Tecnología MEMS
La tecnología MEMS (microelectromechanical systems) básica consiste en espejos móviles que enrutan los haces de luz de acuerdo con sus destinos. Otras estructuras más complicadas pueden incluir también conmutadores de fibra y moduladores.El principio de funcionamiento de un conmutador óptico basado en MEMS 2D consiste en una matriz de microespejos que pueden activarse por medio de señales eléctricas. Las señales ópticas de entrada viajan paralelamente a la superficie donde se sitúan los espejos hasta que encuentran un espejo que las refleja/redirige hacia una dirección perpendicular. De este modo, controlando la posición de los espejos activos es posible enrutar las señales de las fibras de entrada hacia cada una de las fibras de salida.
Pero esta configuración planar no puede escalarse con facilidad por encima de las 32 entradas y 32 salidas, ya que el número de espejos o de rutas de conmutación crece de forma exponencial con el número de puertos. Por ejemplo, 2 puertos requieren solamente 4 espejos, mientras que 32 puertos requieren 1024 espejos. Además, conforme el número de espejos aumenta también lo hace la distancia que deben recorrer las señales desde un punto a otro del conmutador. Esta distancia está relacionada con la capacidad que poseen los espejos de redirigir los haces de forma precisa y con bajas pérdidas. Es decir, las tolerancias exigidas en la alineación de los espejos resultan prohibitivas para dispositivos con tamaños por encima de los 32 x 32 puertos. No obstante, la tecnología MEMS 2D resulta muy adecuada para aplicaciones donde confluyen un número reducido de fibras y ya se encuentra disponible comercialmente desde hace más de dos años. Por ejemplo, desde 1999 la empresa Optical Micro Machines Inc. ha facilitado matrices 4 x 4, 8 x 8 y 16 x 16 ha diversos integradores.
En este sentido, el mercado de los conmutadores fotónicos puede dividirse en dos partes diferenciadas: unas pocas aplicaciones sofisticadas y miles de funciones más simples. La mayoría de los proveedores de tecnología fotónica de conmutación se encuentran compitiendo en el segundo sector que engloba un volumen de mercado de funciones de conmutación de pequeña y media escala, tales como OADMs y OXCs metropolitanos, dispositivos de protección de red y monitorización de longitudes de onda. El mercado está caracterizado principalmente por pequeños proveedores (la mayoría start-ups) que se centran en una tecnología de conmutación específica para una aplicación determinada, siendo las dos mayores aplicaciones OADMs y OXCs. Aquí es donde tiene cabida la tecnología MEMS 2D.
Ahora bien, tal y como se ha comentado anteriormente, conforme crece el requisito de número de fibras que debe manejar el conmutador, la tecnología MEMS 2D deja de ser adecuada. En el caso de grandes intersecciones de red donde confluyen cientos de fibras transportando miles de canales, la alternativa la constituye la tecnología MEMS 3D. A diferencia de las matrices 2D donde una serie de espejos dirigen las señales hacia un número de rutas limitado, los espejos de una matriz 3D se inclinan independientemente para dirigir los haces de una matriz a otra. Dado que los espejos individuales de la matriz 3D permiten varias rutas de conmutación, un aumento del número de puertos tiene un menor impacto sobre el tamaño de la matriz. Por ejemplo, 1000 puertos requieren la colocación de 2000 espejos en el interior del conmutador. No obstante, los conmutadores MEMS 3D requieren una electrónica y un software de control bastante sofisticados que aseguren que los espejos permanecen alineados de forma precisa. Sin lugar a dudas, uno de los mayores retos a la hora de producir sistemas MEMS de gran escala consiste en conectar la electrónica de cada espejo, el cual puede tener tres o cuatro electrodos para dirigirlo. Por todo ello, los costes de funcionamiento asociados hacen que las matrices 3D sean interesantes únicamente en el caso de aplicaciones de gran escala.
Normalmente, cuando aparece una nueva tecnología en el mercado, inicialmente se introducen sus modelos más simples y posteriormente van evolucionando hasta cumplir con las nuevas demandas cada vez más sofisticadas. Sin embargo, en el caso del mercado de los conmutadores fotónicos completamente ópticos se ha producido lo contrario. La demanda inmediata de los operadores de grandes redes de telecomunicaciones ha ido en la línea de conmutadores fotónicos capaces de manejar el tráfico de las redes troncales. Estas redes interconectan entre sí multitud de redes regionales y metropolitanas, por lo que resulta predecible que los dispositivos de conmutación necesarios sean mucho más sofisticados y costosos. Sin embargo, dado que las redes troncales sirven a un gran número de clientes, los operadores pueden amortizar más fácilmente el desembolso económico previo. Precisamente por ello los proveedores de sistemas finales han visto en la tecnología 3D un importante volumen de negocio. Entre los fabricantes de tecnología MEMS 3D se encuentran por ejemplo: Agere Systems, Nortel Networks, JDS Uniphase o Integrated Micromachines.
Efecto termo-óptico
Con la intención de competir con la tecnología MEMS han aparecido también en el mercado diversos proveedores de conmutadores termo-ópticos, como por ejemplo Agilent Technologies, Lynx Photonic Networks, Nanovation o NTT Electronics Corp. Estos dispositivos consisten básicamente en emplear calor para activar el mecanismo de conmutación. La mayoría de los dispositivos existentes en esta categoría enrutan las señales ópticas sobre un plano 2D al igual que ocurre con los MEMS, si bien tienen bastante poco en común con esta tecnología. Como ejemplo, Agilent ha desarrollado un conmutador termo-óptico basado en burbujas a partir de su tecnología de impresoras de inyección de tinta. El dispositivo consiste en un conjunto de guías de onda que se intersectan entre sí, existiendo en cada punto de intersección un fluido con el mismo índice de refracción que las guías. De este modo, la luz inicialmente atraviesa dichas intersecciones de forma transparente. Ahora bien, microcalentando la zona del fluido se forma una pequeña burbuja que desvía el haz de luz hacia otra ruta. La empresa ha desarrollado módulos de 32 x 32 puertos y apilando 64 de éstos se pueden conseguir sistemas de 512 x 512. La función intrínseca del conmutador lo hace muy apropiado para la construcción de OADMs de interconexión de anillos metropolitanos con la red troncal.
Otro dispositivo con un principio de funcionamiento similar al anteriormente comentado y diseñado por NTT se basa en el efecto de termocapilaridad. En este caso, en cada punto de cruce se coloca un capilar relleno de aceite. A cada lado del capilar se sitúan unos microelementos que generan calor y permiten desplazar el fluido de un lado a otro. De este modo, estos calentadores alternan la posición de una burbuja y consiguen que el haz de luz se transmita o refleje en el punto de cruce, actuando como una puerta óptica. La principal desventaja de este dispositivo de conmutación, no obstante, es que no puede escalarse con facilidad debido a sus requisitos de potencia y a las pérdidas ópticas que introduce. Su tamaño se encuentra limitado en torno a los 16 x 16 puertos, si bien esto no resulta un factor crítico debido a que su principal aplicación es como dispositivo de protección de red. Los conmutadores de protección se encuentran habitualmente "dormidos" hasta que se necesitan, y entonces deben actuar de forma rápida y sin ningún tipo de fallo. Normalmente se requieren respuestas del orden de milisegundos para evitar una interrupción del tráfico de la red. Con este tipo de dispositivos se obtienen tiempos de conmutación inferiores a los 50 ms.
Por último, una arquitectura adicional de conmutador fotónico basado en el efecto termo-óptico consiste en un interferómetro Mach-Zehnder en el cual la señal se separa en la entrada en dos guías de onda y se vuelve a combinar a la salida. Si se aplica calor a una de las guías de onda ésta cambia la longitud de la guía óptica, colocando ambos haces en oposición de fase y bloqueando la luz. En cambio, si los caminos son idénticos la fase se mantiene y el conmutador permanece abierto. Debido al principio de funcionamiento de este conmutador, presenta la posibilidad de realizar funciones adicionales tales como: multidifusión ponderada y gestión dinámica de potencia. En el caso de la multidifusión ponderada permite enrutar las señales de entrada a más de una salida y con distintos niveles de potencia, lo cual resulta muy apropiado para gestionar los múltiples protocolos y niveles de potencia que caracterizan el entorno metropolitano.
Otro dispositivo con un principio de funcionamiento similar al anteriormente comentado y diseñado por NTT se basa en el efecto de termocapilaridad. En este caso, en cada punto de cruce se coloca un capilar relleno de aceite. A cada lado del capilar se sitúan unos microelementos que generan calor y permiten desplazar el fluido de un lado a otro. De este modo, estos calentadores alternan la posición de una burbuja y consiguen que el haz de luz se transmita o refleje en el punto de cruce, actuando como una puerta óptica. La principal desventaja de este dispositivo de conmutación, no obstante, es que no puede escalarse con facilidad debido a sus requisitos de potencia y a las pérdidas ópticas que introduce. Su tamaño se encuentra limitado en torno a los 16 x 16 puertos, si bien esto no resulta un factor crítico debido a que su principal aplicación es como dispositivo de protección de red. Los conmutadores de protección se encuentran habitualmente "dormidos" hasta que se necesitan, y entonces deben actuar de forma rápida y sin ningún tipo de fallo. Normalmente se requieren respuestas del orden de milisegundos para evitar una interrupción del tráfico de la red. Con este tipo de dispositivos se obtienen tiempos de conmutación inferiores a los 50 ms.
Por último, una arquitectura adicional de conmutador fotónico basado en el efecto termo-óptico consiste en un interferómetro Mach-Zehnder en el cual la señal se separa en la entrada en dos guías de onda y se vuelve a combinar a la salida. Si se aplica calor a una de las guías de onda ésta cambia la longitud de la guía óptica, colocando ambos haces en oposición de fase y bloqueando la luz. En cambio, si los caminos son idénticos la fase se mantiene y el conmutador permanece abierto. Debido al principio de funcionamiento de este conmutador, presenta la posibilidad de realizar funciones adicionales tales como: multidifusión ponderada y gestión dinámica de potencia. En el caso de la multidifusión ponderada permite enrutar las señales de entrada a más de una salida y con distintos niveles de potencia, lo cual resulta muy apropiado para gestionar los múltiples protocolos y niveles de potencia que caracterizan el entorno metropolitano.
Cristales líquidos
Los cristales líquidos se utilizaron originariamente para conmutar la luz, si bien las prestaciones de los primeros dispositivos no eran adecuadas para los estándares de telecomunicaciones. Expuestos a bajas temperaturas podían causar diafonía y además su respuesta era muy lenta (varios cientos de milisegundos). Pero la situación ha cambiado últimamente cuando diversas empresas de tecnología fotónica (Chorum Technologies Inc. y Spectra-Switch Inc.) han desarrollado conmutadores de pequeña escala (1x2, 2x2 ó 1x8) basados en cristales líquidos que operan a altas velocidades de conmutación. Los tiempos de conmutación se sitúan en torno a 1-4 ms, siendo muy adecuados para aplicaciones de protección y restauración de red, así como test remoto de fibras, OADMs de pequeña escala y monitores de longitud de onda. Los conmutadores para la monitorización de la longitud de onda desvían una parte de la señal hacia medidores de potencia, analizadores de espectro u otro tipo de equipos de medida. Este tipo de aplicación requiere la realización de billones de ciclos de conmutación durante el tiempo de vida del dispositivo, por lo que la ausencia de partes móviles y el bajo consumo de potencia de los cristales líquidos los convierte en el candidato ideal para aplicaciones de prueba y medida donde se requiere gran volumen de ciclos de conmutación.
Un conmutador 1x2 basado en cristal líquido se utiliza para rotar la polarización del haz de luz por medio de una tensión de control. Posteriormente, un divisor de polarización enruta la señal hacia una de las dos posibles salidas de acuerdo con el estado de polarización de la misma. Otro tipo de conmutador también basado en cristales líquidos y desarrollado por la empresa Digilens Inc. es aquel en el que éstos se dispersan sobre un substrato de polímero siguiendo la forma de una red de difracción de Bragg. De este modo, aplicando una tensión al polímero los cristales se reorientan para controlar tanto la longitud de onda como la atenuación de la luz. Esto le proporciona al conmutador la habilidad para realizar funciones adicionales tales como ecualización de señales WDM y multidifusión ponderada.
Un conmutador 1x2 basado en cristal líquido se utiliza para rotar la polarización del haz de luz por medio de una tensión de control. Posteriormente, un divisor de polarización enruta la señal hacia una de las dos posibles salidas de acuerdo con el estado de polarización de la misma. Otro tipo de conmutador también basado en cristales líquidos y desarrollado por la empresa Digilens Inc. es aquel en el que éstos se dispersan sobre un substrato de polímero siguiendo la forma de una red de difracción de Bragg. De este modo, aplicando una tensión al polímero los cristales se reorientan para controlar tanto la longitud de onda como la atenuación de la luz. Esto le proporciona al conmutador la habilidad para realizar funciones adicionales tales como ecualización de señales WDM y multidifusión ponderada.
Efecto acusto-óptico
Algunas compañías (Gooch & Housego plc y Light Management Group) han desarrollado diferentes estructuras de conmutadores fotónicos basados en efectos acusto-ópticos. Uno de ellos consiste en dos fibras fusionadas formando una forma parecida a una "X". Los núcleos de estas fibras se configuran para permitir que longitudes de onda específicas se desplacen de una a otra fibra cuando se aplican ondas acústicas. Por otro lado, otro de los conmutadores se basa en dos cristales que vibran a determinadas frecuencias. Cambiando la frecuencia de vibración, cada cristal desvía la luz con un cierto ángulo. Uno de los cristales controla el movimiento horizontal mientras que el otro proporciona control vertical, de tal forma que el haz puede dirigirse a una coordenada X-Y específica de la salida.
El conmutador puede escalarse por encima de los 1000 puertos, lo cual le permitiría competir con la tecnología MEMS, si bien su ámbito de aplicación son fundamentalmente los puntos de conexión entre las redes metropolitanas y el núcleo de red. Las pérdidas de inserción de 8 dB del conmutador se encuentran en el límite de la industria, y sus 20 nm de ancho de banda suponen un límite para su comercialización en sistemas WDM. Entre las ventajas de esta tecnología se tiene un tiempo de conmutación de tan sólo 5 microsegundos y una gran repetibilidad de la precisión con una reducida deriva térmica.
El conmutador puede escalarse por encima de los 1000 puertos, lo cual le permitiría competir con la tecnología MEMS, si bien su ámbito de aplicación son fundamentalmente los puntos de conexión entre las redes metropolitanas y el núcleo de red. Las pérdidas de inserción de 8 dB del conmutador se encuentran en el límite de la industria, y sus 20 nm de ancho de banda suponen un límite para su comercialización en sistemas WDM. Entre las ventajas de esta tecnología se tiene un tiempo de conmutación de tan sólo 5 microsegundos y una gran repetibilidad de la precisión con una reducida deriva térmica.
Conmutadores electroholográficos
Este tipo de conmutadores suponen una prometedora tecnología para competir con los MEMS de gran escala. Según argumenta la empresa Trellis Photonics, proveedora de esta tecnología, los MEMS controlan las rutas de las señales, pero no tienen ninguna inteligencia intrínseca sobre la naturaleza o los atributos de dichas señales. Esto requiere equipamiento adicional para el filtrado y ecualización de las longitudes de onda que entran y salen de la matriz de conmutación, lo cual conduce a un aumento de la complejidad y del coste.
En cambio, un conmutador electroholográfico presenta una estructura consistente en una matriz de cristales. Las longitudes de onda que entran por la línea inferior se separan en diferentes columnas y cada una de ellas puede dirigirse hacia cualquier fibra de salida. Por su parte, cada cristal integra una red de difracción de Bragg holográfica que, cuando se le aplica una tensión, desvía una longitud de onda a un determinado puerto de salida. Adicionalmente, si la tensión aplicada se atenúa entonces disminuye la potencia óptica de la señal, mientras que si se elimina todas las longitudes de onda lo atraviesan. Este conmutador permite multidifusión y gestión dinámica de potencia. Además, las potencias residuales de los haces de cada canal acceden a un puerto de control que permite monitorizar las longitudes de onda.
En cambio, un conmutador electroholográfico presenta una estructura consistente en una matriz de cristales. Las longitudes de onda que entran por la línea inferior se separan en diferentes columnas y cada una de ellas puede dirigirse hacia cualquier fibra de salida. Por su parte, cada cristal integra una red de difracción de Bragg holográfica que, cuando se le aplica una tensión, desvía una longitud de onda a un determinado puerto de salida. Adicionalmente, si la tensión aplicada se atenúa entonces disminuye la potencia óptica de la señal, mientras que si se elimina todas las longitudes de onda lo atraviesan. Este conmutador permite multidifusión y gestión dinámica de potencia. Además, las potencias residuales de los haces de cada canal acceden a un puerto de control que permite monitorizar las longitudes de onda.
Este método no bloqueante de enrutamiento de señales WDM integra además un balance de potencias adaptativo en el interior del conmutador para asegurar que las potencias de salida de todas las longitudes de onda se mantienen dentro de las tolerancias de la red WDM. Pero sin lugar a dudas, una de las grandes ventajas de esta tecnología es su velocidad de conmutación (tiempos de conmutación de tan sólo 10 ns). En las redes actuales no son necesarias velocidades de conmutación tan rápidas y el resto de tecnologías son adecuadas. Sin embargo, la tecnología electroholográfica tiene una ventaja a largo plazo cuando los operadores decidan implementar redes ópticas de conmutación de paquetes y no el actual esquema SONET/SDH. En estas futuras redes serán necesarios nodos capaces de enrutar las señales en tiempos de nanosegundos.
Aderlis S. Marquez G.
EES Seccion 2
http://www.ercoasl.com/index.php/id/2/objeto/14/claves/Tecnicas-de-demultiplexacion-y-conmutacion-opticas-Parte-I
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