CWDM: Versatilidad en la Transmisión de Señales para ROVs

Originalmente desarrollada para el mercado Metro Telecom, la tecnología CWDM (Multiplexión por División en Longitud de Onda Gruesa) se ha vuelto ubicua en todos los mercados de telecomunicaciones así como en el mercado submarino.

CWDM es una forma económica y eficiente de multiplexar varias señales en una sola fibra. Existen varias técnicas de multiplexión por longitud de onda que pueden ser utilizadas, dependiendo del número de longitudes de onda. La WDM estándar (Multiplexión por División en Longitud de Onda) utiliza ya sea dos, tres o en algunos casos cuatro longitudes de onda usando láseres estándar. La tecnología CWDM puede multiplexar hasta 18 longitudes de onda individuales en una sola fibra. La DWDM (Multiplexión por División en Longitud de Onda Densa) típicamente puede multiplexar 40 o 80 longitudes de onda en una sola fibra. Técnicas DWDM más elaboradas permiten incluso una mayor densidad de multiplexión por longitud de onda. El método más común de multiplexión por longitud de onda en el mercado submarino es CWDM donde pueden utilizarse láseres y controladores de láser de menor costo manteniendo la capacidad de multiplexar una amplia variedad y cantidad de señales unidireccionales y bidireccionales.

Aunque la tecnología CWDM está disponible tanto para sistemas monomodo como multimodo, el monomodo es el tipo más común ya que ofrece mayores capacidades de multiplexión y distancia. La mayoría de los sistemas CWDM están disponibles en incrementos de 4 longitudes de onda o canales (desde 4 hasta 16 longitudes de onda). La Figura 1 ilustra el plan de longitudes de onda de CWDM. La primera o más baja longitud de onda es 1270 nm mientras que la más larga es 1610 nm en incrementos de 20 nm. Aunque algunos sistemas están disponibles con 18 longitudes de onda, la mayoría utiliza hasta 16 longitudes de onda dejando las dos del medio (1430 y 1450 nm) como banda de guarda cuando se combinan las 8 inferiores con las 8 superiores longitudes de onda.

Existen tres elementos únicos en un sistema CWDM: láser específico por longitud de onda, multiplexor CWDM y demultiplexor CWDM.

Los láseres utilizados en sistemas CWDM son del tipo conocido como DFB (Distributed FeedBack). La característica principal de estos láseres que es importante en sistemas CWDM es el ancho espectral estrecho, o dispersión de longitud de onda de la luz del láser. El láser más común utilizado en muchos sistemas de fibra es el FP o Fabry-Perot. Estos láseres tienen un ancho espectral del orden de 3-6 nm mientras que los láseres DFB tienen un ancho espectral de 0.1 nm o menos, haciéndolos perfectos para su uso en sistemas CWDM y DWDM (Multiplexión por División en Longitud de Onda Densa). Como muestra la curva en la Figura 1, estos láseres DFB para sistemas CWDM varían en longitudes de onda desde 1270 nm hasta 1610 nm, en incrementos de 20 nm.

Una de las ventajas de los sistemas CWDM sobre los DWDM es que los láseres CWDM no requieren compensación de temperatura para evitar que la longitud de onda se desvíe. La variación de longitud de onda de estos láseres DFB como función de la temperatura es del orden de 0.1 nm/°C. El pasabanda del multiplexor y demultiplexor CWDM es del orden de 10 nm a 13 nm, dependiendo del fabricante y diseño. Además, la longitud de onda absoluta de los láseres puede variar en un par de nanómetros. Por tanto, el rango de temperatura de operación de los láseres y equipo de transmisión es aproximadamente de 70 a 100 °C, típicamente alrededor de 80 °C. Teniendo en cuenta las tolerancias de los componentes y la deriva de temperatura del láser, esto resulta en un rango de temperatura de operación de aproximadamente -10 °C a +70 °C, bien dentro del rango de los sistemas submarinos.

Por otro lado, los sistemas DWDM requieren circuitos elaborados de estabilización de longitud de onda para evitar que la longitud de onda del láser se desvíe en absoluto como función de la temperatura y variaciones de rendimiento.

Los dispositivos CWDM mux/demux generalmente están disponibles en incrementos de 4 o 8 canales. Las bandas comunes son las siguientes:

• Banda 1 (4 canales): 1510 a 1570 nm
• Banda 2 (8 canales): 1470 a 1610 nm
• Banda 3 (12 canales): 1310 a 1370 nm
• Banda 4 (16 canales): 1270 a 1610 nm

Todas estas bandas de longitud de onda están separadas en incrementos de 20 nm. Nótese que las longitudes de onda individuales se listarán como pares o impares, como 1530 nm o 1531 nm. El plan original de longitudes de onda CWDM tenía los láseres identificados con longitudes de onda pares. En 2003 la UIT (Unión Internacional de Telecomunicaciones) revisó la especificación en 1 nm de manera que el plan general CWDM pasa de 1271 a 1611 nm en lugar de 1270 a 1610 nm. Los fabricantes de CWDM y mux/demux pueden especificar las longitudes de onda en cualquiera de los formatos. Son intercambiables.

La tecnología CWDM ofrece una excelente plataforma para la transmisión bidireccional de varias señales sobre una sola fibra monomodo. Para facilitar la transmisión bidireccional de señales (por ejemplo, Ethernet, datos, etc.), deben asignarse dos longitudes de onda: una para cada dirección de la señal. Utilizando TDM (Multiplexión por División de Tiempo), cada longitud de onda puede soportar varias señales. Por ejemplo, utilizando dos longitudes de onda, se pueden transmitir múltiples videos así como una dirección de datos o Ethernet mientras la segunda longitud de onda soporta la dirección de retorno de los datos. Dado que la fibra óptica es agnóstica a la señal, cada longitud de onda puede soportar cualquier tipo de señal desde la más simple de un cierre de contacto o TTL hasta las más complejas, de alta banda ancha como HDSDI y señales GigE.

Un módulo típico de multiplexión/demultiplexión CWDM de 8 canales puede soportar una cantidad significativa de señales tanto unidireccionales como bidireccionales. Estas señales generalmente incluyen: video analógico, video HDSDI, Ethernet (ya sea 10/100 o GigE), datos y TTL. Dependiendo del tipo de ROV y la misión específica, otras señales como audio, USB y contactos podrían ser transmitidas.

Los dispositivos de transmisión óptica son algo únicos en los sistemas CWDM y DWDM. Desde el punto de vista de la transmisión, cada uno de los láseres CWDM tiene una longitud de onda única y está conectado a su puerto complementario en el multiplexor CWDM. El receptor óptico, por otro lado, utiliza un detector óptico de banda ancha que responderá a todas las longitudes de onda en todo el plan CWDM de longitudes de onda (1270 a 1610 nm). La separación por longitud de onda se logra en el demultiplexor CWDM. Por lo tanto, los receptores no tienen dispositivos específicos por longitud de onda que se acoplen a longitudes de onda únicas en el demultiplexor CWDM.

Por ejemplo, si un sistema CWDM de 4 canales utiliza 4 señales HDSDI, cada una operando en una longitud de onda separada, habría 4 números de parte únicos para estos transmisores (uno para cada una de las longitudes de onda de 1510 a 1570 nm). Sin embargo, dado que la separación o demultiplexión por longitud de onda se realiza en el demultiplexor, los cuatro receptores HDSDI tendrían el mismo número de parte y serían intercambiables. En general, los multiplexores y demultiplexores CWDM pueden ser el mismo número de parte. Aunque las especificaciones son ligeramente diferentes para los dispositivos de multiplexión y demultiplexión, dado que la mayoría de las aplicaciones submarinas utilizarán transmisión de señales bidireccionales, el dispositivo CWDM de multiplexión funcionará bien tanto para el equipo submarino como para el de superficie.

Los módulos de multiplexión/demultiplexión CWDM son pequeños y pueden alojarse entre cualquiera de estas tarjetas. Pequeños cables de fibra óptica de 900 μm desde cada una de las tarjetas de transmisión/recepción de fibra se conectan al módulo interno CWDM. La salida del multiplexor es un puerto óptico único que luego se conecta al cable de conexión para la transmisión a superficie. La fibra dentro del cable de conexión luego se conecta a la tarjeta receptora de superficie y se conecta a la entrada del demultiplexor CWDM. Este módulo luego separa cada una de las longitudes de onda del equipo de transmisión submarino y agrega cualquier longitud de onda desde el equipo de superficie que deba transmitirse a la unidad submarina.

Es importante que la interfaz típica del conector óptico tenga un acabado UPC (Ultra Physical Contact) para que las reflexiones ópticas se mantengan al mínimo. Es crucial que este acabado UPC esté presente en ambos núcleos del conector acoplado. Aunque puede ser una práctica común utilizar la técnica típica de “molienda y pulido” para terminaciones en barco, no se recomienda ya que las pérdidas del conector y las reflexiones ópticas serán mayores de lo esperado y existe la posibilidad de dañar los núcleos del conector cuando se acoplan núcleos con diferentes acabados de pulido. Este tema se discutirá con más detalle en un artículo posterior sobre terminaciones de conectores, limpieza e inspección.

Dado que la potencia de todas las longitudes de onda transmitidas está presente simultáneamente en la fibra común del cable de conexión, se requiere un medidor de potencia especial para identificar la presencia de cada longitud de onda en el cable de conexión y su nivel de potencia óptica. Los medidores de potencia tradicionales tienen un detector de longitud de onda amplio y no selectivo. Dado que la fibra del cable de conexión tiene todas las longitudes de onda, este medidor de potencia leerá la suma de todas estas longitudes de onda y no identificará la potencia asociada con cada longitud de onda. Para utilizar un medidor de potencia estándar, debe utilizarse un demultiplexor óptico CWDM para separar cada una de las longitudes de onda antes de conectarlo al medidor de potencia. Aunque esto funcionará, introducirá una parte adicional (demultiplexor) que tendrá sus propias pérdidas ópticas, comprometiendo así los resultados de la prueba. Como se muestra en la pila de multiplexores de fibra anterior, acceder a la salida de cada puerto demux puede ser difícil para su uso con un medidor de potencia estándar.

La Figura 3 ilustra una aplicación típica de interconexión óptica CWDM bidireccional. Las longitudes de onda 1-5 y 7 se utilizan para transmitir información a superficie mientras que las longitudes de onda 6 y 8 reciben datos desde la ubicación de superficie. Estas señales de “retorno” pueden ser datos Ethernet, cierres de contacto, etc. Cada fibra en la entrada/salida del multiplexor óptico lleva su propia longitud de onda única. Por lo tanto, un medidor de potencia estándar funcionará para medir la potencia óptica de la longitud de onda en su fibra asociada. Sin embargo, el puerto común del multiplexor/demultiplexor contiene todas las longitudes de onda en una sola fibra. Aquí es donde resulta útil el medidor de potencia CWDM.

Los medidores de potencia CWDM demultiplexarán cada una de las longitudes de onda individuales presentes en las fibras del cable de conexión y reportarán su potencia asociada ya sea en un formato gráfico o tabular. Estos medidores tienen varias características que permiten mostrar la potencia de una longitud de onda individual o mostrarlas como grupo y exportarlas para un procesamiento adicional. Considerando lo ubicua que es la tecnología CWDM en el mercado de ROVs, sería prudente incluir uno de estos medidores de potencia CWDM como parte de la lista de equipos del técnico.

CWDM proporciona una cantidad significativa de versatilidad en la transmisión de señales. La combinación de TDM y CWDM da al sistema una capacidad casi ilimitada para ver, monitorear y controlar todos los aspectos de las funciones de un ROV a distancias significativas sin latencia. Como este artículo destaca, CWDM es una tecnología probada con capacidades excepcionales y potencial de expansión.

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