Resumen Fibra Óptica

COMUNICACIONES POR FIBRA ÓPTICA

INTRODUCCIÓN 

En poco más de 10 años la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica. 

Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos: El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia. 

Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran ancho de banda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por canal; De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de cobre.

Con un cable de seis fibras se puede transportar la señal de más de cinco mil canales o líneas principales, mientras que se requiere de 10,000 pares de cable de cobre convencional para brindar servicio a ese mismo número de usuarios, con la desventaja que este último medio ocupa un gran espacio en los ductos y requiere de grandes volúmenes de material, lo que también eleva los costos. 

EL MODELO DE RED Y LAS  EXIGENCIAS DE UNA RED ACTUAL

Dentro de una red de telecomunicaciones existe una gran cantidad de equipos y funcionalidades.

El personal   del  área de operaciones de las empresas de telecomunicaciones esta dividida en dos áreas: Conmutación y Transmisión. De estos dos grupos se derivan cuatro bloques importantes para una red de telecomunicaciones y son los siguientes:

 

Transmisión o Transporte: la forma de conectar  los elementos  de conmutación entre si, puede ser local o de larga distancia.

Conmutación: los equipos responsables de establecer la comunicación entre dos extremos es decir los usuarios o los clientes.

Acceso: La forma de conectar las instalaciones del usuario con la empresa que le prestara el servicio.

Equipo Terminal: equipo situado en las instalaciones del cliente para aprovechar  un servicio de telecomunicaciones.

En la figura tenemos un  ejemplo del modelo, la red de  telecomunicaciones  más antigua y grande del mundo: la red telefónica pública conmutada o por sus siglas en inglés PSTN (Public Switched Telefone Network). 

En esta red los elementos que corresponden al modelo de red son  el teléfono como  equipo terminal, el par de cobre como medio de acceso de conmutación y los enlaces de microondas y fibra óptica como medio de transporte.

Los elementos  que componen el modelo de red, todos son de suma importancia en el proceso de  comunicación, pues si alguno de ellos faltara  simplemente no se podría dar la misma.

El elemento de conmutación es el más importante, pues este es quien define  que tipo de servicio se brinda.

El elemento de Conmutación.

El elemento de conmutación  es quien propiamente se encarga de establecer la comunicación  entre un punto con otro, dependiendo como sea llevado acabo esta tarea será el servicio ofrecido.

En  general  existen tres tipos de elementos de conmutación  y en consecuencia tres tipos de servicios de telecomunicaciones. En la siguiente  tabla se muestran los diferentes elementos de conmutación, así como los servicios que de estos se desprenden.

Central telefónica

Mediante este elemento de conmutación es posible establecer conexiones dinámicas basadas  en circuitos de 64 kps. Cuando se establece una llamada telefónica de un extremo  a otro, se establece una conexión de 64 kps en ambos sentidos, la cual es reservada para uso exclusivo  de los dos extremos en comunicación  mientras la llamada dure.

El servicio que se ofrece es conmutado porque en la contratación del mismo solo  se especifica un extremo de la comunicación, el otro extremo será definido de manera dinámica mediante un plan de numeración  y algún esquema de marcación.

Los servicios ofrecidos a través de este elemento se  conocen como servicios dedicados, y a diferencia de los servicios conmutados, en la contratación del servicio se definen los extremos que estarán  en comunicación, reservando así canales exclusivos y permanentes a lo largo de la red de transporte.

Dicho de otra manera se establece una conexión dedicada punto a punto, se reservan ancho de banda y se paga una renta mensual fija, sin importar si se usa el 100% del ancho de banda disponible y contar con este tipo de elementos dentro  de una red de telecomunicaciones, donde se  permite usar de manera más flexibles los medios de transmisión, optimizando los recursos disponibles y reduciendo así los costos de los servicios

Conmutador de paquetes

La conmutación de paquetes  parte de principios totalmente diferentes  a los utilizados en la conmutación de circuitos, utilizada para construir una red telefónica. Y esto no es de extrañar pues, ambos principios fueron diseñados para redes que transportarían tráficos totalmente diferentes y por lo tanto con demanda de recursos diferentes. Estamos hablando de tráficos de voz y datos.

El primer tipo de tráfico demanda un retardo mínimo  y en principio ganara una cantidad de  información constante. Por otro lado los datos no son tan sensibles con respecto al retardo y la cantidad de información que normalmente se genera es variable.

Debido a esta  situación no resultaba eficiente ni económico establecer una comunicación de larga distancia a través de la red telefónica, pues se reserva un recurso el cual no es utilizado todo el tiempo debido a la naturaleza variable del tráfico  de datos.

El elemento de transporte

Un enlace de transporte se distingue por dos elementos. El primero que nos define fisicamente el medio de transmisión que será utilizado para llevar la información, como lo puede ser la fibra óptica (FO), las  microondas (MO), el satélite, el par de cobre o cable coaxial.

 El segundo elemento  es el modo de transmisión, este nos define de qué forma será llevada la información, así como la cantidad de información que podrá transportarse de manera simultánea. En formato analógico o digital  y con técnicas de múltiplexación FDM o     TDM (PDH y SDH). 

En términos de la capacidad de las redes de transporte han ido evolucionando a través del tiempo. Situemos dicha operación a partir de la era digital. Esta comienza cuando resulta posible transmitir por un par de cobre 30 llamadas simultáneas. A esta capacidad se le denomino  primera jerarquía digital plesiocrona o simplemente E1.



Por razones evidentes esto siguió avanzando a siguientes jerarquías E2, E3 y E4 como se muestra en la tabla.

Norma europea.

Las redes de transporte pueden clasificarse en redes de transporte de larga distancia y redes de transporte local. La red de transporte de larga distancia es aquella que se encarga de transportar información entre dos equipos de conmutación  que se encuentran en dos ciudades, estados o países diferentes. Una red de transporte local es aquella que se encarga de transportar información entre dos elementos de conmutación  que se encuentran dentro de  una misma ciudad.

Aunque existe esta clasificación  los modos y medios de transmisión utilizados  en ambos casos son los mismos, probablemente la capacidad requerida puede diferir.

El elemento de acceso

La red de acceso es la que permite a un usuario  de un servicio de telecomunicaciones conectarse a una red para hacer uso de dicho servicio. La red de acceso tradicional es la que encontramos en la red telefónica pública. Nos referimos a la red constituida por todos los pares de  cobre  que permiten al aparato telefónico conectarse a una central telefónica local.

La implementación  de redes de  acceso representa uno de los grandes retos para las empresas del sector de las telecomunicaciones. Por un lado, esto permite el acceso a usuarios que no cuentan con los servicios básicos. Tal vez para el segundo  caso la dificultad no sea tan grande, pues estos servicios serán llevados a zonas en donde la rentabilidad económica esté más o menos garantizada, Sin embargo para el primer caso, la situación es totalmente opuesta, pues las empresas deben llevar los servicios a lugares en donde la rentabilidad probablemente ni siquiera exista, por lo que se requieren de incentivos y condiciones  que lo permitan. Aquí el papel importante del gobierno como entidad reguladora.

Nueva red de acceso por cobre

En este tipo de redes se pretende eliminar el par de cobre como alternativa única para llegar al usuario. En algunos casos se implementa fibra óptica en los segmentos principales y el par de cobre se utiliza en él ultimo tramo. Otra alternativa es usar las redes de teléfonos por cable (CATV) mediante el cable coaxial para ofrecer servicios de telefonía y acceso a Internet, además de los de distribución  de video. Finalmente, nuevas tecnologías que permiten el uso del par de cobre a mayores velocidades (ADSL  y HDSL).

Redes de acceso inalámbricas fijas

Las telecomunicaciones ya han demostrado su capacidad de contribuir al desarrollo económico de una nación. Por esta razón se han desarrollado tecnologías que permiten una eficiente y rápida implementación de redes de telefonía que ofrecen el servicio. Encontramos a las redes   de telefonía inalámbrica o fija o en ingles WLL (Wireless Local Loop). Con estas tecnologías se permite una rápida implementación de red de telefonía básica y además la inversión que se debe realizar es proporcional a la demanda existente, por lo que es posible llegar de una manera eficiente a lugares en donde se carece del servicio.

Redes de acceso inalámbricas móviles

Otra forma es permitir la movilidad, pues él poder estar comunicados en cualquier lugar y en cualquier momento resulta cada día más importante. Es por esto que el concepto de sistemas personales de comunicación o en ingles PCS es cada vez mas utilizado, pues hay un clara tendencia  a crear dispositivos que permitan comunicaciones de voz y datos.

Redes de acceso de banda ancha alámbricas e inalámbricas

Otra forma  es el implementar redes que permiten el acceso de banda ancha para nuevas aplicaciones. Por banda ancha entendemos velocidades entre 2 Mbps y 155 Mbps, para permitir acceso a Internet de alta velocidad, distribución de vídeo, vídeo en demanda, educación a distancia  y teletrabajo. En esta clase de redes encontramos las redes alambricas implementadas mediante fibra óptica y por redes inalámbricas mediante enlaces de microondas punto a punto y también punto a multipunto, como es el caso de la tecnología LMDS.

OPCIONES PARA EL TRANSPORTE

En la actualidad son diversas las exigencias para las redes de transporte.
También existen diversas opciones de medios de transporte, pero la fibra es el medio que mejor satisface dichas exigencias.

 Exigencias en la actualidad para las redes de transporte. Una red de transporte debe de cubrir las siguientes cuatro condiciones:

Capacidad
Calidad
Confiabilidad
Costo.

Sin embargo podemos distinguir aspectos más específicos a continuación se describen:

Integración de servicios y tipos de información

En comunicaciones existen diferentes tipos de tráfico.
Encontramos los tráficos de velocidad constante como la voz y el video, los cuales son sensibles a los retardos y requieren una velocidad binaria constante para su transmisión.
Después tenemos a los tráficos de velocidad variable como las imágenes y el texto (datos), los cuales no son altamente sensibles a los retardos pero si a los errores en la comunicación y requieren una velocidad binaria variable o poco ráfagas.

Actualmente utilizar diferentes tipos de redes para transportar cada tipo de trafico de manera eficiente  y económica. Hacia el futuro se persigue integrar ambos tipos de trafico en una misma plataforma de conmutación y transmisión. Este es el concepto propuesto por la Red Digital de Servicios Integrados de Banda Ancha (Broadband Integrated Digital Network) en donde se propone la utilización de ATM (Asynchornous Transfer Mode) como tecnología de conmutación  y transporte  de medios de fibra óptica.

Fibra Óptica Como Portadora de Información.

En poco más de 10 años la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica. 

Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos: El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia. 

Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran ancho de banda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por canal; De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de cobre.

Incremento de la calidad

Hoy día las telecomunicaciones se    han convertido en la herramienta estratégica para las empresas y en un facilitador de toda actividad humana. Se presentan como el medio del futuro para el intercambio de bienes y servicios, manejando toda la información estratégica y critica involucrada  en las diferentes actividades.

Por estas razones contar con redes de telecomunicaciones capaces de garantizar que la información  en sus diversos formatos será transmitida libre de errores, en otras palabras con calidad.

Las comunicaciones digitales se basan en la transmisión  de bits “1” y “0”  por lo que la calidad consiste en recibir  el digito binario originalmente transmitido. Se considera una comunicación con alta calidad cuando se comete un error de entre 109 (1x109) y el mínimo esperado es un error entre un millón de bits (1x10-6).A es te parámetro para medir la calidad  se le conoce como Tasa de Errores de Bit o en ingles BER (Bit Error Rate).

Incremento de la confiabilidad

Los requerimientos de disponibilidad de los sistemas, así como las redes de telecomunicaciones se vuelven cada vez más exigente. Esto de debe a la creciente dependencia de las empresas sobre estos elementos para sus operaciones.

Es por esto que la confiabilidad que se tiene sobre las redes de telecomunicaciones debe ser cada vez más alta. Esto se logra mediante la implementación  de equipos con duplicidad de elementos, equipos y rutas redundantes.

Las empresas prestadoras de servicios de telecomunicaciones ofrecen niveles de disponibilidad  cercanos al 100%. Un nivel de cinco nueves (99.999%) es altamente deseable para las redes de transporte de la actualidad.

En la tabla siguiente se muestran los niveles de disponibilidad que se pueden conseguir, junto con la indisponibilidad y en porcentaje con respecto a un año.

Mayor cobertura

La globalización de la economía  y la ausencia de fronteras entre los países exige servicios de telecomunicaciones acordes. Esto hace que las redes tengan que expandir sus servicios a distancias cada vez mayores (incluso entre continentes)pero esta expansión de cobertura no debe de disminuir la calidad de los servicios prestados.

Actualmente existe un fuerte movimiento  en materia de alianzas de empresas de telecomunicaciones  con el fin de consolidar una mayor cobertura, al mismo tiempo se encuentran realizando alianzas con empresa de otros sectores para aumentar la cartera de servicios. La meta de una empresa de telecomunicaciones se encuentra en contar con la mayor cobertura y  la mayor cantidad de servicios.

Facilidad para su gestión

Es necesario contar con mecanismos que permitan la fácil configuración, el monitoreo de toda la red y  todas las funciones que generen la información acerca del estado de los signos vitales de red. De esta manera será más sencillo el aprovisionamiento, operación, la anticipación a posibles problemas, así como   la pronta respuesta a fallas para la recuperación de la red.

 Opciones de medios para el transporte

El objetivo general de las telecomunicaciones es permitir comunicaciones de voz, datos, video a distancia de alta calidad, sin importar  la localización de los extremos. Para determinar el tipo de medio que se debe utilizar es considerar dos aspectos en general: el primero la distancia que existe entre los extremos: y el segundo la cantidad de información que se desea transmitir. Esto de alguna manera va asociado con el costo para cada opción de comunicación. Otro factor que también puede influir es el tiempo en el que se desea contar con los medios de comunicación.

ASPECTOS GENERALES DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Existen diversas razones que apuntalan a las fibras ópticas como el medio por excelencia para redes de transporte, entre ellas la gran disponibilidad de materia prima; el silicio. Las grandes distancias que se pueden conseguir entre repetidores. En la actualidad una distancia promedio es de 200 km. y se hablan ya de distancias por encima de los 600 km. La inmunidad al ruido e interferencia electromagnéticas al ser un medio no conductor, al mismo tiempo no genera radiaciones electromagnéticas. Las dimensiones de las fibras son pequeñas y por lo tanto los cables fabricados son más ligeros y fáciles de manejar. El tiempo de vida se entiende por encima de los 25 años y en realidad se asume como indeterminado pues no ha transcurrido el tiempo desde que se instalaron las primeras fibras ópticas. Por ultimo la gran capacidad, que como dijimos antes, permite en   la actualidad transportar mas de un millón de llamadas a través un par de fibras ópticas.

Sin embargo y a pesar de todas las ventajas de las fibras ópticas existen ciertas desventajas. Como el requerimiento de derecho de vía, la exposición a accidentes y actos vandálicos. Procesos de fabricación muy estrictos y complicados, equipo de transmisión costoso y tiempo de instalación alto y dependiente del terreno. También el proceso de instalación debe realizarse  con equipo y conocimiento especial.

En telecomunicaciones las fibras ópticas son utilizadas tanto para redes de larga distancia como para redes de acceso y transporte local. Redes trasatlánticas mediante cables submarinos. También son utilizadas para establecer enlaces dedicados y en redes de datos LAN y MAN.

TEMAS ACTUALES EN LAS FIBRAS ÓPTICAS

 A partir de los 80 ´s se habían  logrado grandes avances en todo lo relacionado con fibras ópticas. Por ejemplo la atenuación por kilómetro se ha logrado reducir de niveles alrededor de 1000 dB/km. a 0.2 dB/km. A pesar de esto, aún faltan muchos aspectos por desarrollar y otros nuevos derivados de las necesidades de mayor ancho de banda a menor costo. La Internet  y  las  aplicaciones multimedia serán detonadores exponenciales de las necesidades de mayor ancho de banda.

VENTAJAS  DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Tenemos  diversas ventajas que favorecen la utilización de las fibras óptica sobre redes de telecomunicaciones. 

Muy altas capacidades, en el orden de los  Tbps.

Calidad en transmisión, en el orden de BER=10-12

Niveles bajos de atenuación, en el orden de 0.2 dB/km.

Respuesta a la frecuencia plana dentro de las ventanas ópticas, por lo tanto se prescinde 

prácticamente de ecualización.

Distancia grande entre repetidores, entre 150 y 600 kms.

Inmunidad a ruidos e interferencias.

Menor costo por circuito que cualquier otro medio.

Cables más ligeros, pequeños y flexibles.

No generan interferencia y por lo tanto no existe la diafonía.

Seguridad en la transmisión.

Facilidad de mantenimiento.

La alta capacidad que se consigue sobre las fibras ópticas se debe al gran ancho de banda que estas pueden manejar. En la figura anterior se compara la capacidad de un enlace de radio digital frente a uno con fibra óptica, en función del ancho de banda de la portadora y la frecuencia de operación.

 Para el radio digital tenemos un ancho de  banda para un enlace de 140 Mbps, mediante modulación 16 QAM (Quadrature Amplitud Modulation)de 35 MHz y una frecuencia de portadora de 7 GHz, logrando así una relación de 200 a 1.Para el caso de las fibras ópticas tenemos que un enlace de la misma capacidad pero con una modulación OOK (On Off Keying) de 140 MHz, una portadora en la banda de  193 THz (1550 nm) y con una relación  de 1.382,488 a 1.Esto nos da una idea del número de portadoras que pueden manejarse o del ancho de banda que resta a las fibras ópticas para su utilización.

Los cables de fibras ópticas son más ligeros pequeños y flexibles. En la figura siguiente se muestra un cable de 900 pares de cobre con capacidad para un número igual de llamadas; por otro lado el cable de fibra óptica puede transportar miles  (30,000 sobre redes con señales SDH STM-16) de llamadas pero con un peso del cable de hasta 60 veces menor, mayor flexibilidad, manejabilidad y por supuesto menor costo. Los cables de fibras ópticas ofrecen una muy alta baja atenuación, en el rango de 0.2 dB/km. Esto permite manejar grandes distancias entre repetidores, en el rango de los 150 km y los 600 km dependiendo de la capacidad del enlace.

DESVENTAJAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

ATENUACIÓN

        La figura 1  muestra el espectro de la curva de atenuación de una típica fibra óptica hecha de silicio. La curva tiene tres características principales. Una gran tendencia de atenuarse conforme se incrementa la longitud de onda (Dispersión Rayleigh),  Atenuación en los picos de absorción asociados con el ión hidroxyl (OH-), y  Una tendencia por la atenuación para incrementar las longitudes de onda por arriba de los 1.6 um, debidas a las pérdidas inducidas por la absorción del silicio. 

        Nuevos sistemas de transmisión usan fibras multimodo, operadas en la primera ventana de longitud de onda cercana a las .85 um, mostrado en la figura 3, y después en la segunda ventana cerca de 1.3 um. Una fibra de modo simple primeramente opera en la segunda ventana, donde la atenuación de la fibra es típicamente menor que 0.35 dB/Km. Sin embargo la región de menos pérdida ( típicamente pérdidas cercanas a las 0.20 dB/Km) permanece en una longitud de onda amplia y los laceres y receptores operan en esa ventana cercanos a 1.55 um, estos llegaron a ser disponibles a finales de los 80´s. 

DISPERSIÓN

La dispersión cromática describe la tendencia para diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades en una fibra. En longitudes onda donde la dispersión cromática es alta, los pulsos ópticos tienden a expandirse en el tiempo y provocar interferencia, lo cual puede producir una inaceptable velocidad del bit, la figura 2 muestra como la dispersión cromática cambia con la longitud de onda para tres diferentes tipos de fibra. La dispersión cromática de una fibra consiste de dos componentes - Material y Guía de  Onda- como se muestra en la figura 3, el componente material depende de las características de dispersión de los dopantes y del silicio de construcción. Estos materiales no ofrecen mucha flexibilidad a ajustes significantes en la dispersión de la fibra, así que ese esfuerzo se ha enfocado en alterar la dispersión de guías de ondas de las fibras ópticas. 

POLARIZACIÓN

Polarización es la propiedad de la luz la cual está relacionada con la dirección de sus vibraciones, el viaje de la luz en una fibra típica puede vibrar en uno o dos modos de polarización 

 La figura 4 muestra los dos modos principales de una fibra asimétrica que es uniforme a lo largo de su longitud. El modo en el eje X es arbitrariamente etiquetado con un modo lento, mientras que en el eje Y es etiquetado en el modo rápido. La diferencia en los tiempos de arribo en los modos de dispersión por polarización (PMD), es típicamente medida en pico segundos. Sino es propiamente controlado, PMD puede producir errores excesivos en los bits para  la   transmisión   en  sistemas  digitales  y  que   pueden  distorsionar  señales  de  video trasmitidos usando formato de modulación de amplitud analógico. 

  

 

NO LINEALIDAD

Niveles de alta potencia de la fibra óptica disponibles y amplificadores ópticos provocan señales que interactúan con la fibra en las cuales produce una variedad de efectos no lineales, sino son controlados propiamente, estas no linealidades pueden afectar de forma adversa al desarrollo del sistema, las no linealidades de la fibra caen dentro de dos categorías:-dispersión estimulada e índices de fluctuación refractivos. 

Los niveles de potencia en los cuales los diferentes fenómenos no lineales se manifiestan ellos mismos, son conocidos como thresholds. 

Dispersión

 Estimulada

(StimulatedScattering). 

        Esta no linealidad ocurre en sistemas de modulación intensos cuando las señales ópticas interactúan con las ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la fibra de Si. Esta interacción dispersa la luz y la cambia a una longitud de onda mayor. 

Hay dos formas de dispersión estimulada: -Stimlated Brillouin Scattering y Stimulated Raman Scattering- Índices de Fluctuaciones Refractivas ( Refractive Index Fluctuations). 

Aunque el índice de refacción de una fibra óptica de Si presenta una constante a bajos niveles de potencia óptica, las altas potencias relacionadas con los amplificadores ópticos pueden modular el índice variando la intensidad óptica de la señal de transmisión. 

Los efectos de la no linealidad de los índices refractivos caen dentro de tres categorías:-Self -Phase Modulation, Croos-Phase Modulation y Four-Wave Mixing. 

LAS FIBRAS ÓPTICAS COMO MEDIO DE TRANSMISIÓN

En telecomunicaciones, las fibras ópticas se presentan como el medio más adecuado para las redes de larga distancia y de gran capacidad. Es en ese terreno en donde ningún otro medio puede competir contra las fibras ópticas. Sin embargo en otros elementos del modelo de red como el acceso no es siempre posible justificar la utilización de fibras ópticas, o bien cuando se desea movilidad, o que diversos usuarios reciban la misma señal en diversas ubicaciones geográficas.

Las  diferencias que existen entre el satélite y las fibras ópticas son: En materia de enlaces transoceánicos las fibras ópticas han desplazado al satélite por diversas razones. En la figura se compara un enlace entre continentes mediante el satélite y fibras ópticas. Un enlace mediante fibras ópticas  es capaz de transportar más de 30,000 canales de voz por una sola fibra, mientras que el satélite solo puede transportar 1440 canales de voz por cada traspondedor. Otro factor de diferencia se refiere al retardo de transmisión, en el satélite es necesario que la señal viaje 36,000 km de subida aproximadamente, y la misma cantidad de bajada, lo cual produce un retardo promedio de 0.75 seg por este simple hecho, mediante fibras ópticas la distancia es mucho menor y el retardo es imperceptible. Finalmente, en cuanto a calidad se refiere indudablemente las fibras ópticas ofrecen la mejor relación, ya que el satélite esta expuesto tanto a factores climáticos como interferencias, las fibras ópticas no se ven afectados por esos factores.

Ahora veamos que pasa con las microondas digitales y las fibras ópticas. En los años 70 el principal medio de transporte para las redes de larga distancia eran las microondas, inicialmente sistemas analógicos utilizando técnicas de multiplexación FDM y posteriormente sistemas digitales con técnicas de multiplexación TDM. En sistemas PDH y señales STM-1 para sistemas SDH; las fibras ópticas pueden soportar hasta señales   STM-64 de la SDH, sin mencionar el incremento sustancial que además se obtiene con  WDM.

APLICACIONES PRINCIPALES DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Las aplicaciones  de las fibras ópticas van más allá del campo de las telecomunicaciones .De hecho, las fibras ópticas y las tecnologías relacionadas como el LASER están revolucionando diversos ámbitos de la actividad humana.

Se mencionan algunas de las principales aplicaciones de las fibras ópticas en las siguientes áreas: Telecomunicaciones, Redes de Computadoras, Medicina e Industria.

Telecomunicaciones

En telecomunicaciones el papel de las fibras ópticas ha sido clave. Su utilización la encontramos en redes de larga distancia, redes submarinas, redes de acceso, redes de televisión por cable (CATV).Debido a su gran ancho de banda, el uso de las fibras ópticas dentro de las telecomunicaciones está permitiendo las comunicaciones multimedia de alta velocidad y calidad. Es decir, se están logrando comunicaciones a distancia con la misma sensación y a través de todos los medios que podrían tener dos o más personas, cuando llevan a cabo una comunicación presencial; lo cual esta transformando todas las actividades humanas, como la educación, el trabajo, el entretenimiento. etc.

Redes de computadoras

En redes LAN la utilización del par trenzado tiene gran aceptación, pues es mucho más económico para el cableado horizontal en donde se requieren distancias menores a los 100 m y con lo que se obtienen velocidades en el orden de los  Mbps. Para el cableado vertical se prefiere la utilización de fibras ópticas.

Aplicaciones médicas

Hoy a través del LASER es posible realizar operaciones que tenían antes demasiado riesgo o en donde los tiempos de recuperación eran demasiado prolongados con el uso de Endoscopios que son dispositivos construidos a base de fibras ópticas.

Aplicaciones Industriales

Las fibras ópticas encuentran aplicación dentro de la industria debido a su característica de inmunidad al ruido, porque en ambientes industriales hay altos niveles de interferencias.

CONCEPTUALIZACIONES FÍSICAS

Definición de la luz

La luz es una emisión continua de partículas de energía llamadas fotones. La emisión de estos fotones se hace en forma analógica, por tanto tiene una potencia que puede ser medida en decibeles (dB) y una frecuencia que puede medirse en Hertz (Hz).

En la figura anterior se muestra un esquema representativo muy sencillo de cómo una fuente emite constantemente cantidades de fotones, mismos que forman un flujo constante de energía que es lo que nosotros llamamos luz.

Ya que hemos visto la emisión de luz a través de una fuente de luz veamos una representación más formal en función del tiempo. En la siguiente figura aparece la luz como una señal analógica con una potencia Pot, en todo momento, cada cierto periodo se repite la emisión de esa potencia.

-La luz como señal analógica.

La luz tiene una frecuencia y se le llama señal analógica, esa frecuencia corresponde al número de veces  que se repite cierta cantidad de fotones por. segundo.

La frecuencia en señales ópticas

Las señales ópticas pueden ser vistas en función de su frecuencia, junto con las señales de radio. En la siguiente figura se muestra la representación del espectro ubicando todo tipo de señales según  el valor de su frecuencia.

En estas figura tenemos indicados a la derecha algunos valores claves en el orden de magnitud de algunas señales, como por ejemplo, para las señales de radiofrecuencia, su valor más alto es alrededor de 1 Ghz (109 Hz) mientras que las microondas se ubican hasta el orden de las decenas de GHz.Para la luz que el ojo humano percibe, los valores de las frecuencias de sus señales van de 1014 a 1016 Hz.Para las ondas de radio, se tendrán valores de longitudes de onda mayores a 10 cm. Para las M.O se tendrán longitudes de onda de alrededor de 1 cm y para la luz visible al ojo humano se tendrán longitudes de onda de entre 770 y 390 nm.

Expresión de la Longitud de Onda.

La Longitud de Onda indica cuanto mide esa señal en el espacio, y se mide en metros (m) o más formalmente en nanómetros (nm).

En esta representación, se ha dibujado una potencia decreciente de la señal, dado que la representación gráfica en este caso está en función del espacio, es decir de la distancia que recorre la luz. Conforme recorre más distancia, más potencia va perdiendo. 

Este fenómeno se observará sobre distancias del orden de los kilómetros. La longitud de onda es un parámetro que puede percibirse en la luz visible, ya que este parámetro el que determina el color de la luz. Así cuando hablamos de luz  a cierta longitud de onda, estamos hablando de una luz a cierto color. Cuando hablamos de luz blanca, en realidad se trata de una suma de luces de todos los colores.Recordemos que el blanco es la suma de todos los colores.En la siguiente figura se muestra la luz blanca y todos sus componentes.

La luz blanca y sus componentes.

Índice de Refracción

La luz viaja a 300,000 km./s, donde C es la constante universal de celeridad de la luz en el vacío. Sin embargo, no siempre viaja a esa velocidad. Esa velocidad corresponde al vacío, cuando la luz alcanza su máxima velocidad. 

En otros medios, como el aire, la luz viajara a otra velocidad que será menor a C. Aproximadamente la luz viaja en el aire a una velocidad de 290,000 km./s; en el vidrio viaja a una velocidad de 200,000 km./s. Cada cuerpo tiene una resistencia natural al paso de la luz, entre más opaco sea un material mayor resistencia tendrá al paso de la luz y menor será la velocidad de la luz en ese medio. 

Este parámetro de cada cuerpo que determina la velocidad de la luz en él, se llama Índice de Refracción. Este Índice de Refracción indica cuantas veces es menor la velocidad de la luz en ese cuerpo, con relación a la velocidad de la luz en el vacío. Su notación es la siguiente:

Indice de Refracción

Por ejemplo el caso del aire. La velocidad de la luz en el aire es Caire =290,000 km./s; y C=300,000 Km./s. Entonces, el Índice de Refracción del aire naire es naire =1.03.Para el vidrio, Cvidrio  =200,000 km./s, entonces vidrio =1.5.

Todos los índices de refracción son mayores a 1, solo para  el vacío que este es igual a 1.Entre más grande sea el Índice de Refracción de un material, menor será la velocidad de la luz en ese  medio.

LA LEY DE SNELL

 

Cuando hablamos de dos medios con diferente Índice de Refracción, implícitamente hablamos de la frontera que se forma entre esos dos medios. Para ver en que consiste la Ley de Snell., tenemos la siguiente figura:

La Ley de Snell

Cuando el ángulo de refracción rebasa los 900 es decir rebasa  la frontera, en este preciso momento decimos que no hay refracción y al valor del ángulo de incidencia correspondiente se le llama ángulo crítico c. Si se incrementa el ángulo de incidencia es decir si se excediera el ángulo crítico ocurre el fenómeno llamado reflexión Interna Total.

ESTRUCTURA DE LA FIBRA ÓPTICA

Para describir  la estructura de las fibras, debemos saber las dimensiones de ellas. Es un hilo de vidrio de hasta 15 kilómetros de largo y de 125 micrómetros de diámetro. Tan delgado como el cabello humano de tan sólo 70 micrómetros o micras de diámetro. Este hilo de vidrio esta conformado por dos elementos, el núcleo y el recubrimiento, mostrado en la figura  siguiente:

Estructura de  la fibra óptica.

Los dos elementos son de vidrio, específicamente de sílice (óxido de silicio) y de una pureza muy elevada. Este sílice como el resto de los vidrios, tiene un Índice de Refracción de  1.47.La causa por la cual se construyen las fibras ópticas con dos elementos concéntricos es para formar un tubo con Índice de Refracción menor al cilindro que contiene, cuyo Indice de Refracción es mayor. De tal forma el Recubrimiento tiene un Índice de Refracción de 1.47 y el Núcleo tiene un Indice de refracción de 1.5.con esto se obtiene la Reflexión Interna Total dentro de la fibra.

PROPAGACIÓN DE LA LUZ EN LAS FIBRAS ÓPTICAS.

En la siguiente figura se muestra el perfil de la capa longitudinal central de la fibra, se ve detalladamente como sigue su trayecto la luz al propagarse al interior de la fibra:

Apertura Numérica

Para asegurarnos de que haya una propagación de la luz al interior de la fibra, se deben cumplir dos condiciones:

El ángulo de incidencia sobre el núcleo sea menor al ángulo cA, con el fin de que haya una refracción en el punto A.

El ángulo de incidencia en la frontera núcleo-revestimiento, que será la misma dirección con que saldrá refractado del punto A, sea mayor al ángulo CB, con el fin de que haya una reflexión en el punto B.

Angulo de Aceptación.

En la figura anterior tenemos 3 medios y 2 fronteras. En la primera frontera 0-1 hay un ángulo crítico impuesto por n0  y n1 igual a 69.60.Si se incide en la dirección referenciada como A, el haz de luz se reflejará y no podrá ni siquiera pasar al interior del núcleo dado que está por fuera de ese ángulo crítico. Si se incide en la dirección B, se está incidiendo dentro del ángulo crítico; entonces la luz logrará pasar al núcleo refractandose; sin embargo, cuando llegue a la frontera núcleo-recubrimiento cuyo nuevo ángulo crítico está determinado por n1 y n2, o podrá reflejarse y pasará inevitablemente al recubrimiento y ahí se perderá.

Tampoco hay propagación. El tercer caso es cuando se incide en la dirección C. Este Cono de Aceptación ya considera las condiciones del primer ángulo crítico y del segundo que aplica ya dentro de la fibra. Siempre que se incida en una dirección que este dentro de ese espacio dibujado en color sólido en forma de cono, se tendrá garantizada la propagación.

ATENUACIÓN Y DISPERSIÓN

Al propagarse la luz a lo largo de la fibra va a sufrir algunos fenómenos o cambios debidos a características de la fibra óptica los cuales son:

La Atenuación: es la pérdida de potencia conforme la luz se propaga, entre más camino recorra la luz, mayor será la atenuación y por lo tanto menor será la potencia de luz a su llegada al otro extremo del enlace.

La Dispersión: consiste en el retardo que toma parte de la luz al viajar a lo largo de la fibra óptica. Por ejemplo si un pulso de segundo de duración y ese pulso lo hacemos entrar a un extremo de la fibra, del otro extremo obtendremos ese pulso con menor potencia, debido a la atenuación. La dispersión es el ensanchamiento en el tiempo de la luz. 

Entre más camino recorra la luz, mayor será el ensanchamiento y por lo tanto mayor será la duración del pulso de la luz a su llegada al otro extremo del enlace.

EL PRODUCTO DE ANCHO DE BANDA POR DISTANCIA

Los fabricantes de fibras ópticas o bien los cables ópticos proporcionan especificaciones de la fibra, entre esas especificaciones se encuentran los coeficientes de atenuación y de dispersión. Con estos datos se pueden hacer los cálculos correspondientes para saber si esa fibra le servirá en su enlace o no.

Las unidades de este parámetro son los GHzKm. Un ejemplo de este tipo tenemos que una fibra tiene un producto de 1000 GHzKm, lo que significa que puede transportar una velocidad de 1000 Gbps sobe una distancia de 1 kilómetro bien esa misma fibra puede emplear en un enlace una velocidad de 100 Gbps en una distancia  de 10 Km. Cualquier combinación siempre y cuando la multiplicación de la velocidad por la distancia  no exceda este valor.

4  TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

Existen  dos  tipos de fibras ópticas, las cuales son las fibras multimodo y las fibras monomodo. Por sus características particulares cada tipo se utilizan en aplicaciones diferentes.

PERFIL DE INDICE DE REFRACCIÓN

El Perfil de Índice de Refracción muestra  los diferentes valores del Índice de Refracción a lo ancho de una fibra, mostrando también sus dimensiones de diámetros.

Propagación de la luz en una fibra óptica monomodo

Ene esta figura se aprecia que el núcleo es mas pequeño y la luz viaja casi paralelamente al eje de la fibra, haciendo menos reflexiones.

Características de las fibras monomodo

Produce  mejor producto de ancho de banda por distancia.

Solo se presenta dispersión cromática.

Se requieren conectores muy adecuados.

Se requieren fuentes de luz precisas.

Se aplican para altas velocidades y redes de larga distancia.

FABRICACIÓN DE UNA FIBRA ÓPTICA

La primera es la preforma la cual es un tubo de vidrio de alta pureza,y la segunda es el estiramiento de la preforma.

La Preforma: La preforma es un tubo de vidrio de óxido de silicio o silice de gran pureza y con dimensiones de un metro de longitud y 5 cm de diámetro.

Con la preforma ya hecha esta lista para empezar el proceso de dopado (OH) el cual consiste en dejar al tubo libre de impurezas,se pone a una temperatura de1300 oC con una flama que se pasa alrededor del tubo el cual se mantiene girando sobre su propio eje.

Despues de esto se introducen vapores al tubo y al calentarse estos se depositan en el interior del tubo hueco,adhiriendosele y formando parte de la cara cilíndrica interior.En este paso de deja el tiempo necesario para alcanzar el índice de refracción deseado.

Entonces que ya se ha calculado el índice de refracción deseado de dejan de introducir los vapores y comienza un calentamiento más intenso a 1900ºC.

La preforma

Este calentamiento tan intenso causa un colapso en el tubo fundiendose completamente y desechando al huecoDespues de esto ya tenemos una estructura casi identica a una fibra óptica con un núcleo y un recubrimento con diferentes índices de refracción y lo único que no se obtiene son las dimensiones.

Para fabricar una fibra monomodo o multimodo se obtienen haciendo variaciones sobre todos los parámetros que intervienen en la fabricación de la fibra los cuales son temperatura de calentamiento,la velocidad de traslación,la velocidad de rotación y la cantidad de dopantes etc.

La fibra óptica

Una vez teniendo la preforma cilíndrica se procede a estirarla hasta que quede tan delgada como el cabello humano. Este proceso consiste en calentar la prefroma hasta que se derrita. Dos rodillos se encargan de jalar con fuerza necesaria para obtener el diámetro de 125 m. Un rayo láser monitorea todo el proceso de estirado, si el diámetro se pasa de los 125 m los rodillos jalaran con mas fuerza y sie el diámetro de la fibra es menor a los 125 m los rodillos jalaran con menos fuerza para compensar en diámetro requerido. Después de esto se pasa la fibra por una etapa de bañado de pintura que es la protección primaria y después será enrollada en la bobina la cual es el producto final de los fabricantes de fibra óptica.

.Fotografías  de  una fuente óptica.

Tipos de foto detectores

Estos dispositivos tienen la función de generar una señal eléctrica al ser excitados por una fuente de luz. Existen dos tipos de fotodetectores, tenemos a los tipo PIN   y a los APD.

Foto detectores tipo PIN

Este tipo de foto detectores  tienen una vida mayor útil que los de tipo APD y son más estables. No son muy sensibles. El nombre PIN de deriva de la estructura de estos fotodiodos,están conformados por una placa de material P otra de material intrínseco  I y una tercera de material tipo N. La sensibilidad y sobre todo la longitud de onda a la que se obtiene mejor sensibilidad depende del material con el que este fabricado.

Foto detectores tipo APD

Los foto detectores APD deben su nombre al funcionamiento del diodo que los constituye APD (Avalanche Photodiode).Lo que ocurre con este tipo de diodos cuando se les aplica un voltaje externo adicional tienen un efecto de ganancia interna que redunda en que ofrezcan una sensibilidad más alta. Esto quiere decir que la foto detectora responde a intensidades de luz más tenues, lo que puede operar en enlaces de mayor distancia lo  que trae consigo más luz atenuada.

RECEPTORES ÓPTICOS 

 En las comunicaciones por fibra óptica se usan como detectores de luz, principalmente los diodos PIN y APD. El comportamiento de estos semiconductores ha sido constantemente mejorado, especialmente en los que se refiere al tiempo de elevación del pulso y sensibilidad. En la actualidad se presentan en tamaños adecuados para ser acoplados en las fibras ópticas. 

EMPALMES Y CONECTORES DE FIBRAS ÓPTICAS

Conectores: Estos se utilizan para conectar a la fibra óptica a un equipo óptico. Existe una gran variedad de conectores en el mercado. En la siguiente figura se muestran los principales componentes de un empalme:

Estructura general de un conector

 Existen dos versiones de conectores;el conector macho y el conector hembra.La función del conector hembra es la de proveer el mecanismo que pone en contacto a los conectores machos.En cuanto a los componentes de un conector la férula cuenta con un orificio de gran precisión justo en el centro a través del cual se conduce la fibra óptica.Este orificio tiene un díametro  de 125  por lo que pasa la fibra desnuda incluyendo solamente a l núcleo y a la cubierta.Justo en el centro del conector hembra se pone en contacto,frente a frente,las dos ferulas con lo que se logra el contacto también entre las dos fibras.Es evidente que este contacto es de mucha presición,pues cualquier falla en el alineamiento o cualquier separación de más entre las mismas fibras provoca una atenuación y una reflexión que afecta al desempeño de todo el sistema.

Los otros elementos sirven para darle soporte a las férulas asegurando que el contacto sea estable y preciso.El cuerpo es la parte que sirve de base para la acción del elemento de fijación.El aliviador de tensión  permite que cuando un una persona especializada este manipulando el cable aplique la presión de sus dedos en esta parte y no directamente sobre la fibra.Esta parte esta hecha de un material de plastico que puede ser rigido o blando según su uso.La principal función del aliviador de tensión es que al efectuar una conexión,el radio del arco que forma el cable de fibra no exceda el radio minimo adecuado que evita una atenuación en la luz.

Conector tipo ST (Straight Tip)

Este conector fue diseñado por la compañía Lucent y es de uso bastante común en sus sistemas de cableado estructurado.

Conector tipo SC (Subscriber Conector)

Este tipo de conector tiene una fijación del tipo “empujar y jalar” conocida en inglés como Push Pull debido a que en esa forma es como se fijan el conector hembra con el macho.Debido a que no requiere del espacio necesario para el movimiento de los dedos alrededor del conector,se le utiliza para paneles de alta densidad en donde hay que acomodar muchos conectores juntos.

Conector tipo FC (Fiber Conector)

Este conector es bastante común en aplicaciones de telecomunicaciones.Muchos de los primeros sistemas de transmisión para fibras ópticas que se instalaron  en México en redes publicas empleaban este conector.Su fijación es mediante una rosca entre el conector hembra y el macho.Cuenta con una muesca que permite que el contacto se haga siempre en la misma posición.

Conector tipo MT-RJ de SIECOR

Este nuevo conector permite la conexión de dos fibras de manera simultánea.Funciona con el mecanismo push-pull.Son tan buenas las caracteristicas de este conector que incluso existe un grupo de empresas que conformarón un grupo llamado MT-RJ Alliance para impulsar su estandarización.El conector ocupa la mitad del espacio requerido por un conector SC.Este conector se usa tanto para fibras monomodo como multimodo. 

Empalmes 

Estos se utilizan para las conexiones que se pretenden ser permanentes.Estas uniones permiten unir los rollos de cable en un tendido de larga distancia.El numero de empalmes necesarios en un cierto segmento dependerá de la distancia a cubrir y de la cantidad de cable por cada rollo.

Existen dos tipos de empalmes:los mecánicos y los de fusión.Los primeros son más sensillos,de menor costo pero con ciertas deficiencias que los hacen comunes en aplicaciones dentro de redes LAN pero no en redes de alta capacidad para redes de telecomunicaciones públicas.Por el contrario los empalmes de fusión son los más utilizados en los enlaces de larga distancia y para redes metropolitanas MAN,SDH y WDM.

a).- Empalmes de fusión

Para realizar estos empalmes,se utiliza una máquina conocida como empalmadora de fusión.El primer paso es la preparación de cada uno de los dos extremos de cable.Para esto se retiran todas las cubiertas que protegen a la fibra óptica hasta dejar a la fibra desnuda completamente.Los extremos de la fibra desnuda se cortan con una herramienta de corte de precisión (cleaving tool) para que ambos extremos de la fibra queden perfectamente horizontales a fin de asegurar un buen contacto entre ambos.Después de este corte,los extremos de la fibra se limpian usando pañuelos especiales  una sustancia basada en alcoholes que sirven especificamente para este proposito eliminando así las impurezas.Inmediatamente después,ambos extremos de fibra se ponen a cada lado de la empalmadora.Las empalmadoras automaticas a partir de este momento sólo requieren de la indicación para proceder al empalme.Usando un sistema robotizado alinean en los dos ejes a ambos extremos de la fibra y los acercan para ponerlos en contacto.Uuna vez realizado el contactom,la empalmadora aplica un arco eléctrico durante un tiempo muy preciso con lo que se funde el vidrio de la funda y queda hecho el empalme.