Técnicas e arquitecturas de comutação totalmente óptica em
redes de multiplexagem densa por comprimento de onda
J. P. Carvalho1, O.Frazão1, R. Romero1, M. B. Marques1,2, H. M. Salgado1,3 1
INESC Porto – Instituto de Engenharia de Sistemas e Computadores do Porto (Rua do Campo Alegre 687; 4169 - 007 Porto)
2
Faculdade de Ciências da Universidade do Porto – Departamento de Física (Rua do Campo Alegre 687; 4169 - 007 Porto)
3
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, DEEC (Rua Dr. Roberto Frias s/n, 4250 - 465 Porto)
A comutação óptica é uma funcionalidade fundamental nas redes ópticas de próxima geração para responder aos crescentes requisitos de largura de banda nas modernas redes de comunicação. Esta comunicação apresenta o trabalho desenvolvido no INESC Porto em comutação óptica. São descritas duas técnicas diferentes que habilitam a sintonia de redes de Bragg em fibra óptica e consequentemente a sua aplicação em elementos que comutam caminhos ópticos numa rede de multiplexagem densa de comprimento de onda. Por último, apresentam-se dispositivos chave em redes de comunicação óptica como “Optical Add-Drop Multiplexers” e “Optical Cross-Connects”.
Introdução
De forma a cumprir os exigentes requisitos de uma crescente largura de banda, as redes de comunicação óptica conheceram uma grande evolução nos últimos anos. As redes de comutação baseadas na multiplexagem densa por divisão de comprimento de onda (DWDM) apresentam-se como uma solução fiável deste problema. O crescimento deste tipo de redes exige a investigação e desenvolvimento de dispositivos ópticos que permitam a comutação totalmente óptica e que possuam simultaneamente a capacidade de controlar e encaminhar os canais ópticos de forma transparente. Estas funcionalidades podem ser desempenhadas numa rede DWDM por dispositivos ópticos em fibra tais como, optical multiplexers/demultiplexers e optical cross-connects (OXC). Para além dos dispositivos referidos são alvo de estudo nesta comunicação diferentes técnicas de comutação óptica.
Técnicas de comutação óptica
Dois diferentes métodos de comutação óptica têm sido alvo de investigação: a sintonia de redes de Bragg e o recurso à óptica não-linear.
As redes de Bragg em fibra, são filtros ópticos cujo comportamento em transmissão é em tudo semelhante a um filtro passa-banda, porém as FBGs tem a propriedade intrínseca de operar em reflexão permitindo redireccionar a banda rejeitada para outro caminho óptico. É esta capacidade que torna as redes de Bragg num dispositivo interessante no âmbito das redes totalmente ópticas. O comprimento de onda de Bragg λBragg ocorre quando a constante de propagação do modo guiado no núcleo se encontra em ressonância com a modulação espacial do índice, estabelecendo a condição de Bragg: λBragg = 2 neffΛ, em que neff é o índice de refracção efectivo, Λ é o período de modulação do
índice de refracção na fibra [1].
Quando a sintonia é efectuada com recurso a redes de Bragg esta pode ser feita utilizando entre outras as seguintes técnicas: indução da variação de temperatura através de um elemento de Peltier [2], da deposição de um filme fino (Ti e Pt) envolvendo o filtro óptico [3] ou através da bombagem de uma rede de Bragg usando um díodo laser de alta potência [4]. Também é possível induzir a sintonia recorrendo à aplicação de deformação mecânica longitudinal ao filtro utilizando um elemento piezoeléctrico.
Outra alternativa é ainda a comutação baseada em efeitos não lineares, que pode ser obtida a partir da conversão de comprimento de onda em lasers em fibra gerando mistura de quatro ondas [5].
Comutação por efeitos térmicos
FBG sintonizado mediante um elemento de Peltier
As redes de Bragg em fibra óptica podem ser sintonizáveis através da variação de temperatura devido ao coeficiente de expansão térmica. Assim na presença de variações de temperatura obtemos uma
variação de comprimento de onda dominada pela alteração do índice de refracção [6]. A dependência típica da variação de comprimento de onda com a temperatura, ΔλBragg, foi definida por Morey et al [6]
tendo sido o valor teórico obtido para KT de 13,48 pm/ºC. Na prática isto corresponde acréscimo de
temperatura da rede de Bragg de cerca de 60 ºC para comutar um canal DWDM espaçado de 0,8 nm (100 GHz) em relação ao λBragg (ver Tabela 1). Esta variação de temperatura pode ser facilmente
obtida recorrendo ao uso de um elemento de Peltier. A configuração utilizada para medição de sintonia/dessintonia encontra-se esquema-tizada na Figura 1 [2]. A rede de Bragg encontra-se colocada sobre o elemento de Peltier estando embebida numa massa térmica que favorece a distribuição uniforme de temperatura ao longo da rede. A variação do comprimento de onda de Bragg com o comprimento de onda, bem como o tempo de comutação do dispositivo são apresentados nas Figuras 2 e 3.
0 50 100 150 200 250 1523.5 1524.0 1524.5 1525.0 1525.5 1526.0 1526.5 experimental data theoretical adjust Δλ B/ΔT=11.63 pm/ºC Wavelength ( nm ) Temperature (°C) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -20 -15 -10 -5 0 FBG tuning FBG detuning T ran smiss ion (d B ) Time (s)
Figura 2. Variação do λBragg com a temperatura Figura 3. Tempo de sintonia e dessintonia.
Conforme observado, o tempo de sintonia, ou seja, o tempo gasto para fazer com que o comprimento de onda de Bragg reflicta o canal pretendido é de cerca de 10 segundos. Portanto, embora o controlo de temperatura por um elemento de Peltier conduza a valores estáveis de temperatura e consequentemente de comprimento de onda, o tempo de sintonia é lento.
FBG revestido com um filme fino
A tecnologia de filmes finos pode também ser aplicada às FBGs de forma a permitir a comutação das mesmas. Um filme fino de Ti e Pt foi depositado usando a técnica de RF magnetron sputtering. A espessura do filme de Ti foi de ~50 nm e para o filme Pt de ~500 nm. Durante a deposição, a fibra foi gradualmente rodada de forma a garantir uma espessura uniforme.
A configuração utilizada para medir o desempenho deste dispositivo é semelhante à apresentada na Figura 1. Quando uma corrente eléctrica é aplicada ao filme fino, este vai aquecer de tal modo que provocará uma variação no comprimento de onda de Bragg.
O aquecimento do filme fino faz com que o comprimento de onda da rede de Bragg aumente conforme ilustrado na Figura 4. O desempenho do dispositivo em termos de tempo de comutação é de 450ms. O dispositivo apresenta ainda uma dependência linear do comprimento de onda face à potência requerida para excitar o filme fino de 3,49 nm/W (ver Figura 5), podendo operar a altas temperaturas (até ~800 ºC). A potência eléctrica requerida para sintonizar diferentes canais em diferentes sistemas DWDM está descrita na Tabela 1. As características de funcionamento deste dispositivo revelaram-se superiores ao dispositivo anteriormente descrito em termos de rapidez e largura de banda [3].
Figura 1. Configuração para sintonia térmica da FBG usando um elemento de Peltier.
FBG
λBragg
scope wide spectrum source
optical spectrum analiser function generator tuning controler optical coupler 50/50 fotodetector optical circulator
OSA WDM Diodo Laser de Bombagem 1550/1480 nm FBG 400 mW 0 80 160 240 320 400 1538.98 1539.00 1539.02 1539.04 1539.06 1539.08 1539.10 1539.12 1539.14 experimental results linear fit Wav e le ngth (nm ) P (mW) 0 80 160 240 320 400 1538.98 1539.00 1539.02 1539.04 1539.06 1539.08 1539.10 1539.12 1539.14 experimental results linear fit Wav e le ngth (nm ) P (mW) Po ten ci a ó pti ca (d B) Potencia consumida (W)
Figura 4. Espectro da FBG em três diferentes situações. Figura 5. Consumo de potencia eléctrica vs deslocamento de λBragg.
Sintonia recorrendo a um Díodo Laser de Bombagem
A comutação térmica de redes de Bragg pode ainda ser efectuada com recurso a um díodo laser de bombagem. O díodo laser de bombagem permite-nos induzir uma elevada densidade de potência dentro do núcleo da fibra e assim consequentemente explorar mais uma vez o coeficiente de expansão térmica da fibra comutando o comprimento de onda de Bragg.
O diagrama esquemático da montagem utilizada está ilustrado na Figura 6. A Figura 7 contém a representação da resposta espectral do dispositivo.
1537 1538 1539 1540 1541 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 Po te n c ia Ó p ti c a ( d B ) Comprimento de Onda (nm) P=400 mW P=0 mW
Figura 6. Montagem experimental Figura 7. Resposta espectral da FBG com (linha sólida) e sem bombagem (pontos)
A resposta espectral verificada na Figura 7 foi obtida primeiro com o díodo laser desligado, depois com a potência de bombagem próxima dos 400 mW. A gama de sintonia de comprimento de onda observada foi de ~140 pm, deixando claro que a FBG variou em temperatura cerca de 14 ºC. Um tempo de comutação de ~500 ms foi obtido tendo sido realizada uma velocidade de sintonia de 0.28 nm/s. Estes valores são mormente condicionados pelo tempo de resposta do díodo laser de bombagem. A dependência do comprimento de onda de Bragg
com a potência de bombagem é apresentada na Figura 8.
A resposta espectral tem claramente um comportamento linear face à corrente que controla a bombagem do laser. Uma maior gama de sintonia de comprimento de onda poderá ser obtida caso se opere com valores de potência óptica superiores aos experimentados.
A Tabela 1 apresenta a potência requerida para permitir a comutação totalmente óptica em diferentes sistemas DWDM de acordo com as especificações da norma ITU-T G.649.1.
Comutação Mecânica
Uma alternativa bastante fiável à comutação térmica de redes de Bragg em fibra é a comutação mecânica. A variação do comprimento de onda ressonante por aplicação de uma tensão mecânica da qual resulta uma deformação longitudinal Δε, foi obtida por Morey et al [6], obtendo-se um valor de
Figura 8. Dependência de λBragg em face da corrente de
bombagem aplicada
Fonte de Espectro Largo
Kε=1.3 pm/με. A deformação máxima em extensão admissível em fibras comerciais é de aproximadamente 40000 με, o que permite sintonizar a resposta espectral numa gama de comprimento de onda de 50 nm. 1539 1540 1541 1542 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 Potên c ia Ó p tica (nm ) Comprimento de onda (nm) 0 50 100 150 200 1539,6 1539,8 1540,0 1540,2 1540,4 1540,6 1540,8 1541,0 1541,2 1541,4 1541,6 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 P o tênci a r e fl e c ti da ( d B ) Com pr ime nt o de O nda ( nm ) Tensão do PZT (V)
Figura 9. Resposta espectral da FBG Figura 10. Montagem experimental
Os cristais piezo-eléctricos (PZTs) apresentam-se como uma óptima solução para execução da sintonia/dessintonia de redes de Bragg devido à sua rapidez e capacidade de elongamento. A resposta espectral de uma FBG quando controlada através de um PZT é apenas condicionada pela máxima elongação do mesmo que genericamente ronda as centenas de μm. A montagem experimental para sintonia de FBGs com um PZT é semelhante á apresentada na Figura 1.
Conforme pode ser observado nas Figuras 9 e 10 a resposta espectral da rede de Bragg face à variação da tensão aplicada ao PZT é linear e a potência óptica do sinal reflectido permanece constante. A Tabela 1 mostra também a gama de sintonia permitida com este dispositivo (que pode ainda ser excitado com tensões até cerca dos 800 V).
Tabela 1. Parâmetros de controlo requeridos para comutação termica e mecânica em diferentes sistemas DWDM
Comutação térmica Comutação mecânica
Espaçamento entre canais (GHz) Espaçamento em comprimento de onda (nm) Incremento de temperatura do Peltier (º C) Potencia consumida pelo filme fino
(W) Potencia óptica de bombagem (mW) Valor DC de tensão para excitação do PZT (V) 12.5 0.1 7.5 0.03 286 15.5 25 0.2 15 0.05 571 31 50 0.4 30 0.10 1143 62 100 0.8 60 0.23 2286 124 200 1.6 120 0.41 4572 248
Comutação baseada em efeitos não lineares
A comutação totalmente óptica pode ainda ser baseada na geração de efeitos ópticos não lineares tais como a mistura de quatro ondas (FWM). A FWM é um efeito não linear de terceira ordem, que ocorre nas fibras de sílica, permitindo efectuar conversão de comprimento de onda. Isto é, num sistema que opere com três frequências ópticas, elas interagem entre si de forma a gerar uma quarta: fg = fi + fj – fk,
onde fi, fj, fk, não são necessariamente distintas. Assim sendo, quando um canal WDM chega a um
dispositivo óptico com esta capacidade, toda a informação em si contida é convertida num outro comprimento de onda que seguirá o caminho pretendido na rede óptica.
Um sistema que comuta comprimentos de onda foi desenvolvido baseado numa arquitectura laser em anel em fibra. O sistema implementado para o efeito, ilustrado na Figura 11, permite utilizar o comprimento de onda de emissão do laser em fibra como bombagem do anel [5]. O comprimento de onda de emissão do laser em anel é controlado através de uma FBG. O comprimento de onda de saída do dispositivo é função do comprimento de onda de entrada. O tipo de comutação executado por estes dispositivos é o mais rápido conhecido dado que permite comutar informação totalmente no domínio óptico e de uma forma transparente. A Figura 12 evidencia a relação entre o comprimento de onda do sinal à entrada e o comprimento de onda do sinal convertido. A largura de banda que deve ser usada para efectuar a conversão de comprimento de onda é de cerca de 8 nm e corresponde ao intervalo onde a eficiência de conversão é máxima, conforme evidenciado na Figura 12.
Os níveis de desempenho desta configuração são bastante satisfatórios. Esta estrutura pode ainda ser integrada em elementos de rede totalmente ópticos como são os casos dos optical add-drop
multiplexers e os optical cross-connects, no sentido de potenciar as suas capacidades e
Figura 11. Montagem experimental Figura 12. Desempenho do dispositivo
Dispositivos de rede
Add-drop Multiplexers
Os add-drop multiplexers (OADMs) são dispositivos utilizados para remover e adicionar selectivamente um ou vários canais numa rede óptica DWDM, aumentando desta forma a sua flexibilidade. Arquitecturas de OADMs utilizando circuladores ópticos, isoladores ópticos e redes de Bragg apodizadas têm sido objecto de estudo. O desempenho de uma dessas configurações, esquematizada na Figura 13, foi testado num sistema de comunicação óptica a 10 Gb/s e a sua taxa de erros (BER) e diafonia quantificados com excelentes resultados conforme pode ser analisado nas Figuras 14 e 15. DC MZI Data @ 10GHz OC AFBG Drop IN OC OUT Add OADM λ2 MUX λ1 λ3 EDFA FPF -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Back to Back Filtered Drop BER = 10-9 log (BER ) Receiver Power (dBm)
Figura 13. Montagem experimental para avaliação do desempenho do OADM Figura 14. Desempenho do OADM em termos de BER
Os valores de BER observados são bastante baixos o que nos mostra que a transmissão é livre de erros à taxa de 10Gbit/s para diferentes valores de potência óptica recebida. O bom desempenho deste dispositivo pode ainda ser melhorado se à rede apodizada for acrescentada a capacidade de sintonia por qualquer um dos métodos descritos na secção anterior [7].
Cross-connects ópticos
Os cross-connects ópticos são dispositivos chave nas redes de comunicação óptica. Os OXC podem ser usados nas redes ópticas para efectuar comutação de caminhos ópticos. Um canal óptico colocado à entrada de um OXC pode ser encaminhado para qualquer uma das portas de saída do mesmo, de acordo com os requisitos de tráfego da rede. Arquitecturas de OXCs compostas por circuladores ópticos e redes de Bragg apodizadas têm sido estudadas e implementadas. Uma dessas arquitecturas, bem como o seu princípio de funcionamento encontram-se esquematizados na Figura 16.
A Figura 17 ilustra o caso em que o canal λ1 é introduzido na entrada 2, é comutado para a saída 1 do
OXC. O nível de diafonia observado é de 38,2 dBm e o isolamento de diafonia intracanal é de 20,4 dB. Estes resultados denotam o excelente desempenho deste dispositivo [8].
É ainda possível construir OXC de N×N portas baseando-nos nos blocos básicos de 2×2 portas descritos previamente. Este tipo de arquitectura pode ser obtido aplicando as arquitecturas de rede
a) a)
Figura 15. Diagrama de olho de um canal retirado do OADM EDFA 80:20 OC λB pump λsignal DSF λB conjugate λconjugate OC PC λpump+λsignal EDFA 80:20 OC λB pump λsignal DSF λB conjugate λconjugate OC PC λpump+λsignal EDFA 80:20 OC λB pump λsignal DSF λB conjugate λconjugate OC PC λpump+λsignal
entrada 1 saída 1 entrada 2 saída 2 λ'M λM entrada 3 entrada 4 saída 4 saída 3 λP λ'P entrada 1 saída 1 entrada 2 saída 2 λ'M λM entrada 3 entrada 4 saída 4 saída 3 λP λ'P
sugeridas por Clös [9] e Bene
š
[10]. A Figura 18 descreve o número de OCs e de séries de FBGs necessários para implementar OXCs de dimensão N e demonstra a grande escalabilidade desta arquitectura [11]. 1546 1547 1548 1549 1550 1551 1552 1553 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Saída 1 Saída 2 Pote nci a Ó pti ca (d B m ) λ(nm)Figura 16. Configuração e principio de funcionamento do OXC Figura 17. Resposta espectral do OXC quando a FBG está sintonizada para reflectir λ1
0 5 10 15 20 25 30 35 0 250 500 750 1000 1250 1500 Beneš Clös OCs FBGs N ú m er o d e OC s e F B Gs Dimenção OXCs (N x N)
Figura 18. Numero de OCs e séries de FBGs em função da
dimensão do OXC Figura 19. Arquitectura de um OXC bidireccional
A Figura 19 apresenta a possibilidade de construir um cross-connect bidireccional recorrendo a circuladores de 4 portas e FBGs colocadas nos braços cruzados do dispositivo. Esta abordagem, que pode aumentar a aplicabilidade a flexibilidade do dispositivo, foi alvo de uma patente.
Conclusões
Diversas técnicas e dispositivos para comutação óptica foram desenvolvidos na UOSE do INESC Porto. Os estudos efectuados permitiram obter resultados interessantes e desenvolver novas estruturas cujo desempenho atesta a sua possível aplicabilidade nas redes totalmente ópticas da próxima geração.
Referências
[1] A. Othonos, K. Kalli, Fibre Bragg Gratings – Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing, London: UK,
Artech House, 1999.
[2] O. Frazão, J. P. Carvalho, I. Terroso, V. Barbosa, H.M. Salgado, A Novel Architecture of an Optical Cross-connect Based on Tuneable
Fibre Bragg Gratings and Optical Circulators, London Communication Symposium 2002, LCS 2002, September 2002
[3] I. Terroso, C. C. Mardare, A. I. Mardare, J. P. Carvalho, O. Frazão, E. Joanni, Tunable Thin-film-heated fiber Bragg grating, I Symposium on Enabling Optical Networks – Enabling Technologies for All-Optical Networks, Instituto de Telecomunicações, Aveiro: Portugal, 2003.
[4] J. P. Carvalho, R. Romero, O. Frazão, M. B. Marques, All-optical switching in a Bragg grating structure using a high power laser
diode, III Symposium on Enabling Optical Networks, SEON 2005, June 27th, Aveiro, 2005.
[5] I. Terroso, J. P. Carvalho, O. Frazão, M. B. Marques, H. M. Salgado, All-Fibre Wavelength Conversion based on Four-Wave-Mixing
in a Ring Erbium Doped Fibre Laser, Applied Physics B: Lasers and Optics, Springer-Verlag, Volume 77, pp. 133-137, 2003. [6] W. W. Morey, G. Meltz, W. H. Glenn, Fiber optic Bragg grating sensors, Fiber Optic and Laser Sensors VII, Proc. SPIE 1169, Boston:
USA, 98-107, 1989.
[7] J. P. Carvalho, I. Terroso, R. Romero, O. Frazão, P. S. André, Performance Evaluation of an Optical Add Drop Multiplexer using an
apodized Bragg Grating, I Symposium on Enabling Optical Networks – Enabling Technologies for All-Optical Networks, Instituto de Telecomunicações, Aveiro: Portugal, 2003.
[8] O. Frazão, I. Terroso, J. P. Carvalho, H. M. Salgado, Optical cross-connect based on tuneable FBG-OC with full scalability and bidirectionality, Optics Communications, Volume 220, Issues 1-3, pp. 105-109, 1 May, 2003.
[9] C. Clös, “A Study of Non-Blocking Switching Networks”, The Bell System Technical Journal, March 1953, 406- 424.
[10] V. E. Beneš, “Mathematical Theory of Connecting Networks and Telephone Traffic”, Academic Press, New York, 1965.
[11] J. P. Carvalho, I. Terroso, O. Frazão, H. M. Salgado, “Optical Cross-connect Architectures based on Fibre Bragg Gratings and Optical Circulators”, ConfTele 2003, 4th Conference on Telecommunications, Aveiro – Portugal, 6–8 June, 2003.
entrada 1 saída 1 entrada 2 saída 2 λ1,..., λi,...,λN λ'1,..., λ'i,...,λ'N λ'M λM Estado normal Todas as FBG dessintonizadas Estado cruzado Todas as FBG sintonizadas A) Estado simultâneo As FBG são selectivamente sintonizadas ou dessintonizadas entrada 1 saída 1 entrada 2 saída 2 λ1,..., λi,...,λN λ'1,..., λ'i,...,λ'N λ'M λM Estado normal Todas as FBG dessintonizadas Estado cruzado Todas as FBG sintonizadas A) Estado simultâneo As FBG são selectivamente sintonizadas ou dessintonizadas
