancia, todo el sistema incluirá 168.000 kilómetros de cable, suficiente para dar la vuelta al mundo cuatro veces. Otros grupos están planeando más sistemas de cables submarinos, aunque ninguno es tan ambicioso. No es de extrañar que Clark, del MIT, prediga que nos vamos a ahogar en fibra.

En tierra, las compañías telefónicas regionales apenas han comenzado a adoptar la multiplexación por longitud de onda. El año pasado, Bell Atlantic comenzó a probar WDM en un cable de 35 kilómetros entre Brunswick y Freehold, Nueva Jersey, dice Robert A. Gallo, el ingeniero de Bell Atlantic a cargo de la prueba. Cada uno de los cuatro canales transportaba señales a velocidades de 2,5 Gbit / s, la tasa máxima entre las oficinas de conmutación de la empresa, y el sistema construido por Ciena tiene ranuras para hasta 16 canales de longitud de onda. Bell South probó tres de 16 canales en un sistema similar en un cable de 80 kilómetros entre Granada y Greenwood, Mississippi. La economía es clara: es más barato agregar capacidad WDM que agregar fibra nueva, dice Cooperson, analista de RHK.

Se aplican reglas diferentes a los cables más cortos que unen las oficinas de conmutación con los principales clientes comerciales. Aquí, en el llamado mercado metropolitano, el costo de aumentar la cantidad de fibra no es un problema tan grande porque los recorridos son mucho más cortos, explica Cooperson. Aún así, WDM mejora la transmisión de la señal de otras formas importantes. Una es transportar señales en sus formatos digitales originales en lugar de convertirlas en la codificación digital utilizada dentro de la red telefónica. Debido a que dicha conversión requiere componentes electrónicos costosos, puede resultar más económico dedicar una longitud de onda para la transmisión de un extremo a otro en el formato original.

La capacidad de clasificar las señales por longitud de onda debería agilizar el funcionamiento de las futuras redes de fibra óptica. Tradicionalmente, las compañías telefónicas organizan las señales digitales en una jerarquía de tasas de bits, fusionando muchos afluentes de baja tasa de bits en poderosos ríos digitales que transportan gigabits por segundo. Esto empaqueta bits de manera eficiente en las líneas de transmisión, pero requiere descomprimir todo el flujo de bits para extraer señales individuales. Sin embargo, si las señales están organizadas por longitud de onda, una óptica simple puede detectar el canal de longitud de onda deseado sin molestar a los demás. Los ingenieros hablan de agregar una nueva capa óptica al sistema de telecomunicaciones. Los clientes pueden arrendar una longitud de onda en esta capa óptica en lugar de ceder el derecho a transmitir a una velocidad de datos específica. Una estación de televisión, por ejemplo, podría reservar una longitud de onda de su estudio a su transmisor y otra a la compañía de cable local, y transmitir ambas señales en formatos de video digital que no se utilizan en la red telefónica.

El apretón definitivo

Dado que la demanda de ancho de banda no muestra signos de desaceleración, los desarrolladores de sistemas WDM ya están pensando en cómo empaquetar más longitudes de onda en la misma fibra. Por el momento, se están investigando dos enfoques básicos, y los límites de ambos son evidentes.

Un enfoque consiste en reducir el espacio entre las longitudes de onda, eligiendo longitudes de onda más cercanas entre sí para transportar la multiplicidad de señales. Empacar longitudes de onda más cercanas funciona bien hasta cierto punto, pero finalmente choca con la física básica. A medida que aumentan las velocidades de bits, los pulsos ópticos se vuelven más breves y, siguiendo los dictados del principio de incertidumbre de Heisenberg, este acortamiento obliga a la señal de luz a extenderse por un rango más amplio de longitudes de onda. Esta propagación puede causar interferencias entre canales poco espaciados. El sistema de mayor capacidad de Lucent maneja 10 Gbit / s en canales de longitud de onda separados por 0,8 nanómetros, pero solo 2,5 Gbit / s cuando el espaciado de canales se reduce a la mitad. Y pocos expertos piensan que los canales se pueden apretar mucho más. Entre los principales proveedores, solo Hitachi Telecom de Norcross, Ga., Habla de modular canales individuales a 40 Gbit / s, y admite que esas señales solo pueden abarcar distancias limitadas.

tecnologías emergentes para empresas

Los prospectos se ven mejor con la segunda opción: expandir el rango de longitudes de onda de transmisión. Pirelli, por ejemplo, utiliza tres amplificadores de fibra de erbio, optimizados para bandas separadas entre 1.525 y 1.605 nanómetros, para comprimir 128 canales de longitud de onda a 10 Gbit / s cada uno en una sola fibra. Lucent ha demostrado amplificadores de erbio que cubren un rango similar en el laboratorio, y el año pasado introdujo una nueva fibra óptica que abre un bloque del espectro de alrededor de 1.400 nanómetros, olvidado durante mucho tiempo. Aún no hay buenos amplificadores ópticos disponibles para otras longitudes de onda.

Sin embargo, para que WDM alcance su máximo potencial, se necesitará más que simplemente empaquetar en longitudes de onda adicionales. También será necesario desarrollar mejores equipos para conmutar y manipular las distintas longitudes de onda después de que la señal emerja del tubo óptico. Los interruptores ópticos se están acercando a las aplicaciones comerciales prácticas, dice el analista Mack de KMI. Sin embargo, agrega que para emular completamente lo que sucede en las conexiones cruzadas digitales, es necesario reasignar y reasignar las longitudes de onda. Es imposible asignar la misma longitud de onda a un cliente en todo un sistema porque la enorme red tiene muchos más clientes que longitudes de onda.

La siguiente ilustración muestra cómo las señales de San Francisco y Cupertino llegan a Palo Alto en la misma longitud de onda, ambas con destino a San José. El nodo de Palo Alto debe convertir una señal a una longitud de onda diferente para el tramo final de su viaje, de modo que los mensajes que transportan no se confundan irremediablemente. La conversión de longitud de onda ahora debe adoptar el mismo enfoque de fuerza bruta que los regeneradores, convirtiendo la señal óptica en una electrónica que pueda impulsar un transmisor en la longitud de onda de salida. Los enfoques de conversión totalmente óptica, aunque se demostraron en el laboratorio, aún tienen que alcanzar la practicidad comercial.

Sin embargo, incluso si estos problemas técnicos se resuelven, eso no será suficiente para que la tecnología realmente extienda sus alas. Para eso, el precio también tendrá que bajar, una trayectoria que, según los expertos, ya se ha hecho evidente. Adel Saleh, jefe del departamento de investigación de acceso de banda ancha de AT&T Labs en Red Bank, Nueva Jersey, proyecta que el costo por nodo de red se reducirá en un factor de 10 cada cinco años, a partir de $ 1 millón en 1995. Durante el próximo año o dos, dice, WDM será económico solo para redes troncales. Una vez que el costo baje a $ 100,000 por nodo, la tecnología tendrá sentido para las redes metropolitanas y regionales, comenzando con el servicio a las grandes empresas. Saleh espera que el acceso residencial en grandes edificios de apartamentos siga después de que los costos caigan a $ 10,000 por nodo alrededor de 2005, con WDM llegando a hogares individuales una vez que los costos bajen a alrededor de $ 1,000 en 2010.

La verdadera fuerza de WDM radica en cómo expande las vías respiratorias ópticas para que todos puedan inhalar más oxígeno de la información. En los albores de la era de la radio, cada transmisor gritó en todo el espectro de radio, bloqueando otras señales durante su transmisión. Luego, los ingenieros aprendieron a construir circuitos que sintonizaban cada transmisor en su propia frecuencia, abriendo el espectro de radio a las muchas estaciones que podemos escuchar hoy. De la misma manera, WDM reemplaza un solo flujo de bits en blanco y negro con una multitud de señales de diferentes colores.

WDM está creando enormes nuevas canalizaciones de información que brindarán un mejor servicio a menor costo. Pero la verdadera revolución de la información no llegará hasta que las canalizaciones de WDM baratas lleguen a las residencias individuales. Las conexiones de módem de hoy siguen siendo cuellos de botella, lo que nos obliga a sorber el torrente de datos a través del equivalente electrónico de una pajita de plástico delgada. Pero prepárese: a medida que la fibra llega a casa, su propia longitud de onda podría generar una fuente burbujeante de bits.

esconder

Tecnologías Reales

Categoría

Sin Categorizar

Tecnología

Biotecnología

Política De Tecnología

Cambio Climático

Humanos Y Tecnología

Silicon Valley

Informática

Revista Mit News

Inteligencia Artificial

Espacio

Ciudades Inteligentes

Blockchain

Artículo De Fondo

Perfil De Exalumnos

Conexión De Exalumnos

Característica De Noticias Del Mit

1865

Mi Vista

77 Mass Ave

Conoce Al Autor

Perfiles De Generosidad

Visto En El Campus

Cartas De Exalumnos

Función De Noticias Del Mit

Cadena De Bloques

Perfil De Ex Alumnos

77 Avenida De Masas

Política Tecnológica

Perfiles En Generosidad

Noticias

Revista De Noticias Del Mit

Elecciones 2020

Con Índice

Bajo La Cúpula

Manguera

Historias Infinitas

Proyecto De Tecnología Pandémica

Del Presidente

Artículo De Portada

Galería De Fotos

Recomendado