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Los grandes desafíos a los que se enfrenten las redes de transporte del futuro son básicamente minimizar el coste del transporte por bit, maximizando el alcance sin regeneración y la capacidad de la fibra.

Podemos incrementar la capacidad de la fibra usando más longitudes de onda con un menor espaciamiento entre ellas, o más velocidad por cada longitud de onda. Si te interesa el tema puedes ver más detalles de cómo incrementar la eficiencia espectral.

Podemos incrementar el alcance sin regeneración usando mejores soluciones de amplificación óptica en las que se incluya la amplificación Raman, o híbridos EDFA (Erbium Dopped Fiber Amplifier) + Raman. Se requerirá una menor OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) por longitud de onda gracias a tecnologías como los receptores coherentes y el FEC SD (Forward Error Correction Soft Decision).

Podemos desplazar funcionalidades desde la óptica hacia la electrónica usando sistemas coherentes que optimicen el coste y potencialmente PICs (Photonic Integrated  Circuits)  para reducir el TCO ( Total Cost of Ownership), especialmente en el borde y en la zona metro.

Por otra parte, habría que optimizar la arquitectura de los nodos para permitir la conmutación a diferentes niveles, sustituyendo los enlaces punto a punto por topologías de mallas completamente ópticas. Las interfaces ópticas de cliente son un buen ejemplo donde coste, tamaño y disipación de potencia son factores críticos.

En cualquier caso, nos interesa  incrementar y mejorar la integración fotónica de los componentes que harán viable todas estas tendencias. Existen fundamentalmente cuatro tecnologías para realizar la integración fotónica, que veremos a continuación.

Tecnologías de Integración Fotónica

Existen diferentes alternativas tecnológicas para desarrollar los circuitos fotónicos integrados (PIC).

  • CMOS Photonics. Las tecnologías de integración fotónica basadas en Silicio implementadas sobre CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) necesitan de un elevado volumen para que su fabricación sea rentable. El objetivo sería tomar ventaja de esta economía de escala que se produce en la electrónica usando las mismas  instalaciones que las que se utilizan para la fabricación CMOS, de manera que se abarataran los costes de producción de los PIC. La tecnología CMOS permite una integración íntima de óptica con electrónica en el mismo chip. La tecnología CMOS se utiliza en diferentes campos, pero para aplicaciones de telecomunicaciones, existen tres cuestiones fundamentales:
    • Fuentes de luz. Actualmente se utilizan fuentes de luz basadas en  InP o GaAs, y están integradas híbridamente en el chip de Silicio. Existen interesantes desarrollos en algunas startups, industrias de microelectrónica e investigación.
    • Como ya se ha comentado, CMOS photonics necesita de grandes volúmenes. Una fábrica de gran tamaño no es eficiente en costes a menos que se fabriquen más  100.000 unidades al año. El crecimiento de la fibra en el acceso y las conexiones de corto alcance puede ser un aliado para llegar a los volúmenes necesarios.
    • Las soluciones CMOS photonics no siempre serán las mejores aplicaciones fotónicas para las telecomunicaciones. La ventaja de la integración, la flexibilidad y el progreso en el diseño probablemente disminuirán estas limitaciones y las harán más atractivas.

 

  • InP. Los PIC basados en Fosfuro de Indio constituyen una importante innovación tecnológica que simplifica el diseño de sistemas ópticos, reduciendo espacios y consumos. Adicionalmente, disminuyendo el coste de la conversión OEO (óptica-eléctrica-óptica) en las redes ópticas, proporcionan una oportunidad de transformación para abrazar el uso de circuitos integrados electrónicos y sistemas software en una red óptica “digital”  que maximice la funcionalidad del sistema, mejorando la flexibilidad de los servicios y simplificando la operación de la red.
    • monolítico, utilizando circuitos integrados
    • híbrido, mezclando componentes discretos con circuitos integrados
  • VCSEL.Diodo Láser de Emisión Superficial con Cavidad Vertical.
    • Es un diodo semiconductor que emite luz en un haz cilíndrico vertical de la superficie de una oblea, y ofrece ventajas significativas cuando se compara con láser de emisión lateral comúnmente usados en la mayoría de comunicaciones por fibra óptica.
    • Los VCSELs pueden ser construidos con GaAs, InGaAs.
    • Para el funcionamiento del VCSEL, se requiere de una región activa de emisión de luz encerrada en un resonador que consta de dos espejos. En este caso, los espejos son parte de las películas epitaxiales, por lo que estas películas se sobreponen formando una pila. Estos espejos son conocidos como reflectores distribuidos de Bragg (DBRs).
    • Los DBR llegan a formar espesor usando entre 40 y 60 películas en cada DBR, produciéndose un espesor total de 6μm –8μm. Para crear la unión p-n se necesita que un DBR este dopado para hacerlo semiconductor tipo n y el otro DBR tipo p.
    • Los VCSELs tienen alto rendimiento y bajo costo, algunas de sus características son:
      • La estructura puede ser integrada en una configuración de arrays de 2 dimensiones.
      • Su haz circular y baja divergencia eliminan la necesidad de óptica correctiva.
      • Comercialmente la corriente de umbral de un VCSEL es de aproximadamente 4 mA.
      • Alcanza potencias ópticas del orden de 10 mW.
      • Su ancho espectral ( Dl ) es de aproximadamente 1nm.
      • Su longitud de onda central es de aproximadamente 850 nm.
      • Se puede aplicar un VCSEL en transmisión de datos en el rango de velocidad de 100 Mbs a 1 Gbs.
  • Silica on silicon. Los bloques que conforman esta tecnología son:
    • Fuentes de luz. Integración del grupo III-V en los procesos estándares CMOS
    • Guías de ondas
    • Moduladores
    • Pasivos, como AWG
    • Receptores
    • Elementos de Conmutación Óptica
    • Funciones electrónicas

La tecnología de integración Silicon Photonics es aplicable en diferentes clases de productos en diferentes momentos temporales, dependiendo de los diferentes grados de madurez de la tecnología y de los mercados.

Integración fotónica en redes de transporte

De manera equivalente a como se integran los circuitos integrados sobre Silicio agrupando un elevado número de transistores en una única pequeña pieza física que es más poderosa, más fiable y consume menos potencia y espacio, hoy en día, los circuitos fotónicos integrados (PIC) agrupan centenares de componentes ópticos en una pequeña pieza física que es también más potente, más fiable y utiliza menos potencia y espacio que la aproximación equivalente usando componentes discretos.

En Enero de 2012 Ericsson anunció su trabajo sobre tecnología fotónica sobre Silicio (silicon photonics) para los supercanales de Terabit. El proyecto comenzó en abril de 2008 y concluyó a finales de 2011. Los resultados públicos los puedes encontrar en la web del proyecto APACHE.

El proyecto APACHE propone una nueva estrategia de integración, análoga a la aproximación que se realiza en la industria electrónica. En el caso de la electrónica, los componentes se montan de manera pasiva sobre una placa de circuitos impresos de acuerdo con las funcionalidades del diseño. Estos componentes pueden ser dispositivos discretos como resistencias, o chips monolíticos como circuitos integrados.

En APACHE, usando circuitos integrados fotónicos basados en la tecnología híbrida de integración Silica on silicon , se supera el primer obstáculo para el equivalente fotónico, a través de procesos de ensamblado pasivos que proporcionan alineamientos de precisión para dispositivos ópticos monomodo, en los que la tolerancia a los alineamientos deben ser de  micras o por debajo. Usando esta aproximación, un dispositivo guíaondas planar sobre silicio actúa como la placa de circuito impreso óptico (o placa madre), proporcionando la matriz de interconexión pasiva de guíaondas

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Los componentes monolíticos se integran de manera pasiva sobre una placa hija, que a su vez se monta sobre la placa madre planar de silicio, PLCB (Planar Lightwave Circuit Board). Para ello se necesita un método de diseño unificado para el dispositivo híbrido en el que, además de haber definido las características de alineamiento necesarias para el ensamblaje, se definen los tamaños de los modos de los componentes ópticos en las interfaces entre los elementos activos y pasivos.

Además, comparados con InP, las guíaondas pasivas basadas en silicio muestran menores pérdidas de inserción, menor dispersión por velocidad de grupo, mejor acoplamiento a fibras ópticas y menor sensibilidad con la temperatura. En APACHE, se desarrollaron las placas madre e hijas para que puedan albergar chips monolíticos más grandes, tales como arrays de moduladores InP, láseres DFB, SOAs…La característica básica de los dispositivos APACHE es la agilidad, la cual es posible gracias a la capacidad de generar, modular y regenerar señales ópticas de varios formatos de modulación usando un dispositivo multifuncional. La funcionalidad requerida se ofrece a través de “add-ons” monolíticos,  como por ejemplo láseres moduladores basados en InP, amplificadores, etc., que se ensamblan de manera pasiva en las placas hijas y consecuentemente en la placa madre. Los esfuerzos se centraron en fabricar chips activos con modulación InP, regeneración y recepción de señales >100Gbps.

A finales de enero de 2012, Huawei anunció la adquisición del Centre for Integrated Photonics Ltd. (CIP), lo que apunta a que Huawei querría desarrollar su propia fotónica integrada, sin necesidad de recurrir al mercado. Infinera dispone hace tiempo de un PIC comercial de 500 Gbps que será de 1 Tbps en su siguiente generación.

Tecnología PPXC (Petabit Photonic Cross-Connect)

Se trata de una tecnología fotónica que permitírá la conmutación OTN a nivel de Petabit  a lo largo de todo el enlace óptico con una granularidad lo suficientemente fina.

Optimizando la tecnología de un láser sintonizable de InP se pueden generar prototipos de láseres para conmutación ultrarápida, permitiendo a su vez generar equipamiento que aproveche estas ultra capacidades. Esto ya está a puntito de mostrarse públicamente y puedes encontrar la referencia aquí

La conmutación ágil y de capacidad ultragrande es una prometedora tecnología para las redes ópticas del futuro. El componente clave de esta funcionalidad es la tecnología que permite láseres sintonizables. Estamos hablando de que los láseres se sintonizarían en nanosegundos.

Una tecnología de crossconexión todo óptica dotará de una ventaja única a los clusters de conmutación OTN de capacidad ultragrande que formarán parte de los backbone de las redes de transporte del futuro, o de los grandes Data Center o cualquier otra aplicación donde sea conveniente.

El nivel de integración es clave para el futuro de los PIC.  Recientemente la compañía Oclaro demostró con éxito que los PIC completamente monolíticos en InP pueden ser usados para ofrecer elevadas prestaciones a bajo coste

Todos estos movimientos apuntan a que la integración fotónica es el futuro habilitador de las nuevas prestaciones que se requieren en las redes de transporte ópticas. Es un futuro que ya ha comenzdo.

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En  La Incertidumbre del Tráfico IP, traté de poner de manifiesto, que era cada vez más interesante y necesario tratar de unificar los planos de paquetes y óptico.

La red IP está compuesta de routers conectados entre sí. Cada router está en una ubicación o PoP (Point of Presence) diferente. Los routers deciden para cada paquete que reciben, por dónde lo tienen que sacar. Pero hasta ahí llega su trabajo, que no es poco. Para que el paquete llegue al router destino, necesita de una red de transporte o de transmisión, que es la que facilita la conectividad, no sólo de las redes IP, sino de todas las redes en general.

La red de transporte para largas distancias es una red óptica. Se utilizan sistemas DWDM para transmitir la información. Se trata de un sistema que utiliza una multiplexación en longitud de onda, de manera que cada longitud de onda es capaz de transportar información de manera independiente, cada longitud de onda es un canal y todos los canales van sobre la misma fibra óptica.

Las redes de paquetes y las redes ópticas son dos mundos separados. Pero si hubiera algún tipo de interacción entre ellos, se produciría una eficiencia importante para afrontar la incertidumbre del tráfico IP. La red IP detectaría sus necesidades de transporte y al hablar con la red óptica, ésta le proporcionaría los caminos requeridos. A día de hoy, estos caminos se provisionan de manera estática y modificarlos o ampliarlos requiere de una serie de actuaciones y procedimientos que no son ni ágiles, ni flexibles, ni dinámicos. Agilidad, flexibilidad y dinamismo son justo las capacidades que estamos buscando en las redes de nueva generación.

Podemos entonces abordar esa integración desde dos perspectivas diferentes, que no son excluyentes sino complementarias. Es decir, podemos afrontar la integración desde cada una de ellas o combinándo ambas:

  • Integrando el plano de datos. El Plano de datos representa los datos reales de los usuarios. Por ejemplo, los bits de información contenidos en los flujos de datos de un circuito óptico que lleva un servicio o múltiples servicios.
  • Integrando el plano de control. El Plano de Control es una entidad donde reside parte de la inteligencia de la red. Automatiza funcionalidades dentro de una red, como añadir o eliminar circuitos y restaurarlos una vez que se ha solventado el fallo que produjo su caída. Abarca protocolos de señalización internodos e intercomponentes, descubrimiento de la topología, anuncio y reserva de recursos, cálculo de caminos y cálculos de enrutamiento e información a intercambiar, y gestión automatizada de los estados de los enlaces.

La interfaz UNI (User Network Interface) se posiciona como una gran valedora de este tipo de soluciones. UNI es la interfaz de señalización fuera de banda que permite a un router de la capa IP solicitar servicios de conectividad a los equipos de la capa de  red óptica de transporte, facilitando así una coordinación multicapa.

Integración del Plano de Datos

Actualmente los elementos de red que componen las redes de paquetes IP son los routers, y los elementos de red que componen las redes ópticas son, (simplificando) los ROADM (Multiplexores Ópticos de Extracción e Inserción Reconfigurables). Se trata de equipamiento diferenciado e independiente. Se ubican en sitios distintos. Es decir, hablamos de cajas diferentes que no tienen nada que ver entre ellas.

De cara a la integración del plano de datos, se plantean tres posibles alternativas:

  • Overlay: El equipamiento de  paquetes y óptico seguirán estando en dos cajas distintas, pero se hablarán entre ellos usando  UNI
  • Augmented: Los transpondedores, que son los elementos necesarios para realizar la conversión de óptico a eléctrico y viceversa y que actualmente forman parte de los ROADM, pasarían a formar parte de los routers
  • Integrado: Tenemos una única caja con todas las funcionalidades necesarias tanto a nivel de paquete como a nivel óptico. Es decir, tendríamos un nuevo elemento de red que sería la  fusión del router y el ROADM

Cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes, sus seguidores y detractores. Por ejemplo, considerando aspectos de flexibilidad, las propuestas integradas y aumentadas tienen bastante que perder frente a la elevada flexibilidad que ofrece la propuesta overlay.

Si hablamos de tener diferentes suministradores en las dos capas, el modelo integrado deja de tener interés.

De cara a la madurez tecnológica, el modelo overlay es el que parece mejor posicionado, y de cara a un análisis de costes no está nada claro cual sería la opción ganadora, sobre todo en abstracto, sin aplicarlo a un escenario concreto.

Integración del Plano de Control

Cada red tiene su propio plano de control.  Si conectamos los planos de control de la red de paquetes y la red óptica mediante interfaces UNI, al establecerse un flujo de comunicación entre ambas, en el mismo idioma…se entenderían.

Se plantean igualmente tres modelos posibles a seguir

  • Modelo Único: Existe un único plano de control integrado, sin separación entre capas. Es decir, no se trata de que hablen entre ellos, sino que sólo hay uno.
    • Las redes de paquetes y las redes ópticas se tratan como una única red integrada desde el punto de vista del plano de control.
    • La red IP y la red de transporte utilizan la misma instancia de los protocolos de encaminamiento y señalización.
  • Modelo Coordinados: Los planos de control están separados y hablan entre ellos.
    • Mantiene una señalización común para ambos planos mediante UNI
    • Los encaminamiento en cambio están completamente separados
    • La red IP se configuraría automáticamente mediante el sistema de gestión.
  • Modelo Separado: Los planos de control seguirían siendo completamente independientes:
    • La señalización entre ellos se realizaría mediante UNI
    • La red IP se configuraría de manera manual

De nuevo, cada uno de los modelos tienen ventajas e inconvenientes. Si hablamos de escalabilidad, el único modelo que la garantiza es el separado, en los otros dos habría que hacer estudios sobre escenarios concretos para poder hacer una estimación.

El modelo único queda descartado en una política de muchos suministradores. El modelo separado es el más maduro, seguido del coordinado y finalmente el único, que se encuentra más lejos en el tiempo.

Las implicaciones de realizar la integración de los planos de control, en cualquiera de las opciones planteadas son considerables. Los problemas asociados también. Por lo pronto, estándares y tecnologías tienen que dar el pistoletazo de salida. Pero cuando tienes claro el camino que debes tomar, no por ser farragoso hay que desanimarse…

El tráfico en las redes IP tiene fundamentalmente dos componentes. Por una parte está el tráfico que se establece entre usuarios y servicios que presta esa red IP. Si se establecen sesiones P2P (Peer to Peer) entre clientes de una misma red IP, ese tráfico permanece dentro de dicha red IP. En cambio, si el cliente busca información que no se encuentra disponible en la red IP, saldrá hacia las interconexiones para buscarlo, en otras redes IP del mismo país, o hacia la salida internacional, en busca de redes IP de otros países donde se conectan los servidores en los que reside la información y/o el servicio que el usuario anda buscando.

Cuando los programas P2P hicieron su aparición se produjo dos efectos principales en las grandes redes IP. Por una parte, el tráfico sufrió un incremento considerable. Por la otra, gran parte de ese incremento fue asumido dentro de las propias redes, ya que se establecían conexiones entre clientes de la misma red. Estamos hablando de la época de oro del emule y demás familiares y los torrents.

Con la aparición de páginas de descarga directa, el perfil del tráfico sufrió un importante cambio. Como los servidores de este tipo de páginas se encontraban en países muy concretos y te ofrecían la posibilidad de acceder a los contenidos de manera mucho más rápida, el tráfico P2P fue decreciendo lentamente a la par que se incrementaba el tráfico que iba dirigido a las interconexiones, en busca de esos pocos países donde residían los servidores de descarga directa. Estamos hablando de Megaupload, Rapidshare y demás familiares.

Ahora llega el FBI y pega un portazo a una de las principales páginas de descarga directa, y el resto aplican el dicho de…cuando las barbas de tu vecino veas pelar…Consecuencias inmediatas, el tráfico de interconexión desciende drásticamente mientras se va recuperando las antiguas costumbres peer to peer.

La moraleja de este cuento es que el tráfico IP crece, más o menos rápido, pero crece. Lo que no sabemos es cómo. Creo que ha quedado claro que las aplicaciones y los usos serán los que determinen como dimensionar y planificar una red IP. No es lo mismo llevarlo todo a un punto o un par de puntos que distribuirlo por toda tu red.

La cuestión es que en cualquier momento puede aparecer cualquier nueva killer application que te vuelva a poner patas arriba los patrones de tráfico de tu red y tire por tierra todas tus previsiones de planificación y gestión de recursos. Con esta incertidumbre manifiesta, una integración entre el plano IP y el plano óptico empieza a cobrar sentido por encima de las pretensiones de algunos jugadores específicos que siempre habían apostado por ello.

La red IP enruta el tráfico estupendamente, pero si no tiene asociada una red óptica que transporte los paquetes de un router a otro, nos vale de bien poco.

En la mayoría de las redes de los grandes proveedores de servicio, red IP y red óptica conforman dos mundos independientes en todos los sentidos, operativo, diseño, planificación, gestión… Pero en estos tiempos revueltos, empieza a  tomar forma la idea de que si dispongo de una planificación flexible , dinámica y conjunta de mis recursos IP y de mis recursos ópticos seré mucho más eficiente a la hora de enfrentarme a nuevos cambios del veleta tráfico IP, afrontándolos de manera ágil, dinámica y por supuesto efectiva en costes.

Eso sólo sería viable si existe algún tipo de integración entre los planos de control de ambos mundos. Es decir, si la red IP se constituye como cliente de la red óptica y es capaz de solicitar servicios de conectividad en tiempo real. Y la red óptica es capaz de servirlos.

Pero esa es otra historia, de la que hablaremos en otro cuento…