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Tema 3: Interfaces Ópticos 1.1.-Evolución. 1.2.- Estándares ITU. 1.3.- Implementaciones. Soluciones discretas Soluciones integradas 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 1 Objetivo Normativa ITU-T Discusión de los aspectos generales de la estandarización y relación de las Recomendaciones mas relevantes de la ITU-T en relación con: ¾ tipos de fibras ópticas, ¾ interfaces ópticos, ¾ bandas WDM Interfaces Ópticos. Analizar la evolución de los interfaces ópticos, sus implementaciones y los estándares ITU relacionados. Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 2 General Ultimas 2 décadas: los sistemas ópticos han evolucionado desde configuraciones simples punto a punto operando a una única longitud de onda (λ) a arquitecturas mas complejas punto-multipunto, multitramo y con múltiples λs. En dicho contexto la Unión Internacional de Telecomunicación ha desarrollado un amplio abanico de interfaces ópticos, comenzando con aplicaciones PDH y continuando con SDH/SONET, DWDM y OTN. Los sistemas han migrado desde soluciones propietarias a soluciones estandarizadas que proporcionan unas condiciones industriales de alto volumen de producción a coste efectivo Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 3 Perspectiva histórica 1980 - 1988. Recomendaciones G.955 y G.956 (G.955 desde 1990 ).Se especifica los sistemas de línea de la jerarquía plesiócrona PDH, basada en la trama básica de 1,544 Mb/s (mercado USA y Canadá) y de 2,048 Mb/s (mercado europeo). Se especifica las características de la planta de fibra óptica, principalmente la atenuación y dispersión. Supone un compatibilidad longitudinal. El TX y RX de un cierto enlace, con características estandarizadas, deben ser del mismo suministrador En 1988, Bellcore (actualmente Telcordia) y asumido por ITU especifica SDH/SONET. introduce el concepto de desarrollo de equipos inter-operables, independiente del fabricante. Además de definir las características de la planta de fibra es necesario especificar los parámetros a la salida del TX (punto S) y a la entrada de RX (punto T). Este principio de especificación se denominó compatibilidad transversal. En la compatibilidad transversal no se especifica la distancia del enlace, sólo se especifica las características de la fibra: margen de atenuación, dispersión cromática y retardo diferencia de grupo. dispersión La distancia se usa para la clasificación del enlace. La compatibilidad transversal es el método de estandarización elegido por ITU para los interfaces ópticos Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 4 Evolución 2 últimas décadas. El concepto y la tecnología de diseño y fabricación de los interfaces ópticos han migrado desde diseños propietarios y específicos de compañía con componentes discretos hacia transceptores (TX+RX) en formato estándar, según acuerdos multi-suministrador (Multi-Source-Agreements), que satisfacen las especificaciones de ITU y Telcordia . Las actuales aplicaciones SDH/SONET/OTN ofrecen un abanico completo de especificaciones de interfaces ópticos que satisfacen la compatibilidad transversal. Los diseños iniciales de bajo volumen de fabricación eran de relativamente alto coste. Actualmente, en particular los productos a bajas velocidades entre 155 Mbit/s y 2,5 Gbit/s disponibles por un amplio abanico de suministradores, son fabricados en volúmenes altos y a precios muy competitivos (commodity products). Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 5 Fibra Óptica (1) Rec. ITU Título G650.1 Definición y métodos de prueba para los atributos lineales y determinísticos de las fibras monomodo y cables Definición y métodos de prueba para los atributos estadísticos y no lineales de las fibras monomodo y cables Características de un cable de fibra óptica multimodo de 50/125 µm, de IG. Características de un cable de fibra óptica (convencional) monomodo G650.2 G.651 G.652 Cat. A F.O básica Cat. B Requisitos de Dispersión de Polarización modal (PMD) para aplicaciones a 10 Gb/s Cat. C Requisitos adicionales para operación en el margen de λs de 1360-1530 nm para aplicaciones CWDM Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 6 Fibra Óptica (2) Rec. ITU Título G.653 Características de un cable de fibra óptica monomodo de dispersión desplazada Características de un cable de fibra óptica monomodo de corte desplazado G.654 G.655 Características de un cable de fibra óptica monomodo de dispersión desplazada de dispersión no-nula G.656 Características de un cable de fibra óptica monomodo con dispersión no-nula para transporte óptico de banda amplia Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 7 WDM Bandas: G.Sup39. Banda Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U Descripción Original Extendida Longitud de Onda Corta Convencional Longitud de Onda Larga Longitud de Onda Ultralarga Rango (nm) 1260 – 1360 1360 – 1460 1460 – 1530 1530 – 1565 1565 - 1625 Efectos No Lineales. G. 663. “Aspectos relacionados con la aplicaciones de los dispositivos y subsistemas de los Amplificadores ópticos” Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 8 Recomendaciones ITU. (1) Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 9 Recomendaciones ITU (2) Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 10 Interfaces Ópticos e ITU Rec. Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 11 Interfaces Ópticos e ITU Rec. Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 12 Convenio de Códigos y Distancias ITU naming Redes03- 31/10/2007 Telcordia naming Target Distance Prof. Dr. A. Aguilar 13 Sistemas SDH. STM-16 Margen de Potencia dB Short 0 0 - 12 25 S - 16.1 1310 nm 23 10 - 20 42 L - 16.1 Long 0 0 - 12 46 S - 16.2 STM16 10 - 20 37 62 62 16 - 28 0 L - 16.2 50 1550 nm Joint 94 L- 16.2JEEngineering 100 Longitud Enlace (km) J.E. Ingeniería Mixta (acuerdo entrefabricantes) Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 14 Redes SDH. Rec. ITU-T relacionadas Recomendación G.783. Características de los bloques funcionales de los equipos SDH Recomendación G.803. Arquitectura de las redes de transporte basadas en SDH. Recomendación G.841. Tipo y características de las arquitecturas de protección de la red SDH. Recomendación G.842. Arquitecturas de protección de interconexión de redes SDH Recomendación G.872. Interfaces normalizados Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 15 OTN. Rec.ITU-T relacionadas Recomendación G.798. Características de los bloques funcionales de los equipos OTN Recomendación G.872. Arquitectura de las redes OTN Recomendación G.873.1. OTN. Protección lineal. Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 16 INFERFACES ÓPTICOS Soluciones Discretas. Décadas 80 y 90 Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 17 Equipos. Multiplex PCM. 2Mbps (30+2 ch. B) Equipo Terminal a 2 Mb/s Equipos de medida Repetidor a 140 Mbps Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 18 Tecnología de 140 Mbit/s – 2,5 Gbit/s Los TX y RX ópticos estaban motados sobre placas de circuito impreso diseñados y construidos usando elementos discretos: Dispositivos E/O: láser y pin-FET (Fotodetector + Pre-amplificador) encapsulados (tipo DIL, Butterfly, coaxial) con la fibra acoplada y Circuitos electrónicos correspondientes: ¾ TX: Circuito excitador (polarización y modulación), Circuitos de control, ¾ RX: con fibra acoplada, Amplificador y Circuito de decisión Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 19 140–622 Mbit/s. Módulo Láser Típicamente contiene: el chip láser, fotodiodo monitor, TEC (en su caso) y la fibra acoplada. Los primeros láseres fueron del tipo FP o láseres multimodo. Posteriormente del tipo DFB, operando a 1550 nm y anchura espectral mas estrecha (requisitos para distancias de hasta 80 km). Encapsulado tipo DIL (Dual-In-Line) de 14 pines con TEC, Estándar de facto y fácil de implementar en un entorno general de fabricación. ¾ Proporciona alta estabilidad. ¾ El TEC es el elemento menos fiable del módulo Potencia de pico acoplada ≈ 1 mW Con un acoplamiento menos crítico entre chip láser y fibra, aparecieron dispositivos trabajando a 1310 nm y con una potencia acoplada de 0,1 mW. En un sistema de producción de alto volumen, la mayor parte del coste del dispositivo láser está en el acoplamiento óptico. Para aplicaciones de corto y medio alcance se utilizan láseres de bajo coste (ITU. Rec. 957). A principio de los 90 surgió el encapsulado coaxial de pequeño tamaño con fibra acoplada (estándar de facto) . No incluye elemento de enfriamiento TEC, Permitió la migración hacia el uso de estos transmisores para casi todas las aplicaciones con distancias de hasta 80 km y velocidades de hasta 622 Mbit/s Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 20 140–622 Mbit/s. Módulo RX Su evolución ha sido mas lenta. Para obtener una baja sensibilidad (estandarizada), en la mayoría de los casos se requiere adicionalmente una etapa de bajo ruido con semiconductores, como FETs de GaAs o preamplificadores IC. Tipos de encapsulados: DIL y coaxial. Tipos de fotodetectores: Inicialmente, solo pin. ¾ Bajo coste ¾ Apropiado para velocidades de hasta 622 Mbi/s y distancias de hasta 80 km Posteriormente, APD. ¾ Mejora la sensibilidad. ¾ Se usó inicialmente hasta 622 Mbit/s y distancias de hasta 120 km. Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 21 Tecnología 2,5 Gbit/s (1) 1er sistema a principios de los 90. Suponía un paso adelante en relación con los requisitos: tecnología electrónica de Alta – Frecuencia y mejores características de los módulos láser: Necesidad de un aislador para minimizar la influencia en el láser de la reflexión procedente de la conexión a la fibra del enlace. El encapsulado tradicional DIL no es adecuado. Se introdujo el tipo “butterfly”, mas adecuado para HF. Par satisfacer los requisitos de dispersión se requieren diodos láser de anchura espectral estrecho: tipo SLM (Single Longitudinal Modo) o DFB. Inicialmente los módulos láser incorporaban elemento TEC Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 22 Tecnología 2,5 Gbit/s (2) Finales de los 90. Mejora de las prestaciones de los láseres DFB: Operación sin enfriamiento Versiones miniatura del encapsulado butterfly mas adecuada para HF. ¾ 1as versiones operando a 1310 nm y posteriores a 1550 nm. Para distancias mayores de 80 km se requiere modulación externa. ¾ la modulación directa no es apropiada debido al efecto chirp (variación de la λ de emisión durante el tiempo de bit). ¾ Inicialmente el chip láser y el modulador externo se integraron en una estructura conocida como EML (External Modulated Laser). Posteriormente el chip EML consistía en dos secciones: láser, operando en continua (CW), y la sección de modulador de electro-absorción, que modula la luz emitida por la sección láser • El modulador no deja pasar la luz cuando se le aplica corriente. ¾ Adecuado para aplicaciones DWDM con espaciado de hasta 100 GHz (≈ 0,8 nm). Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 23 Tecnología 2,5 Gbit/s (3) Inicialmente se instalaron sistemas con vanos de 40-80 km (largo alcance), que requerían receptores de alta sensibilidad. Fotodiodos APD. Requisitos del encapsulado de HF. ¾ Mínimo número de pines eléctricos y dispuestos convenientemente. Integración en el RX de la etapa preamplificadora En aplicaciones de corto y medio alcance se utilizaba receptores con pin utilizando el mismo encapsulado que los basados en APD Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 24 Tecnología 10 Gbit/s TX óptico 1er diseño. Combinación de un DL de 1550 nm (CW-laser) y modulador externo de tipo Mach Zehnder (MZ). ¾ Para conseguir distancias de 80 km y superiores se necesitaba amplificadores ópticos, usados como booster o pre-amplificador. ¾ Adicionalmente se necesitaba compensación de dispersión. Necesidad de tecnología de transmisión de Alta Frecuencia: láseres, detectores, interconexiones eléctricas. ¾ Dominio de los diseños propietarios Avances tecnológicos. ¾ Modulador integrado, basado en Electro-absorción (EMLs) • Fácil de fabricar y efectivo en coste, en comparación con el MZ. • Se especificó la Rec. G. 691 para enlaces de hasta 40 km sin necesidad de AO. • Con AO se especificó SDH/SONET a 80 km. • Posteriores avances y utilización de APD se consiguió distancias superiores a 40 km sin AO Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 25 Tecnología a 40 Gbit/s La mayoría de las implementaciones actuales, canal único como multicanal WDM, son completamente propietarias. Su coste es extremadamente alto La demanda de mercado es limitada Es prematuro la creación de acuerdos industriales (MSAs) Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 26 SOLUCIONES INTEGRADAS Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 27 Versiones iniciales La Recomendación G.957 sirvió como referencia a los fabricantes para el diseño de los dispositivos TX y RX con total funcionalidad y características estandarizadas. Implementación. Módulos integrando en su interior las funciones ópticas (láser y/o fotodiodo) y electrónicas necesarias: ¾ Módulo TX: Circuitos de excitación y control del láser ¾ Módulo RX: Etapas de amplificación. Extracción de reloj, para las aplicaciones que lo requieran Encapsulado DIL, en la mayoría de los caso. Fibra óptica acoplada al módulo. Soluciones propietarias para velocidades hasta 2,5 Gbit/s Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 28 Dispositivo 1x9 Módulo transceptor (TX+RX en un módulo) Dimensiones: ancho, alto, largo en mm: 25x10x40. Conexión óptica: receptáculos de conector óptico tipo SC Interfaces eléctricos 9 pines. ¾ Tipo serie, la velocidad de las señales eléctricas es exactamente la misma que la de las señales ópticas. Van soldados en el extremo de una Placa de Circuito Impreso (PCB) ¾ Conexión óptica directa desde el exterior. Aplicaciones. ¾ Gigabit Ethernet, Canal Fibra, SDH/SONET: STM-1/OC-3 y STM-4/OC-12. ¾ Distancias cortas e intermedias Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 29 Dispositivos SFF (Small Form Factor) Objetivo: Mejora de la densidad de equipos de la red. Montaje, mediante soldadura, de varios transceptores en una única PCB. El Transceptor SSF, utiliza 2 conectores ópticos del tipo LC, mas pequeños que el SC : Ancho: 12,7 mm (la mitad que el 1x9) Interfaces eléctricos: ¾ configuraciones 2x5 y 2x10 pines. Desarrollados por acuerdos entre fabricantes (Multisource Agreement, MSA). Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 30 Dispositivos SFF (2) Aplicaciones: Las del dispositivo 1x9 mas canal fibra a 2 y 2,5 Gbit/s SDH/SONET Alcance. Pequeño e intermedio, inicialmente, operando a 1310 nm. Grande: 40-80 km, utilizando láseres mejorados SLM o DFB, sin enfriamiento, operando a 1310 nm y 1550 nm y receptores APD. Precio muy competitivo, debido a su alto volumen de fabricación por su utilización en muchas aplicaciones Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 31 Dispositivos SFF (3) Implementación. Dimensiones (mm): ancho, alto, largo 12,7x10x40 Mas información Especificaciones oficiales para MSA SSF: ¾ www.sffcommitte.org/ie/ Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 32 Dispositivos SFP (Small Form Factor Pluggable) Desarrollado bajo MSA. Similar a los SFF, pero permite (des)conexión de forma (des)enchufable eléctricamente. Esto implica que puede ser insertado/extraido individualmente de una placa activa sin afectar al servicio o al comportamiento de otros puertos en servicio. Ofrece una total flexibilidad, permitiendo mezclar varios tipos de señales en un único paquete de circuito bajo el concepto de “pagar cuando crece” En caso de fallo, solo se reemplaza el transceptor afectado. El I/F eléctrico se realiza mediante un conector de 20 pines, que proporciona todas las señales eléctricas necesarias. Dispone de un bus serie de 2 hilos para la gestión del dispositivo, a donde se accede para monitorear su comportamiento y alarmas. Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 33 Dispositivos SFP (2) Aplicaciones. Cubre todas las aplicaciones hasta 2, 5 Gbit/s y recientemente a 4 Gbit/s para aplicaciós de 4 Canal Fibra. Canal único, una longitud de onada CWDM, según ITU Recomendación G.695 ¾ Los láseres DFB, sin enfriamiento, son adecuados para una separación de canal de 20 nm. DWDM. ¾ Recientes avances en encapsulamiento y microenfriamiento de substratos ha permitido su introducción en aplicaciones DWDM a 2, 5 Gbit/s Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 34 Dispositivos SFP (3) Implementación. Dim (mm): 13,7x38x76 Compatibilidad EM. Mediante una caja protectora, montada en el frontal de la PCB. Aumenta el tamaño, reduciendo la densidad Mas información ¾ www.schelto.com/SFP/ Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 35 Transpondedores a 2,5 Gbit/s Un tranpondedor contiene funciones de (de)multiplexación. El transpondedor a 2,5 Gbit/s contiene un interfaz eléctrico de 16 canales operando cada uno a 155 Mbit/s. Desarrollado bajo MSA. Aplicaciones SDH/SONET. ¾ Canal único ¾ DWDM, soluciones propietarias Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 36 Transpondedores a 10 Gbit/s 300 pin Transponder (JDS) Dispositivo X2 (JDS) Redes03- 31/10/2007 XENPAK (JDS) Dispositivo XFP (Finisar) Prof. Dr. A. Aguilar 37 300-pin Tansponder Finales de los 90.. Interfaz eléctrico. 16 canales de 622 Mb/s. 10x30 pines Varios señales digitales de alarma y analógicas, para reportar el estado de varias partes del módulo Superficie: Inicial práctico 3,5x4,5 pulgadas. Recientemente: 2,2x3 pulgadas2 Desarrollo MSA. www.300pinMSA.org Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 38 300-pin Tansponder (2) Tecnología E/O. Alcance Muy corto (VSR). 60 m intra-office/corto a 1310 nm Corto y medio (hasta 40 kma 1550 nm. Largo (80 km): ¾ con moduladores MZ ¾ EML y APD sin amplificadores ópticos Aplicaciones: Conexión SDH-WDM, SDH/SONET, OTN (G.709) y 10 GbE Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 39 200-pin Tansponder Competidor del 300-pin transponder. Menos tamaño Demostró interés en aplicaciones intraoffice y corto alcance Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 40 XENPAK Tendencia a mejorar la densidad de equipos con funcionalidad “enchufable”. Acuerdos MSA. Requisitos EMI 2x5 pulgadas Aplicaciones: 10 GbE, SDH/SONET. Conectores ópticos: 2 tipo SC I/F eléctricos (IEEE 802.3ae), 70 pines Mas información en www.10gea.org Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 41 XFP Tamaño reducido, flexibilidad en relación co el espacio de aplicaciones Disponibilidad de la nueva generación de IC Aplicaciones: SDH/SONET STM-64/OC-192, OTN G.709, 10 GbE, Canal fibra. Alcances: ¾ Inicialmente a 1310 nm corto y medio ¾ Actualmente: a 1550 nm, EML , hasta 80 km y DWDM Tamaño: 18x71x8,5 mm3 Interfaz eléctrico: conector de 30 pines (factor dereducción x10) Conector óptico: 2 tipo LC. Diagnostico digital mediante bus serie, I2C Mas información: www.sfpmsa.org. Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 42 Tecnología a 40 Gbit/s En 2002 se anticipó como necesidad de mercado la disponibilidad comercial de dispositivos integrados, multi-suministrador de dispositivos operando a 40 Gbit/s. Se definió un MSA para un transpondedor de 300 pines similar al de 10 Gbit/s. Aplicaciones de Muy Corto alcance (VSR) según G.693. Mas detalles en www.300pinMSA.org Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 43 FIN Redes03- 31/10/2007 Prof. Dr. A. Aguilar 44
