Redes ópticas

La red óptica es un medio de comunicación que utiliza señales codificadas en luz para transmitir información en varios tipos de redes de telecomunicaciones . Estas incluyen redes de área local (LAN) de alcance limitado o redes de área amplia (WAN), que cruzan 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 longitud de onda (WDM) para transmitir grandes cantidades de datos, generalmente a través de cables de fibra óptica . Debido a que es capaz de lograr un ancho de banda extremadamente alto , es una tecnología habilitadora para Internet y las redes de telecomunicaciones que transmiten la gran mayoría de toda la información humana y de máquina a máquina.

Las redes de fibra óptica más comunes son las redes de comunicación , redes en malla o redes en anillo, que se utilizan habitualmente 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 unir una fibra a varias instalaciones para aplicaciones de última milla .

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, destinadas al suministro de Internet global, utilizarán la comunicación láser inalámbrica para establecer redes de malla óptica entre satélites en el espacio exterior. ^[1] Se planean redes ópticas aéreas entre plataformas de gran altitud como parte del Proyecto Loon de Google y Aquila de Facebook 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 redes LAN en un campus.

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 el Multiplexor de adición/eliminación óptico (OADM) y el Multiplexor de adición/eliminación óptico reconfigurable (ROADM).
• Interruptor óptico , para dirigir la luz entre puertos sin una conversión óptica-eléctrica-óptica
• Divisor óptico , para enviar una señal por diferentes caminos de fibra.
• Circulador , para unir otros componentes, como un OADM.
• Amplificador óptico .
• Multiplexor por división de onda .

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, se pierde más energía de la señal en forma de calor . Además, las señales eléctricas pueden interferir entre sí cuando los cables están demasiado espaciados entre sí, un problema conocido como diafonía. En 1940, el primer sistema de comunicación dependía de un cable coaxial que funcionaba a 3 MHz y podía transportar 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 estos sistemas de alta frecuencia requieren un repetidor aproximadamente cada kilómetro para fortalecer la señal, lo que hace que una red de este tipo sea costosa de operar.

Estaba claro que las ondas de luz podían tener tasas 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, se utilizaban fibras de vidrio para transmitir luz al interior del cuerpo para la obtención de imágenes médicas, pero tenían una gran pérdida óptica: la luz se absorbía al pasar a través del vidrio a una velocidad de 1 decibelio 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. En 1970 se produjo un gran avance, 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 era capaz de transportar 65.000 veces más información que el cobre.

El primer sistema de fibra óptica para el tráfico telefónico en vivo fue instalado 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 a una velocidad de hasta 45 Mbit/s con repetidores separados aproximadamente 10 km. A principios de la década de 1980, se habían introducido láseres y detectores que operaban a 1300 nm, donde la pérdida óptica es de 1 dB/km. En 1987, operaban a 1,7 Gbit/s con una distancia entre repetidores de aproximadamente 50 km. ^[4]

La capacidad de las redes de fibra óptica ha aumentado en parte debido a mejoras en los componentes, como los amplificadores ópticos y los filtros ópticos que pueden separar las ondas de luz en frecuencias con una diferencia de menos de 50 GHz, lo que permite que se adapten más canales a una fibra. El amplificador óptico dopado con erbio (EDFA) fue desarrollado por David Payne en la Universidad de Southampton en 1986 utilizando átomos de erbio, una tierra rara, que se distribuyen a lo largo de una longitud de fibra óptica. Un láser de bombeo excita los átomos, que emiten luz, lo que potencia 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 los medios más utilizados para soportar sistemas de multiplexación por división de longitud de onda densa. ^[6] De hecho, los EDFA eran tan frecuentes que, cuando la 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 WDM". ^[7] Hoy en día, los EDFA y los amplificadores ópticos híbridos se consideran los componentes más importantes de los sistemas y redes de multiplexación por división de onda. ^[8]  

Con el uso de 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 los años 90. Los Laboratorios Bell de AT&T desarrollaron un proceso WDM en el que un prisma divide la luz en diferentes longitudes de onda, que podrían viajar a través de una fibra simultáneamente. La longitud de onda máxima de cada haz está lo suficientemente separada como para que los haces se distingan 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] Sin embargo, los amplificadores dopados con erbio de los que dependen no amplificaban las señales de manera uniforme en toda su región de ganancia espectral. Durante la regeneración de la señal, ligeras discrepancias en varias frecuencias introdujeron un nivel intolerable de ruido, lo que hizo que la WDM con más de 4 canales fuera poco práctica para las comunicaciones de fibra de alta capacidad.

Para abordar esta limitación, Optelecom , Inc. y General Instruments Corp. desarrollaron componentes para aumentar el ancho de banda de la fibra con muchos más canales. Optelecom y su jefe de Light Optics, el ingeniero David Huber y Kevin Kimberlin cofundaron Ciena Corp en 1992 para diseñar y comercializar sistemas de telecomunicaciones ópticas, siendo el objetivo una expansión en la capacidad de los sistemas de cable a 50.000 canales. ^{[10] [11]} Ciena desarrolló el amplificador óptico de doble etapa capaz de transmitir datos con ganancia uniforme en múltiples longitudes de onda, y con ello, en junio de 1996, presentó el primer sistema WDM denso comercial. Ese sistema de 16 canales, con una capacidad total de 40 Gbit/s, ^[12] se implementó en la red Sprint , el mayor operador de tráfico de Internet del mundo en ese momento. ^[13] Los analistas consideraron que esta primera aplicación de amplificación totalmente óptica en redes públicas ^[14] era el presagio de un cambio permanente en el diseño de redes, 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. ^[16]

La densidad de trayectorias 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 recuento de canales y la capacidad de los sistemas WDM densos han 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, 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 el 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 actual. ^{[20] [21]} La demanda de ancho de banda está impulsada principalmente por el tráfico de Protocolo de Internet (IP) de los servicios de video, la telemedicina, las redes sociales, el uso de teléfonos móviles y la computación en la nube. Al mismo tiempo, el tráfico de máquina a máquina, de la IoT y de la comunidad científica requiere soporte para el intercambio a gran escala de archivos de datos. Según el Índice de redes visuales de Cisco, el tráfico IP global será de más de 150.700 Gbits por segundo en 2022. De esa cantidad, el contenido de video equivaldrá al 82% de todo el tráfico IP, todo transmitido por redes ópticas. ^[22]

La red óptica síncrona (SONET) y la jerarquía digital síncrona (SDH) han evolucionado hasta convertirse en los protocolos más utilizados para 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 asíncrono (ATM) , Ethernet , TCP/IP y otros.