COMUNICACIONES POR FIBRA ÓPTICA
I INTRODUCCION
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.
Comparado
con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuación de
sus señal, (Decremento o reducción de la onda o frecuencia) es de tal
magnitud que requieren de repetidores cada dos kilómetros para regenerar
la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos
de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo
que también hace más económico y de fácil mantenimiento este material.
Originalmente,
la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su
enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para
un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía, automatización
industrial, computación, sistemas de televisión por cable y transmisión
de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros
Fibra Óptica Como Portadora de Información.
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.
Figura.1.1-Modelo de red 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.
Tabla 1.2.-Elementos de conmutación y servicios de telecomunicaciones
ELEMENTOS DE
CONMUTACIÓN
|
TIPO DE SERVICIO
|
SERVICIOS OFRECIDOS
|
CENTRAL
TELEFÓNICA
|
SERVICIO CONMUTADO BASADO
EN CONMUTACIÓN DE CIRCUITOS
|
TELEFÓNIA LOCAL, TELEFONIA DE LARGA DISTANCIA, NUMEROS 800, NUMEROS 700, VPNS, CELULAR, PCS, WLL.
|
CROSSCONECTOR
|
SERVICIO DEDICADO BASADO EN CONMUTACIÓN DE CIRCUITOS
|
LINEAS PRIVADAS ANALOGICAS, LINEAS PRIVADAS DIGITALES (DS0,E0,E1,Nx64)
|
CONMUTADOR DE
PAQUETES
|
SERVICIO CONMUTADO Y DEDICADO VIRTUAL BASADO EN CONMUTACIÓN DE PAQUETES.
|
INTERNET, REDES, IP, X.25, FRAME RELAY, ATM, SMDS.
|
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.
Figura 1.3.-Conmutación de circuitos.
Crossconector
Este
elemento establece conexiones permanentes entre los dos extremos de la
comunicación, utilizando el mismo principio y tecnología que una central
telefónica. Los crossconectores dentro de una red de transporte pueden
establecer conexiones a diferentes velocidades, comenzando en 64 kps
(E0) ,2.048 Mbps (E1) y en la actualidad también a velocidades de la
jerarquía digital SDH como 155 Mbps (STM-1)
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.
Figura 1.4.-El crossconector para los servicios dedicados punto a punto
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.
Figura.1.5. -El conmutador de paquetes.
Con
esto en mente se diseñaron las redes basadas en la conmutación de
paquetes, como X.25 e Internet, las cuales permitían al compartir los
medios de comunicación y por lo tanto hacer las transmisiones de datos
de una manera eficiente y económica.
Este
principio de conmutación consiste en etiquetar la información de los
usuarios y hacerla viajar del mismo medio de comunicación, aprovechando
los instantes en que un usuario no envía información para enviar la de
otro, claro con el compromiso de experimentar congestión o retardo en
ciertos momentos pero a un bajo costo.
Con
este tipo de elementos se pueden establecer conexiones dinámicas y
permanentes, sin embargo estas se realizan de una manera virtual pues
solo existen en el momento en el que un usuario desea enviar
información.
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.
Adicionalmente
a la capacidad era necesario satisfacer otras necesidades (cantidad y
confiabilidad) por lo que a principios de los 90`s se presentó una nueva
jerarquía digital conocida como SDH promoviendo capacidades mucho
mayores que las existentes.
JERARQUIA DIGITAL PLESIOCRONA (PDH)
| |||
JERARQUIA
|
VELOCIDAD BINARIA Mbps
|
NUMERO DE LLAMADAS TELEFONICAS SIMULTAN.
|
MEDIO UTILIZADO
|
E1
|
2.048
|
30
|
M.O.F.O,SAT.
|
E2
|
8.448
|
120
|
M.O.F.O,SAT.
|
E3
|
34.368
|
480
|
M.O.F.O,SAT.
|
E4
|
139.264
|
1920
|
M.O.F.O,SAT.
|
JERARQUIA DIGITAL SINCRONA (SDH)
| |||
JERARQUIA
|
VELOCIDAD BINARIA Mbps
|
NUMERO DE LLAMADAS TELEFONICAS SIMULTAN.
|
MEDIO UTILIZADO
|
STM-1
|
155.520
|
1920
|
M.O.F.O,SAT.
|
STM-4
|
622.080
|
7680
|
F.O
|
STM-16
|
2,488.320
|
30,720
|
F.O
|
STM-64
|
9,953.280
|
122,880
|
F.O
|
Tabla 1.6..-Capacidades de transporte en redes digitales PDH y SDH.
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.
Figura 1.7-.-Transporte local y de larga distancia.
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.
Figura 1.8.-Opciones de medios de acceso a redes de telecomunicaciones.
En la actualidad existe una gran demanda por nuevos servicios y aplicaciones.
La
red de cobre los ha limitado y en consecuencia se ha provocado el
surgimiento de nuevas alternativas de acceso para estas nuevas
aplicaciones. Sin embargo debido a su gran valor también se han
desarrollado nuevas tecnologías que permiten la utilización del dicho
par de cobre a velocidades mayores, tal es el caso de las tecnologías
ISDN, HDSL, y ADSL. Esta última permite transmitir señales digitales del
orden de los 6 Mbps en el sentido de la red al usuario. Para
aplicaciones de acceso e Internet de alta velocidad y vídeo en demanda
(VoD).
Dentro
de las nuevas tecnologías que se presentan en la actualidad para
accesar a los usuarios podemos identificar diversas tendencias:
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:
Figura 1.9.-Integración de servicios
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.
Mayor capacidad de transmisión
En general la necesidad de mayores anchos de banda o capacidades en el transporte sé esta viendo acotada por dos aspectos:
Incremento de tráfico multimedia sobre las redes de telecomunicaciones.
Incremento del número de usuarios de las redes de telecomunicaciones.
En
todos los ambientes de comunicaciones existe una fuerte migración hacia
los ambientes gráficos y el contenido multimedia. Esto es de esperarse
pues lo que se pretende es lograr una comunicación con todos los medios
que pueden ser utilizados cuando dos personas se comunican de manera
presencial, pero ahora a distancia.
Por
otro lado, cada vez es mas necesario trasladar la información y no a
las personas desde diferentes puntos de vista, como sociales,
económicos. Esto trae como resultado el crecimiento de usuarios de
redes de telecomunicaciones y cuando estas tienen contenido como el
caso de Internet como se ve en la figura.
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.
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.
Comparado
con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuación de
sus señal, (Decremento o reducción de la onda o frecuencia) es de tal
magnitud que requieren de repetidores cada dos kilómetros para regenerar
la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos
de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo
que también hace más económico y de fácil mantenimiento este material.
Originalmente,
la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su
enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para
un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía, automatización
industrial, computación, sistemas de televisión por cable y transmisión
de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros
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)
Figura 1.10.-Crecimiento del número de usuarios de telecomunicaciones.
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.
DISPONIBILIDAD
|
INDISPONIBILIDAD
|
EN TIEMPO
|
99.1%
|
0.9%
|
3 Días, 6Hrs,50Min,24s
|
99.5%
|
0.5%
|
1 Día, 19Hrs,48Min
|
99.9%
|
0.1%
|
8Hrs,45Min,36S
|
99.95%
|
0.05%
|
4Hrs,22Min,48S
|
99.99%
|
0.01%
|
52Min,33S
|
99.999%
|
0.001%
|
5 Min, 15s
|
Tabla 1.11.-Niveles de disponibilidad de una red de transporte
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.
Distancia entre repetidores
|
Vida útil
|
Efectos
Climáticos
|
Complejidad de
Operación
|
Capacidad
| |
Satélite
|
Solo uno
|
Limitada
|
Si
|
Alta
|
Media
|
Par de Cobre
Cable coaxial
|
Corta
2-10 Km
|
Larga
|
No mucho
Humedad
|
Moderada
|
Media
|
Microondas
|
Media
25-75 km
|
Larga
|
Si
Lluvias
|
Moderada
|
Media-alta
|
Fibras ópticas
|
Larga
Hasta 600 km
|
Muy larga
|
Nulos
|
Moderada
|
Muy alta
|
Tabla 1.12.-Opciones de medios de transporte
Cuando
comenzaron las redes de larga distancia el medio utilizado era el par
de cobre aéreo (open wire), el cual podría llevar una sola llamada a la
vez y con muy baja calidad. Después vinieron los enlaces de microondas y
satelitales analógicos. Cuando se inventaron los primeros sistemas
digitales se utilizó el par de cobre y el cable coaxial para llevar
treinta llamadas de voz simultaneas por un mismo medio, pero con una
necesidad de repetidores cada 2 km. aproximadamente. Hoy existen las
microondas digitales con capacidades hasta de 1920 llamadas de voz, así
como enlaces satelitales de la misma capacidad. Sin embargo las fibras
ópticas son el medio que en la actualidad, mediante sistemas SDH y WDM,
permiten más de 1, 000,000 de llamadas de voz sobre una misma fibra
óptica.
Existen
diversas opciones de medios de transporte, pero definitivamente las
fibras ópticas cuentan con el mejor escenario para la implementación de
redes de transporte. Proveen la mayor capacidad, la mayor distancia
entre repetidores, la mejor calidad y por lo tanto relación costo
beneficio. En la siguiente figura se comparan los diferentes medios de
transporte desde diferentes medios de transporte desde diferentes puntos
de vista.
Figura 1.13.-Mercado mundial de fibras ópticas.
Aunque
las fibras ópticas presentan la mejor relación costo beneficio, esto
solo ocurre cuando realmente se necesita la capacidad que estas pueden
soportar, así como distancias encima de los 100 km. En situaciones en
donde la capacidad es menor la utilización de sistemas de microondas y
en algunos satelitales pueden ser una mejor alternativa, sobre todo
cuando se trata de terrenos accidentados o muy apartados de las zonas
urbanas. El tiempo de implementación es otro factor de decisión, el cual
en algunos casos puede ser determinante para elegir un medio diferente a
las fibras ópticas.
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.
Entre
los elementos que componen un enlace mediante fibras ópticas
encontramos las fuentes de transmisión LED y LASER, los foto detectores,
los regeneradores, amplificadores ópticos, acopladores, multiplexores,
equipo de medición y equipo para WDM.
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.
Figura 1.14.- Protocolo IP como la capa de convergencia.
Hoy
se comienza a utilizar la cuarta y la quinta ventanas ópticas, nuevos
estándares ópticos se empiezan a establecer, redes ópticas en
configuración de anillos auto restaurables, la utilización de técnicas
WDM y DWDM para el uso más eficiente y el uso de los cables de fibra
óptica instalados y por instalar. Finalmente hoy se empieza a instalar
redes ópticas con cross conectores y multiplexores ópticos de nivel
físico. Todos coinciden en que el protocolo IP será el protocolo de
interfaz para todas las aplicaciones de los usuarios, el protocolo de
convergencia como se le ha llamado. Algunos proponen IP/ATM/SDH/WDM,
otros IP/SDH/WDM/ y finalmente IP/WDM realizando funciones de
conmutación en el nivel óptico.
2 LAS FIBRAS ÓPTICAS COMO MEDIO DE TRANSMISIÓN
2.1 MARCO HISTÓRICO
Las comunicaciones por ondas de luz guiadas fueron consideradas por primera vez
hace
más de 100 años. En 1854 John Tyndall expuso los conceptos en donde se
discutía la reflexión interna de la luz, principio fundamental para las
comunicaciones mediante señales de luz guiadas por fibras ópticas.
En
1880, Alexander Graham Bell hablo de la posibilidad de transmitir
señales usando un haz de luz y en 1884 invento el fotófono, con el cual
logro una transmisión a una distancia de 200 metros.
En 1934,AT&T obtiene la patente para una guía de onda óptica y al inicio de los años 60 se inventas el LASER (Light Amplification by Simulated Emision of Radiation).
Hasta antes de 1970 la implementación de comunicaciones ópticas
mediante guías de onda de luz estuvo restringida a distancias muy
cortas, debido a las altas atenuaciones de la guía de onda óptica.
En
1966 se implementan las primeras fibras ópticas de forma experimental y
operando con atenuaciones de 1000 dB/km.En 1970 la compañía Corning
Glass logró producir una fibra de silicio (SiO2),
con atenuaciones de 20 dB/km aproximadamente. Por otro lado, el
desarrollo de las fuentes de luz LED y LASER comenzaron a madurar por
esas fechas, esto permitió la transmisión de señales sobre unos cuantos
kilómetros.
Figura.2.1-Desarrollos angulares dentro del área de fibras ópticas.
A
partir de 1970 el desarrollo tecnológico había experimentado una
curvatura de crecimiento muy acelerada. Hoy se cuenta con fibras ópticas
con atenuaciones del orden de los 0.2 dB/km. con capacidades en el
orden de los Gbps y Tbps, mediante tecnologías SDH y DWDM.
En
1999 se presentó un multiplexor capaz de transmitir a una capacidad de
1.28 Tbps sobre una fibra óptica, lo cual significa más de un millón de
voz simultáneas.
Hoy
las fibras ópticas se utilizan para enlaces de larga distancia
terrestres y transoceánicos, se espera que algún día la conexión de una
milla sea también mediante fibra óptica. Ello permite comunicaciones
multimedia de alta capacidad y calidad entre todos los habitantes de la
tierra.
A
partir de 1990 se han logrado varias mejoras sobre las tecnologías de
fibras ópticas que han permitido incrementar la capacidad y reducir el
costo de las redes ópticas de hoy.
Los primeros trabajos de WDM (Wavelenght Division Multiplexing)
fueron realizados en 1994,cuando se utilizaron acopladores bicónicos
para combinar dos señales sobre la misma fibra. Otro pilar dentro de las
comunicaciones ópticas son los amplificadores del tipo EDFA (Erbium Dopped Fiber Amplifier),
pues permiten que la señal sea amplificada sin necesidad de convertirla
a una señal eléctrica para su regeneración. Por otro lado reducen
enormemente los costos en enlaces de largas distancias en contraste a la
utilización de regeneradores eléctricos.
Figura.2.2- Utilización de WDM
La
utilización de amplificadores ópticos dopados con erbio (EDFA)permite
la implementación de WDM para el incremento de la capacidad de una
fibra, pues este tipo de amplificadores tiene una respuesta plana en el
espectro óptico. En los sistemas actuales se utilizan 40,80 y 128
longitudes de onda sobre la misma fibra óptica, a esto ya se le conoce
como DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing).
Otro
elemento que permite el incremento de la capacidad lo encontramos en
los emisores LASER con ancho de banda angosto, los cuales permiten la
combinación de diversas longitudes de onda sobre una la misma fibra;
además de lograr mayores distancias entre repetidores.
Actualmente
se logra visualizar la revolución que provocarán los Láser
sintonizables, los multiplexores WDM y los Cross conectores ópticos
sobre las redes basadas en fibras ópticas. Se manejarán capacidades
inimaginables, además de que se podrán proveer servicios de longitud de
onda punto a punto, en donde el protocolo utilizado sobre dicha longitud
de ondas será independiente.
Figura.2.3-Servicios de longitud de onda de punto a punto.
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.
Figura.2.4-Ejemplo de capacidad de las fibras ópticas.
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.
Figura 2.5.-Comparación de un cable de fibra óptica y cables de cobre.
En
la figura anterior se compara la atenuación que puede conseguirse con
fibras ópticas monomodo en contraste a diferentes tipos de cables
coaxiales del tipo RG.
Como
observamos la diferencia en niveles de atenuación es enorme, por lo que
las diferencias en distancias máximas soportadas o anchos de banda
máximos a distancias razonables es muy marcada entre los cables
coaxiales y las fibras ópticas.
Figura 2.6.- Comparación de atenuación entre fibras ópticas y cables coaxiales.
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.
Figura 1 Atenuación de una Típica Fibra Óptica hecha de Silicio
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.
(Figura 2) Gráfica de Dispersión Cromática contra Longitud de Onda
(Figura 3) Componentes de Dispersión de los Materiales y Guías de Onda
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.
(Figura 4) PMD en una Fibra de Modo Simple cuya asimetría es uniforme a lo largo de su longitud
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.
COMPONENTES DE LA FIBRA ÓPTICA
La fibra es tan pequeña y frágil, que se le ubica dentro de un cable, como se ve en la figura.
Cable de una fibra
El
núcleo que consiste de vidrio de cuarzo, tiene un índice de refracción
más alto que el revestimiento de vidrio, cuarzo o plástico que lo rodea.
A su vez la superficie del revestimiento esta protegida por una
cubierta primaria de acrilato. La fibra esta protegida contra esfuerzos
mecánicos debidos al cableado, instalación, cambios de temperatura,
etc., ya que usualmente se coloca libre en el tubo que forma la cubierta
secundaria.
Los aspectos principales para la propagación de luz en las fibras ópticas son:
Que la pureza del material del núcleo sea tan alta, que la atenuación se mantenga dentro de los límites razonables.
Que
los rayos, que por una razón u otra tiendan a cambiar su dirección de
propagación, se mantengan dentro del núcleo de la fibra.
La alta pureza fue un problema en el procesamiento del material de la
fibra que ya ha sido resuelto. Se debe tener en cuenta que tanto el
índice de refracción como la transparencia, varían con la longitud de
onda y la temperatura. Una cierta pérdida por dispersión de la fibra no
puede ser evitada por razones teóricas. A mayores longitudes de onda las
perdidas aumentan debido a la absorción de rayos infrarrojos (absorción
del calor). Los rayos son mantenidos en el núcleo debido a que el
índice de refracción disminuye cuando aumenta la distancia desde el
centro de una sección transversal imaginaria del núcleo de la fibra. Por
esto el índice de refracción puede disminuir por pasos, como en la
fibra con índice escalonado o hacerlo gradualmente como en la fibra con
índice gradual. Las fibras ópticas son también unos medios especialmente
adecuados para el transporte de impulsos digitales de alta velocidad.
Formados
por finos tubos de vidrio plástico o cuarzo fundido metidos de varias
milésimas de milímetro. Su nombre deriva del hecho de que son excelentes
guías de onda para los impulsos lumínicos, y se emplean para transmitir
informaciones de cualquier naturaleza transformadas en bits, en forma
de ondas electromagnéticas de elevadísimas frecuencias, iguales a la de
la luz.
Se utilizan concretamente frecuencias cercanas de infrarrojo, de unos
300 billones de hertzios, para las cuales tanto el vidrio como el cuarzo
fundido son perfectamente transparentes, mientras que la envoltura de
plástico es completamente opaca: de esta forma, las fibras ópticas
tienen la gran ventaja de evitar los fenómenos de interferencia
electromagnética, lo que las hace inmunes a las escuchas abusivas.
Las
fibras se reúnen en cables, que poseen un número variable de ellas. Los
más difundidos llevan 216 fibras, reagrupadas tres veces de seis en
seis. Estos cables resultan incluso más baratos que los cables de cobre
clásicos, y también son más ligeros manejables y fáciles de instalar.
Para empalmar los cables ópticos hay que fundir con un equipo especial.
A
pesar de todas las ventajas de que existen también hay ciertas
desventajas que deben ser consideradas al momento de tomar la decisión
de instalar un enlace mediante fibras ópticas; ya que dependiendo del
escenario podría resultar que la utilización de otro medio de
transmisión sea más rentable .A continuación las principales
desventajas de las fibras ópticas:
Por el tipo de tecnología utilizada los sistemas de transmisión todavía son más caros.
Los conectores utilizados sobre fibras ópticas son muy caros actualmente.
El costo-beneficio que se puede obtener depende de la distancia a cubrir, así como el ancho de banda a utilizar.
Las canalizaciones para redes de larga distancia tiene complicaciones dependiendo del tipo de terreno.
La conectorización exige nuevas técnicas y herramientas.
El manejo de las fibras ópticas requiere mayor adiestramiento y capacitación del personal.
Hay
demasiado cobre instalado en la última milla como para pensar que la
fibra óptica lo sustituya en corto plazo. La instalación de los cables
es más sensible a las curvaturas.
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.
Las
fibras ópticas no tienen competencia en los enlaces de muy larga
distancia, ¿pero que hay en el acceso?, es aquí en donde los satélites
encuentran hoy su mayor aplicación y por lo tanto curva de crecimiento.
Por ejemplo en redes de televisión restringida DTH la única forma viable
para llegar a todos los usuarios es mediante el satélite, la solución
con fibra óptica simplemente no es costearle. Otro ejemplo son las redes
de voz y datos que requieren movilidad, como los sistemas PCS
satelitales IRIDIUM, GLOBALSTAR y TELEDESIC.
Otra
área en donde se siguen utilizando los satélites es en la transmisión
de señales de vídeo entre televisoras, pues en ocasiones es necesario
generar señales desde algún punto remoto o cambiante a través del
tiempo, por lo que resulta necesario contar con unidades móviles
satelitales capaces de transmitir desde cualquier punto.
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.
Figura 2.8-Fibras ópticas vs. Microondas digitales
En
términos de distancia, los repetidores entre sitios de microondas para
la regeneración de señales no deben estar separados mas allá de 79 km
típicamente, dependiendo d diversos factores de diseño; las fibras
ópticas soportan cuando menos 150 km como distancia mínima entre
repetidores.
La
utilización de un enlace de microondas en lugar de uno con fibras
ópticas solo se justifica cuando la capacidad requerida es poca, digamos
menos de un E3 y a distancias entre 3 y 15 km. Este es el caso
precisamente cuando se prefieren las microondas como acceso para
usuarios que desean estar conectados a algún tipo de servicio de
telecomunicaciones. Por ejemplo troncales digitales, acceso permanente a
redes de Frame Relay o Internet o como última milla de enlaces dedicados punto a punto.
En
cuanto a calidad tenemos existe misma situación que en enlaces
satelitales, existe una dependencia a factores climáticos y a
interferencias.
La
utilización de cables de cobre y las fibras ópticas. Realmente tanto
el cable coaxial como el par de cobre como medio de transporte han
quedado fuera de toda posibilidad, debido a las diferencias con medios
como las fibras ópticas y las microondas con respecto a calidad,
atenuación, tamaño, costo por circuitos, etc. son sustanciales.
Sin
embargo en el segmento de acceso y debido a la gran infraestructura
instalada en la planta externa de redes de telefonía local y de
televisión por cable (CATV),los pares de cobre y el cable coaxial se
siguen utilizando y desarrollando.
Para
el par de cobre se han desarrollado nuevas tecnologías que permiten
utilizarlo a grandes velocidades, en el orden de los Mbps .Por lo que
permite su uso para nuevas aplicaciones hasta que la instalación de
fibras ópticas hasta el usuario sea viable. A estas nuevas tecnologías
de cobre se les agrupa como tecnologías xDSL, y encontramos entre ellas
a HDSL,ADSL,VDSL,RADSL,ISDL,etc.
2.5 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.
Figura 2.9 .Estructura de redes de larga distancia y acceso mediante fibras ópticas.
En
redes de larga distancia el uso de fibras ópticas es el preferido, pues
provee la mejor relación costo beneficio, gracias a la gran capacidad
de información y a las grandes distancias entre repetidores.
Actualmente,
cualquier empresa que planea implementar una red de larga distancia de
gran capacidad incluye a las fibras ópticas como un elemento estratégico
para su éxito. Sin embargo, las inversiones son cuantiosas y su
implementación sólo es justificada si se tienen relativamente altos
volúmenes de información.
El
costo de implementación de fibra óptica por kilómetro oscila entre los
$10,000 y los $20,000 USD, dependiendo del tipo de terreno. Por lo tanto
una red de apenas 1000 km se encuentra por arriba de los millones de
dólares.
En
la tabla se muestran las principales redes de larga distancia
instaladas en México antes y después de la apertura de las
telecomunicaciones en 1997.Los datos que se presentan en dicha tabla
corresponden a cifras oficiales en 1997 presentada en las concesiones
otorgadas a cada una de las empresas respectivamente, sin embargo las
cifras reales se han ido modificando por diferentes causas.
Empresa
|
Inversión en MDD
15 años
|
Km .de F:O (5 años)
|
Cobertura
(Ciudades en 5 años)
|
ALESTRA
|
1,000
|
8,600
|
32
|
AVANTEL
|
1,800
|
20,000
|
33
|
BESTEL
|
200
|
2,250
|
60%
|
IUSATEL
|
1,200
|
7,500
|
69
|
MARCATEL
|
2,500
|
1,300
|
61
|
MIDITEL
|
300
|
Red Satelital
|
5,000
|
PROTEL
|
412
|
1,600
|
36
|
TELMEX
|
12,000
|
30,000
|
20,554
|
Tabla.2.10.-Redes de larga Distancia en México
Por
otro parte en redes de acceso las fibras ópticas también se están
implementando a gran escala. La estrategia consiste en establecer
anillos metropolitanos como red primaria, enlazando sitios o edificios
estratégicos y de a partir de ahí derivar diversos anillos secundarios
para contar con varios puntos de presencia, también sobre edificios
estratégicos.
Los
objetivos son poder brindar servicio a las empresas localizadas en los
edificios incluidos en los anillos y tener un punto cercano a muchos
otros edificios, en donde la implementación de enlaces de microondas
punto a punto (PAP) o punto a multipunto (PAM) y enlaces por cobre con tecnologías xDSL sea factible.
En
México, dentro del marco de la apertura y adicionalmente a la red de
TELMEX, se están implementando redes de acceso local basadas en fibra
óptica, tanto para nuevos operadores de redes de acceso o CAPs (Competitive Access Provider) o bien operadores de telefonía local o CLEC (Competitive Local Exchange Carrier).Como
ejemplo de estos nuevos operadores encontramos a AXTEL, ALESTRA,
AVANTEL, MAXCOM, MCM, MetroRed, Metronet, PEGASO, UNEFON etc. Las cuales
comenzaron en 1999.
En
redes submarinas el uso de fibra óptica ha sido un factor importante
dentro del concepto de la globalización, haciendo desaparecer las
fronteras, pues con ellas las comunicaciones entre continentes de gran
capacidad, de gran calidad y de bajo costo han sido posibles.
Figura 2.11.-Proyecto Global Crossing de fibra óptica submarina y terrestre
(Solo se muestra una parte del proyecto)
Existen
decenas de cables submarinos instalados y decenas de proyectos por
instalar. Por mencionar algunos sistemas de cable submarinos tenemos al
sistema Columbus 11, con 12,300 km entre América y Europa y en donde
México tiene participación a través de TELMEX. Otro proyecto importante
es el de OXYGEN el
cual se perfila como una plataforma para la INTERNET2.La última
aplicación de las fibras ópticas dentro del ámbito de las
telecomunicaciones se refiere a las redes d e televisión por cable
(CATV).
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.
3 PROPAGACIÓN DE LA LUZ
3.1 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)
Figura.3.1-Una fuente de luz
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.
Figura.3.2-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.
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Figura.3.3-Espectro de Frecuencias
La longitud de onda
La letra griega Landa representa la longitud de onda .Y su ecuación es la siguiente:
Figura.3.4.-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).
Figura.3.5-La longitud de Onda.
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.
Figura.3.6-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:
Figura.3.7-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:
Cada medio
cuenta con un índice de refracción y entre ambos medios tenemos formada
la frontera. Como se indica en la ley de Snell, cuando se hace incidir
un haz de luz sobre una
Frontera con un ángulo θi medido a partir de una línea normal o perpendicular a la frontera, este haz de lu7z se dividirá en dos partes:
Una parte del haz de luz incidente se quedará en el mismo medio y regresará con un ángulo θr.
Decimos que aquí hay una reflexión. El ángulo de reflexión es igual al
ángulo de incidencia y el ángulo de refracción toma otro valor. Las
relaciones entre los ángulos participantes en este fenómeno están
perfectamente determinadas y expresadas en la Ley de Snell que iguala el
ángulo de incidencia con el ángulo de reflexión. Para el ángulo de
refracción tendremos:
Figura 3.9.-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 θc.
Si se incrementa el ángulo de incidencia es decir si se excediera el
ángulo crítico ocurre el fenómeno llamado reflexión Interna Total.
Figura.3.10.-Variación del Angulo de Incidencia.
Ahora
en ves de variar el ángulo de incidencia con índices de refracción
constantes, hay una dirección de incidencia constante, un medio 1 con
índice de refracción constante y el índice de refracción del medio 2
variable. En esta representación gráfica tenemos la frontera en forma
horizontal, esto no afecta en nada y servirá como se propaga la luz
dentro de las fibras ópticas.
Figura 3.11.-Variaciones del Índice de Refracción
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:
Figura.3.12-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:
Figura.3.13-Perfil de una fibra óptica
Para
poder entender este diagrama iniciaremos con la frontera vertical que
se forma entre el medio 0 y el núcleo que es el medio 1.Dado que hay una
frontera, entonces existe un ángulo critico que depende de n0 y de n1,
para que el haz de luz en el punto A pueda traspasar al núcleo es
necesario que incida en esta frontera con un ángulo menor a ese ángulo
crítico determinado por n0 y n1. Requerimos de una refracción en el punto A
Una
vez que el haz de luz ha entrado en el núcleo, éste debe incidir en la
frontera horizontal formada por el núcleo y el revestimiento, de tal
forma que haya una reflexión total interna. Para que eso sea posible el
ángulo de incidencia en el punto B debe ser mayor al ángulo crítico
determinado por n1 y n2.
Dado
que el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia, el haz de
luz saldrá del punto B con la misma dirección con la que llego y llegará
al siguiente punto de la frontera núcleo-recubrimiento con las mismas
condiciones y se tendrá en ese siguiente punto otra vez una reflexión
interna total.
En conclusión; la luz entra al núcleo retractándose en la frontera formada por los medios
0-1;
posteriormente se ira rebotando a lo largo de la fibra mediante
reflexiones internas totales en las fronteras formadas por los medios
1-2.
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 θcA, 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 θCB, con el fin de que haya una reflexión en el punto B.
Figura.3.14-La Apertura Numérica.
Esta
formula indica en forma directa y proporcional qué tanto margen en
dirección tenemos para incidir sobre el punto A teniendo la garantía de
que una vez dentro, la luz refractada en A, se reflejara en B.
Angulo de Aceptación
Se
mide en grados y que dice más fácilmente cual es la región en que
debemos incidir el haz de luz sobre A para garantizar la propagación.![]()
Figura.3.15-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.
Figura.3.17-La Atenuación y la Dispersión
Vemos
como un pulso de luz que inicialmente tiene una potencia de entrada va
perdiendo esta potencia conforme viaja a lo largo de una fibra de
longitud determinada L, en kilómetros. Al recuperarse el pulso en el
otro extremo, el pulso tiene tan solo una potencia menor que la potencia
de entrada y la duración inicial del pulso es T segundos.
Coeficientes de Atenuación y Dispersión
En
cualquier segmento de fibra es posible medir cuánta potencia se pierde
en el trayecto,recordemos que esas pérdidas son debidas a diferentes
causas. Para hacer tal medición bastaría con medir la potencia en la
entrada,luego medir la potencia en la salida y la diferencia entre ambas
equivaldría a la atenuación total de esa fibra. Entre más pequeña sea
esa atenuación la fibra tendrá una mayor calidad,pero esta medición
depende de la longitud del segmento de fibra.
Para
manejar este parámetro que no dependa de la longitud de la fibra y que
exprese la calidad de la fibra,tenemos al coeficiente de atenuación α,que indica cuanta potencia se pierde en cada kilómetro recorrido de fibra.
En
la dispersión es posible medir cuánto tiempo de más tiene un pulso dado
al recorrer un trayecto. Para medir la duración a la salida y la
diferencia entre ambas equivaldría al ensanchamiento sufrido por el
pulso. La letra con que se simboliza este ensanchamiento es la letra τ.
Otro
parámetro independiente de la longitud de la fibra y que expresa el
ensanchamiento,se ha definido el coeficiente de dispersión σ,que indica cuanto tiempo se ensancha un pulso por cada kilómetro recorrido y la formula del valor del coeficiente es τ/L.
Expresiones para la atenuación y la dispersión
Para
la atenuación tenemos dos fórmulas,una empleando Watts como unidad de
potencia y otra que se emplea para los cálculos efectuados al hacer el
presupuesto de Potencia:
Figura 3.18.-Expresiones de la potencia.
Para
la dispersión tenemos dos expresiones, una para cada una de los dos
tipos de dispersión que existen. En las fibras ópticas tenemos
dispersión modal y dispersión intramodal o cromática.
Figura 3.19.-Expresiones de la dispersión
En
la fibra óptica se presentan ambos casos, aunque hoy en día la
dispersión modal es casi nula, restando sólo la dispersión intramodal.
Factores que propician la atenuación
Existen tres causas de perdida de potencia en un enlace óptico, que son por absorción, por empalmes y por curvaturas.
Perdida por absorción: es
por el simple hecho de propagarse la luz por un medio se perderá
potencia irremediablemente .Hay absorción intrínseca y extrínseca.,la
primera no se puede evitar y la otra se debe a que la naturaleza del
vidrio sino a la forma en que fueron fabricadas..Las impurezas o
pequeñas burbujas de aire o de otro material que puedan quedar como
remanentes de impureza serán la causa de que los fotones choquen y se
desvíen, perdiéndose así energía.
Perdidas en un enlace óptico: son
los elementos de unión que pueden ser los conectores o los empalmes.
Los conectores son empleados para unir una fibra con un equipo, y los
empalmes son usados para unir dos fibras y hacer una más grande. La
causa de porque los conectores o empalmes introducen perdidas es que
para la luz esto significa pasar por una frontera y recordando la ley de
Snell, de reflexiones y refracciones. Por diferentes métodos de
fabricación de conectores y métodos de empalmado, se han mejorado
sustancialmente estas pérdidas.
Perdidas por curvaturas: Siempre
que haya una curvatura en un cable de fibra óptica habrán perdidas. Hay
dos tipos de curvaturas, las macro curvaturas y las micro curvaturas.
Las primeras son apreciadas a simple vista y pueden despreciarse si no
se excede un radio de curvatura igual a 20 veces el diámetro del cable. Y
las segundas las macro curvaturas, son apreciables a simple vista, son
pequeñas torceduras o presiones que sufre la fibra y que también
introducen perdidas. Este tipo de curvaturas ocurren cuando se sujeta
demasiado fuerte una fibra.
Figura 3.20.-Pérdidas por unión. Causas que propician la dispersión
Existen dos causas principales, la dispersión modal y la dispersión intramodal o cromática.
Dispersión modal:es
cuando se tiene una onda electromagnética que se radia para su
propagación en una guía de onda, la onda viajera encontrara varios
caminos para propagarse a lo largo de la guía. A estos caminos se les
llama modos de propagación dependiendo de las dimensiones de la guía de
onda y de la frecuencia o longitud de onda se podrán propagarse uno o
más modos.
Dispersión intramodal o cromática:esta
dispersión de debe a que el índice de refracción del material no es
independiente de la longitud de onda de la luz que viaja por dicho
material..Al variar el índice de refracción y de acuerdo a la Ley de
Snell se varía también el ángulo con el que la luz incide a la frontera
núcleo-cubierta y por lo tanto esa componente de luz seguirá una
trayectoria propia.En las fuentes LED que se emplean,se tiene un ancho
espectral del haz de luz de aproximadamente 40 nm,lo que genera una
dispersión cromática fuerte.Para evitar este problema se han
desarrollado fuentes como las Láser tipo DFB (distributed feedback) con
anchos menores a 1 nm que reducen notablemente la dispersión cromática.
Efectos de la atenuación y la dispersión en un sistema de Telecomunicaciones
En
un sistema de telecomunicaciones a base de enlaces ópticos,la
atenuación es muy importante ya que de ella dependerá el alcance que
tenga dicho alcance..Si en el enlace se emplea fibra con un coeficiente
de atenuación muy malo,la distancia del enlace será muy pequeña. Por lo
contrario si se emplean fibras con un buen coeficiente de atenuación,la
distancia será mayor. Actualmente la distancia máxima de un enlace
óptico es de 600 km.
La formula que se emplea para calcular el ancho de banda máximo que puede transportar una fibra es la siguiente:
B representa el ancho de banda máximo o velocidad máxima que puede manejar en una fibra con un coeficiente de dispersión σ y una distancia L.
3.6 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.
Figura.4.1-Perfil del Índice de Refracción
FIBRAS MULTIMODO
Este
tipo de fibras fueron las primeras que se fabricaron para uso comercial
en la época de los 80´s.Este nombre se le atribuyo a su funcionamiento
interno. Cuando un haz de luz entra refractado al núcleo de una fibra,
no toda la energía se propaga por la misma trayectoria, algunos fotones
tomarán una trayectoria, otros tomarán otra y otros otra. Puede haber
cientos de trayectorias dentro de ese tipo de fibras.
El hecho de tener múltiples modos da lugar al nombre de este tipo de fibras.
El
gran inconveniente de tener múltiples trayectorias o modos es que unos
llegaran mas pronto al tener que dar menos rebotes, por lo tanto
recorrer menos distancia que otros. Tiempo después llegaran los modos
que dieron mas rebotes, obviamente llegaran con un retardo en relación
a los primeros modos, esto provocara una especie de eco de la señal
y cono resultado tendremos una señal prolongada en el tiempo. En este
tipo de fibras hubo dos subtipos dentro del tipo multimodo, estos son:
Multimodo de Índice Escalonado y Multimodo de Índice Gradual.
Fibras Multimodo de Índice Escalonado
En
este subtipo de fibras multimodo su núcleo esta ligeramente dopado, lo
que hace que su índice de refracción sea ligeramente mayor que el Indice
de Refracción del recubrimiento. Ese dopado es constante en todo el
núcleo, en la frontera, el valor del Indice de Refracción cambia
abruptamente, disminuyendo al valor del índice del recubrimiento. Este
cambio abrupto en el valor de los Indices y su representación gráfica en
el perfil del índice es lo que da nombre a este subtipo de fibras. Las
dimensiones del diámetro del núcleo han variado y se han fabricado
núcleos de 62.5 micras y de 50 micras, seindo más comunes las primeras.
Figura.4.3-Perfil de fibra Multimodo de Índice escalonado
En
la siguiente figura se muestra como se propaga una señal en una fibra
de índice escalonado. Los múltiples modos toman su trayectoria y se
propagan en forma independiente.
Figura 4.4.-Propagación de la luz en fibras multimodo de índice escalonado
Características de las fibras de índice escalonado:
Fuerte dispersión modal
Producto Ancho de Banda por Distancia Pequeño.
Uso de LED´s como fuentes ópticas.
Apertura Numérica grande.
Requerimientos mas holgados para conectores.
Aplicaciones pasadas:LAN´s distancias cortas, velocidades pequeñas, hoy en día en desuso.
Fibras multimodo de Índice Gradual
Este
tipo de fibras esta dopado en el núcleo y va cambiando conforme nos
alejamos del eje de la fibra; justo en el centro habrá un nivel n1 que
irá descendiendo hasta llegar al nivel n2 correspondiente al
recubrimiento. El dopado no es constante en el núcleo, su valor de
índice de refracción va descreciendo en forma gradual hasta llegar al
índice del recubrimiento,donde ya permanece constante.Este cambio
gradual en el valor de los índices y su representación gráfoca en el
perfil del índice,es lo que da nombre a este tipo de fibras.Las
dimensiones del diámetro son las mismas que las del de Índice
Escalonado.
Figura .4.5-Perfil de fibra multimodo de índice gradual.
Este
tipo de perfil fue fabricado para evitar el problema de la dispersión
q ue era tan fuerte en el perfil de las fibras de índice
escalonado.En las fibras de índice escalonado el problema era que los
modos se adelantaban unos de otros.
La
solución a este problema fue la construcción de hacer que cada uno de
los modos presentes en una fibra multimodo,se reflejara en diferentes
radios para que al final en un punto todos coincidieran.
En la siguiente figura se muestra como se propaga una señal en una fibra de índice gradual..
Figura 4.6.-Propagación de la luz en fibras multimodo de índice gradual.
El
avance que presento al pasar de índice escalonado a índice gradual
significo una reducción de 10 del total de dispersión que se tenía en
las primeras,en estos días las fibras multimodo que mas se usan son del
tipo gradual.
Características de las fibras multimodo de índice gradual
Producto de Ancho de Banda por Distancia mayor que las de índice escalonado.
Dispersión modal 10 veces menor que las de índice escalonado.
Uso de LED`s como fuentes ópticas.
Apertura Numérica grande.
Requerimientos más holgados para conectores.
Aplicaciones LAN´s;distancias cortas,velociodades pequeñas.
FIBRAS MONOMODO
Este
nombre reciben laa fibras porque solamente un rayo o haz de luz entra
refractado al núcleo de una fibra y toda la energía se propaga por la
misma trayectoria y solo hay un modo o trayectoria dentro de este tipo
de fibras. Este tipo de fibras fueron construidas con el fin de evitar
el alto índice de dispersión causada por los múltiples modos.
Figura 4.7.-Propagación Monomodal
Fue
posible emitir un solo modo reduciendo el diámetro del núcleo de 62.5
micras que tenían las multimodo a 9 micras, con esto un solo haz o modo
se propagaría.
Figura 4.8.-Perfil de una fibra monomodo.
Este tipo de fibra es de tipo de índice escalonado por la forma en que se dopa al núcleo y por la forma de su perfil.
En el siguiente diagrama se muestra como se propaga la luz en una fibra monomodo:
Figura 4.9.-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
Para el proceso de fabricación de una fibra óptica tenemos dos etapas:
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.
Figura 4.10.-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 μm. Un rayo láser monitorea todo el proceso de estirado, si el diámetro se pasa de los 125 μm los rodillos jalaran con mas fuerza y sie el diámetro de la fibra es menor a los 125 μm
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.
Figura 4.11.-Proceso total de la fabricación de las fibras ópticas.
- DISEÑO DE ENLACES
5.1 DIAGRAMA A BLOQUES DE UN ENLACE ÓPTICO
En
la siguiente figura se observa un diagrama de un sistema de
telecomunicaciones basado en fibras ópticas. Este enlace tiene una
topología punto a punto (PAP).Esta red es de tipo anillo ya que se
conforma de varios enlaces punto a punto que inician y terminan en un
mismo punto. ![]()
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Figura 5.1 Diagrama de un enlace.
Describiremos
el funcionamiento de este sistema; por el lado izquierdo una señal
eléctrica que puede ser analógica o digital entra en el equipo de
transmisión óptico. Este equipo adecua la señal para su transmisión a
través de la fibra óptica, convirtiendo la señal eléctrica a una señal
óptica. La señal ya en forma de luz pasa a la fibra óptica la cual se
conecta al equipo de transmisión con el cable de fibras ópticas que se
usara posteriormente para el enlace exterior.
Este
enlace esta formado por varios segmentos, cada segmento consta de una
emisión de luz, un tramo de fibra óptica y un regenerador. Por causa de
la atenuación tenemos que regenerar la señal cada cierta distancia en el
enlace para que no pierda su potencia y llegue la señal completa hasta
el otro extremo.
Dentro de cada segmento hay empalmes que estos se utilizan para unir dos tramos de fibra a cada cierta distancia.
Una
vez que ha llegado al otro extremo el mismo sistema de transmisión
recibe la señal y ahora la convierte de óptica a eléctrica para dar por
terminada la tarea de todo el sistema de comunicaciones.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN
Este
es el primer elemento del sistema de comunicaciones basado en fibras
ópticas y a continuación se muestra un proceso de transmisión y
recepción que simultáneamente se lleva a cabo dentro del sistema de
transmisión:
En
la figura anterior se muestra todo un sistema de transmisión. Su
operación esta dividida en dos partes. Del lado izquierdo esta la etapa
de transmisión que consta desde la entrada de la señal óptica para su
recorrido a través de la fibra óptica. La parte de la derecha es la
etapa de recepción, que comprende desde la llegada de la fibra de la
señal óptica hasta que se entrega la señal eléctrica.
Etapa de transmisión
En la siguiente tabla se muestran aplicaciones de las señales que es común en la práctica:
Entorno de aplicación
|
Velocidades
|
Interfases/Comentarios
|
Enlaces de datos a corta distancia.
|
Desde 64 Mbps hasta 2 Mbps
|
Interfaces
típicas de datos como V.35, EIA-530,HSSI y para E1 o E3 la G.703.En
categoría están equipos conocidos como modems ópticos
|
Redes LAN
|
10 Mbps,100 Mbps y ahora 1 Gbps
|
Interfaces AUI y MII.Se usan en equipos conocidos popularmente como Transceivers.
|
Enlaces de alta capacidad
|
Desde 2 Mbpsn hasta 155 Mbps
|
Interfaces
G.703, hay velocidades ópticas mayores, pero en estos casos ya no hay
interfaces eléctricas al exterior de los equipos.
|
Tabla 5.1.-Aplicaciones de las señales comunes en la practica.
Posteriormente,
lo primero que se hace con la señal eléctrica es agregar información
adicional. El propósito de agregar información esta en la necesidad de
incorporar funciones que permitieran una mejor administración del enlace
como son las siguientes:
Canal de voz para comunicación de los usuarios de terminal a terminal (order wire)
Canal
de datos para el usuario. Canales de control para la operación del
sistema de control de potencia para casos de corte de fibra. Estructura
de una trama propia del sistema.
Palabra de sincronía propia del sistema.
El
siguiente paso se le llama aleatorización y codificación, en este
proceso se utilizan códigos binarios “0” y “1”.Si se trata de un 1 esto
se representa con un nivel alto de potencia óptica y si se trata de un
cero, esto representa un nivel bajo o de plano ausencia de señal. Si en
la señal óptica se presenta una secuencia muy larga de unos y de ceros,
eso podría redundar en un tiempo demasiado largo sin cambios en el nivel
de la señal óptica con la consecuente posibilidad de perder sincronía.
Para evitar lo anterior se tiene este proceso de aleatorización,
mediante el cual se manipula la señal para evitar que se presente una
combinación demasiado larga de unos y de ceros. Después de esto se
somete a un proceso de codificación en el cual se utilizan códigos como
5B6B que consisten en que cada combinación de 5 bits de la señal
original se generan 6 bits de manera que este 20% de información
adicional facilita la detección y corrección de errores en la
comunicación.
Posteriormente
se tiene el proceso de modulación directa en el que, los unos se
codifican con un nivel alto y los ceros con un nivel bajo de potencia
óptica.
Etapa de recepción
Consiste
en revertir lo realizado en la etapa de transmisión. Primeramente se
tiene la interfaz de línea en la que al igual que en la etapa de
transmisión se conecta al cable de fibra óptica exterior, con el foto
detector, este tiene una misión de convertir la energía de luz percibida
en impulsos eléctricos cuya amplitud es proporcional a la intensidad de
la luz, el ser excitado con una intensidad alta de luz, el foto
detector generará un nivel alto de señal eléctrica lo que significará un
uno.
Posteriormente
sigue la etapa de decodificación o desaleatorización, estos dos
procesos se llevaran a cabo solo si sucedieron en la etapa de
transmisión. De ser así, es necesario para que el efecto neto sobre la
información real sea nulo. Asimismo, si en la etapa de transmisión de
dio el agregado de información se procederá de retirar esta a fin de
dejar únicamente la señal eléctrica que originalmente se alimento. Por
ultimo se resta el adecuar la señal eléctrica al código de línea que
corresponda la interfaz eléctrica en cuestión.
Tipos de fuentes ópticas
Tenemos dos tipos de fuentes ópticas:
- -Fuentes tipo LED (Light-Emiting Diode)
TRANSMISORES ÓPTICOS
Transmisores Ópticos
Muchas de las propiedades del láser no pueden aun ser explotadas, por
ejemplo, el pequeño ancho de banda y la coherencia de la luz del mismo.
En la actualidad los láser son usualmente fabricados a partir de
materiales semiconductores (Diodo láser, LD).
Además
de los laceres, también se usan los diodos emisores de luz, LED. Ellos
fueron desarrollados en la década de los 70's y son sencillos y baratos.
Lamentablemente emiten una luz de gran ancho de banda y como irradian
en forma esférica, solamente una pequeña parte de la potencia puede ser
introducida en la fibra.
Diferentes LED
Estas
son las fuentes más usuales cuando se requiere de un bajo costo y las
aplicaciones no son tan demandantes en términos de distancia y ancho de
banda. Una de las ventajas de las fuentes tipo LED es su alta
estabilidad en el nivel de emisión contra el tiempo, su vida útil y su
comportamiento prácticamente lineal en cuanto al nivel de potencia con
relación a la corriente eléctrica de excitación.
Sin
embargo para aplicaciones de alta velocidad hay una gran desventaja con
las fuentes tipo LED, esta es el ancho espectral de haz emitido. Por
ejemplo aunque la longitud de onda nominal de una fuente LED sea por
ejemplo de 850 nm ± 20 ó
30 nm. Este ancho significa que la emisión de luz contiene toda una
gama de componentes con diferentes longitudes de onda. Las fuentes LED
se usan bastante con este tipo de fibras en la 1ª y 2ª 1 ventanas ópticas, a 850 y 1310 nm respectivamente.
2. -Fuentes tipo LASER (Llght Amplification by Simulated Emision of Radiation)
Estas
fuentes son las ideales para aplicaciones de alta capacidad y velocidad
como las que corresponden a las fibras monomodo. Normalmente se trabaja
con estas fuentes en la 2ª y 3ª ventanas ópticas a 1310 y 1550 nm respectivamente.
Las
fuentes tipo LASER ofrecen la posibilidad de potencias bastantes
mayores, el ancho espectral de la fuente es bastante pequeño y soportan
velocidades de modulación muy altas. Uno de los inconvenientes es que
no son tan lineales. Esto significa que la curva de potencia de luz
emitida contra corriente de excitación presenta un punto de quiebre en
donde se pierde completamente la linealidad.
Con
este comportamiento resulta difícil la modulación del LASER para la
transmisión de señales. Esto también ocasiona que el LASER nunca se
apague. Cuando se transmite un uno se tiene una potencia alta y cuando
se transmite un cero se tiene una potencia baja, pero nunca nula.
Figura 5.3.Comportamiento y Modulación de una fuente tipo LASER
Como conclusión comparemos en un tabla las diferencias entre una fuente tipo LED y la fuente tipo LASER:
Características
|
LED
|
LASER
|
Potencia acoplada en μW
|
>50
|
3000
|
Ancho espectral
|
30 a 150
|
<1 a 5
|
Ancho de banda máximo
|
1 GHz
|
6 GHz
|
Tiempo de vida estimado en horas
|
105 a 106
|
104 a 105
|
Costo
|
Bajo
|
Alto
|
Fibras
|
Multimodo
|
Multimodo y Monomodo
|
Tabla 5.2.-Comparación entre fuentes LED y LASER
Figura 5.4.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.
Receptor PIN
Receptor APD
Figura 5.5.Fotografía de un foto detector.
En la siguiente tabla se muestran las diferencias entre los foto detectores PIN y APD.
Característica
|
PIN
|
APD
|
Sensibilidad (dBm para una tasa de error de 1 x 10-6
|
-30 a –45
|
-40 a –50
|
Rango de longitud de onda de respuesta en nm.
|
200 a 1700
|
200 a 1700
|
Potencia de ruido equivalente (W/Hz)1/2
|
1 x 10-10 a 27 x 10-14
|
1 x 10-14
|
Costo
|
Bajo
|
Alto
|
EQUIPOS DE REGENERACIÓN
Cuando
la luz se propaga a lo largo de la fibra va sufriendo el fenómeno de la
atenuación, por lo que va disminuyendo su intensidad. La combinación
entre la potencia de la fuente en un extremo y la sensibilidad del foto
detector en el otro determinan la distancia máxima que se puede
recorrer.
Para
alcanzar esa distancia es necesario regenerar la señal a fin de que
pueda restablecer el viaje a lo largo de otro segmento de fibra. En la
siguiente figura se muestra la función interna de los regeneradores:
Figura 5.6.-Funcionamiento de un regenerador.
El
primer paso es recibir la señal óptica con los pulsos atenuados y
ensanchados y convertirla en una señal eléctrica, esta señal eléctrica
se regenera la sincronía mediante un circuito conocido como PLL (Phased Locked Loop).Este
circuito consta de un oscilador interno que varía a la velocidad
nominal de la señal eléctrica en cuestión y que va corrigiendo su fase
mediante la comparación de la misma con la fase de la señal entrante.
Con esta sincronía regenerada se va leyendo la información y si se
identifica un uno se regenera un uno y así también con los ceros de
manera que se tiene una señal 100% renovada como se ve a la derecha del
circuito de regeneración de pulsos.Por ultimo esta señal es de nuevo
convertida en una señal óptica a fin de que continúe hasta el siguiente
regenerador o punto terminal.
Todo
regenerador esta diseñado y construido para operar a una cierta
velocidad binaria o sea que si el regenerador trabaja a 165 Mbps y se
desea aumentar la velocidad del enlace a 544 Mbps, se tiene que cambiar
el regenerador a otro de 544 Mbps. En los equipos SDH permiten que para
este paso no se requiera cambiar el regenerador en su totalidad y solo
algunas tarjetas.
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:
Figura 5.7.-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 μ 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.
Figura 5.8 Tipos de contacto entre las férulas.
En la parte de la izquierda se muestra el contacto entre férulas conocido como Contacto Físico (PC,Physical Contact) y en el lado derecho se muestra el Contacto Fisico Angulado (APC,Angled Physical Contact).La
diferencia entre los dos esta en la reflexión que presentan.En el
contacto tipo PC,yendo de izquierda a derecha,del 100% de la luz que se
incide,el 4% se refleja a la salida de la primera fibra óptica.Un 4%
adicional se reflaja en la entrada de la siguiente fibra,con lo que en
total se pierde el 8% de la potencia de señal óptica.Ahora,ese 8% viaja
en dirección contraria a la señal incidente y aparecerá como señal
reflejada en el extremo de emisión.En el contacto de tipo APC también se
pierde el 8% por lo que la atenuación es la misma en ambos tipos de
contacto.El ángulo de entre 8 y 12 grados con el que esta efectuando el
contacto hace que las dos señales reflejadas,en la primera y en la
segunda fibras no se regresen al punto de emisión.En la primera fibra
esta señal se pierde en el recubrimiento y en la segunda se refleja
fuera del cono de aceptación de la primera fibra por lo que no se
propaga.
En
aplicaciones tipo Lan no es tan importante la atenuación mientras que
en redes de telecomunicaciones de larga distancia es muy importante la
atenuación así como la reflexión generada,esto ultimo sobretodo en
altas capacidades por encima de los 622 Mbps.
A continuación se dan a conocer algunos de los conectores más comunee en aplicaciones relacionadas con telecomunicaciones:
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.
Despues
de realizado el empalme,es necesario protegerlo mediante algún
mecanismo.Para este efecto, se usan los protectores de
empalmes.Funcionan de manera similar a un “Hot Dog”,pues están formados
por dos tapas unidas al centro.Las fibras empalmadas se colocan al
centro de una de las tapas que cuenta con una superficie pegajosa a la
que se adhiere la fibra.Después se cierran las tapas y la fibra queda
bien protegida en el interior.
b).- Empalmes mecánicos
Estos
empalmes se emplean en redes LAN en donde no es necesario un desempeño
tan alto por parte de los empalmes.También se usan como reparaciones
temporales en redes de larga distancia después de algún corte a fin de
reestablecer de manera rápida el servicio.La preparación de los cables
de fibra óptica para estos empalmes es la misma.Se desnuda la fibra,se
hace el corte de presición en ambos extremos y se limpian.El empalme
mecánico consiste en mantenener las fibras en contacto permanente
mediante algún mecanismo.
Contenedores de empalmes
Ya
que se han empalmado todas las fibras que estan contenidas en un
cable,se deben de proteger los mismos para garantizar que duren y que se
mantengan sus caracteristicas.Para esto se utilizan los contenedores
de empalmes.Las caracteristicas de esos equipos varian de acuerdo a su
uso.Algunos se utilizan en postes,en isntalaciones aéreas,otros se
depositan dentro de contenedores de fibra de vidrio,de asbesto o de
concreto.Todos los equipos cuentan con un mecanismo para sujetar
firmemente a los cables de fibra cuando entran al contenedor.A partir de
este punto los cables se pelan y se dejan las fibras con sus
empalmes.Los empalmes se depositan en charolas especiales para este
fin.Las fibras empalmadas dan varias vueltas dentro del contenedor para
evitar la entrada de humedad.
CABLES DE FIBRAS ÓPTICAS
Los
cables de fibra óptica son muy faciles de quebrar y por esto se tiene
la necesidad de darles protección con una o dos cubiertas.
Protección básica
La estructura básica de la fibra comprende el núcleo y la cubierta con un díametro exterior de 125 μm,a
esto se le conoce como fibra desnuda;sin protección alguna.La
protección básica que lleva la fibra óptica dentro de la estructura de
los distintos tipos de cables consiste en una protección primaria y en
otra conocida como secundaria.
La protección primaria consta de una cubierta a base de un material acrílico con un diámetro exterior de 250 μm.En
muchas ocaciones este material se tiñe con colores para pder
identificar a las diferentes fibras dentro de un mismo cable.Esta
cubierta está bien pegada a la fibra y además de la protección le da
rigidez para su manejo.
La
cubierta secundaria tiene sus variantes.En general consta de una
protección a base de un material polimérico con un diámetro exterior
hasta de 900 mm.
Las
variaciones residen en la forrna de conducir la fibra dentro de esta
protección secundaria.En la siguiente figura se muestran las fibras con
protecciones primaria y secundaria:
ESTRUCTURA Y HACES DE FIBRA ÓPTICA
Existen una multitud de tipos y estructuras de cables ópticos, daremos algunos ejemplos y clasificación elemental.
Conjunto
de fibras. Es un cable compuesto por un gran número de fibras
yuxtapuestas y enceradas en una cubierta protectora, por lo que es el
más simple de los cables. En un haz de fibras, estas se utilizan en
paralelo. Hay dos tipos de haces de fibras:
El
primero se compone de un gran número de fibras (200 a 400) y tiene una
gran atenuación (de 400 a 1000 dB/km.) y una gran apertura numérica (de
0.5 a 0.6). La ventaja de un haz como este es el tamaño de la superficie
efectiva que facilita el acoplamiento con emisores de gran superficie
emisiva. Se utiliza en enlaces muy cortos.
El
segundo tipo de haz esta constituido por 6 a 40 fibras más eficientes,
atenuación de aproximadamente 20 dB/km. y con una apertura numérica
alrededor de 0.2. Un haz como este, tiene un diámetro exterior de unos
cuantos milímetros, lo que facilita el acoplamiento entre le emisor y la
fibra.
En
los haces, las fibras no están protegidas contra las microcurvaturas y
contra las altas tensiones; sin embargo, dado el gran numero de fibras,
la ruptura de una de ellas tiene menos consecuencias. Es necesario tener
en cuanta esta pérdida para el acoplamiento entre el emisor y la fibra,
ya que no se propaga la luz inyectada fuera de los núcleos de las
fibras.
Haz de 19 fibras con cubierta protectora
Estructuras
típicas. Tiene un elemento de refuerzo, central o periférico. Las
fibras tienen un revestimiento apretado o flojo (en un tubo), todo ello
recubierto por un revestimiento protector.
Cable óptico con estructura típica.
Las
fibras con revestimiento apretado o flojo generalmente están cableadas
en forma de hélice para que estén repartidas las tensiones en las
curvaturas del cable. El numero de fibras varia de 1 a mas de 20. Para
aumentar el numero de fibras, se pueden introducir varias unidades en un
mismo cable o sobreponer capas de fibras.
Cables ópticos.
a) Cable con 7 unidades de 7 fibras.
b) Cable con repartición concéntrica de fibras
Estructura
de cinta. Los laboratorios Bell fueron los primeros que estudiaron este
tipo de estructuras en las que las cintas están contra-pegadas sobre 12
fibras, después agrupadas y retorcidas en grupos de 12. Se tienen así
144 fibras en una sola estructura.
Cable con estructura de cinta.
En
las estructuras de cinta, las fibras pueden tener revestimiento
apretado (fibras contra-pegadas) o revestimiento flojo (fibras colocadas
en tubos de aluminio y recubiertas con polietileno). La ventaja
primordial de una estructura como esta es el gran numero de fibras que
se pueden agrupar (144 fibras para un cable de diámetro exterior de 12
mm).
Estructuras
cilíndricas ranuradas. Esta estructura, elaborada en Francia por el
CNET, permite utilizar fibras provistas solo de su revestimiento
primario; después se depositan, libres y sin tensión, en las ranuras
helicoidales de un soporte central
Canal con estructura cilíndrica ranurada
INFLUENCIAS DE AGENTES EXTERNOS A LA FIBRA ÓPTICA
La
fibra desde su salida del horno hasta su instalación y su utilización
en el campo, esta sometida a una serie de interacciones con agentes
externos. Estos pueden influir al enrollar la fibra sobre tambores,
durante las operaciones de cableado y de colocación del cable, así como
en el transcurso de su utilización. Las interacciones son mecánicas o
químicas. Es importante conocer la influencia de estos agentes externos
sobre las propiedades ópticas y mecánicas de la fibra, con el fin de
fabricar un cable con muy buena calidad.
Influencia
de agente externos sobre las propiedades mecánicas. Cuando una fibra
esta sometida a una fuerza en sentido longitudinal, se dice que se ha
aplicado un esfuerzo normal a la fibra. Por la acción de este esfuerzo
normal, la fibra sufre un alargamiento o una dilatación lineal relativa,
este comportamiento se explica por la presencia de pequeñas fisuras en
la superficie de la fibra. Cuando se aplica una elongación relativa a
una fibra, esta se concentra al rededor de la fisura, la que se abre por
efecto del esfuerzo. Como resultado de este fenómeno, la resistencia de
una fibra a la ruptura depende mucho más del estado de la superficie y
de las microfisuras que se encuentran, de las fuerzas de enlace de los
átomos de vidrio.
Estas
microfisuras pueden tener varios orígenes; inhomogeneidades del vidrio,
separación de fase del vidrio debido al tratamiento térmico que sufre
la fibra durante su fabricación, interacciones con el medio ambiente
externo a la superficie de la fibra a la salida del horno de formación,
daños mecánicos.
Ahora
se entiende el papel de la cubierta plástica sobre la fibra desde su
salida del horno de formación, los daños mecánicos provocan fisuras
mayores y se pueden producir al enrollar la fibra sobre un tambor. Bajo
esfuerzo la fibra envejece y se rompe después de un cierto tiempo; a
esto se le llama fatiga estática de la fibra. La probabilidad de ruptura
de una fibra es una función del tiempo y este fenómeno de fatiga se
debe al medio ambiente exterior principalmente a la humedad. Una fibra
sometida a tensión en el vacío, en ausencia total de la humedad, escapa
prácticamente al fenómeno de fatiga.
Influencia
de las curvaturas y microcurvaturas. En una instalación real, la fibra
óptica es cableada, lo que implica contacto mecánico, ya que la fibra
debe ser soportada por los elementos constitutivos del cable. Además, el
cable debe sufrir curvaturas para vencer obstáculos sobre el terreno.
Curvatura
de la fibra. En el interior del cable, una fibra puede no seguir una
trayectoria rigurosamente recta, y por el contrario sufrir curvaturas.
Si la fibra esta curvada, el ángulo de reflexión ya no es constante
entre una reflexión y otra.
Las
perdidas ópticas que se deben al acoplamiento modal son ocasionadas
cuando los modos (rayos) que forman ángulos pequeños con el eje cambian a
modos con ángulos muy grandes, los cuales no pueden mantenerse dentro
de la fibra y la abandonan con el correspondiente aumento en la
atenuación.
Curvaturas.
Debido a que el ángulo de incidencia "y", para muchos rayos (modos),
decrece considerablemente en una curvatura, y no alcanzan la condición
para la reflexión total, muchos rayos abandonan el núcleo. Esta perdida
será notable si el radio de curvatura "R" es menor que 5-10 mm.
Micro
curvaturas de la fibra. Además de las curvaturas continuas en la fibra,
el cableado puede causar pequeñas curvaturas que se repiten a lo largo
de la fibra.
Micro curvaturas
Las
micro curvaturas se presentan por ejemplo, con las variaciones de
temperatura, cuando la fibra y el recubrimiento tienen diferentes
coeficientes de dilatación térmica.
Estas
micro curvaturas son especialmente desfavorables cuando sus longitudes
de onda (geométrica) son menores de 1 mm, para evitar esto, se puede
recubrir la fibra con una capa protectora relativamente blanda gracias a
la cual los efectos de la rigurosidad de las superficies en contacto
con la fibra no se transmitan fácilmente a esta. Las micro curvaturas
también se presentan como resultado de esfuerzos mecánicos.
Figura 5.9.-Diagrama para la protección secundaria.
La
función principal de la protección secundaria es el de cuidar a la
fibra de los esfuerzos mecánicos derivados del manejo cotidiano de los
cables de fibra óptica durante la instalación.Con esta protección se
disminuyen las microcurvaturas.
a).-Protección secundaria holgada.
Una
de las protecciones más utilizadas consiste en que la estructura de la
protección secundaria sea un tubo hueco en cuyo interior descansa el
cable de fibra óptica.El espacio de aire dentro del tubo permite
amortiguar los esfuerzos sobre la fibra.Uno de los inconvenientes que en
este caso es que la pared interna de la protección no es completamente
lisa por lo que se pueden generar fricciones y curvaturas indeseables en
la fibra.Una variante para evitar esto consiste en rellenar el vacio
con una sustancia gelatinosa que evita la fricción y repele la
humedad.Otra forma es darle un acabado acanalado a la pared interna del
tubo y en forma de hélice porque la fibra tiene una superficie de
contacto con la pared interna mucho menor.
b).-Protección secundaria ajustada.
En
esta segunda capa existe un espacio hueco entre la fibra y la pared
interna de la protección secundaria.Este espacio esta relleno por el
mismo material de la protección secundaria por lo que ahora la fibra se
encuentra firmemente rodeada por dicho material sin posibilidad de
movimiento.El resto de la estructura varia de acuerdo a ala aplicación
que tendrá cada cable de fibra óptica.
Cables para interconexión en interiores
Estos
cables se utilizan en el interior de una sala de comunicaciones.Sirven
para efectuar conexiones entre los puntos de distribución y de consumo
en los paneles de parcheo y también entre el panel de parcheo y los
equipos de comunicaciones.
Estos cables se pueden presentar en un formato individual,conocido como simplex o en formato duplex con
dos cables unidos.En este tipo de cable es bastante común que cuando se
use el color amarillo para las fibras monomodo y el color anaranjado
para las fibra multimodo.
Cables con múltiples fibras para interiores
Estos
cables son de aplicación amplia en la construcción de redes dorsales,en
redes LAN corporativas.Se usan por ejemplo para hacer la red que
conecta varios pisos dentro de un edificio o en un estadio.
El
numero de fibra contenidas en este tipo de cable siempre son de un
número par y algunos de los cables más usados tienen 6,12 ó 18 fibras.
Cables para exteriores en ducto y de inmersión directa
Estos
cables se utizan para comunicar sitios distantes entre sí.Son los que
se emplean para la construcción de redes metropolitanas o de larga
distancia.Estan clasificados en dos grupos.Primero están los cables
diseñados para ser conducidos através de los ductos.Es decir,primero se
entierra el ducto y posteriormente a través del mismo se inserta a los
cables de fibra.El ducto provee un cierto nivel de protección.Por otra
parte,cuando no se usan ductos,el cable se entierra directamente por lo
que se requiere de una mayor protección contra los agentes externos que
se pueden presentar.
Cables submarinos
Una
de las aplicaciones mas fabulosas de las fibras ópticas es el tendido
de sistemas de comunicación entre continentes por debajo del mar.En
estas aplicaciones se requiere que las fibras ópticas esten bien
protegidas contra la enorme presión que el mar tierne.Estos cable deben
llevar elementos metálicos para la alimentación que energiza a los
amplificadores ópticos que están bajo el agua también.Estos cables
llevan un número reducido de fibras pues el número de amplificadores que
se pueden encapsularno es muy alto.
Cables de tendido aéreo
En
otras ocaciones es mejor hacer un tendido aéreo del cable en lugar de
abrir zanjas en la tierra para su inmersión.En redes MAN se pueden
colocar postes y de ahí colgar los cables de fibra.Otra aplicación es en
las redes WAN o de larga distancia,está en el tendido del cable
apoyándose del hilo de guarda que hay entre las torres que llevan cables
de alta tensión.
Figura 5.10.Cables para tendido aereo en forma de ocho y Cable aéreo con hilo de tensión interno.
La
diferencia entre estos dos tipos de cables esta en que el primero el
cable de fibra óptica va por debajo del hilo de tensión formando un ocho
y el segundo tipo de cable el hilo de tensión va en el centro del
mismo .Una de las ventajas con este tipo de tendido es que ofrece menor
resistencia al aire y no tiene área en la que se pueda acumular algún
tipo de residuo que dañe sus estructura física y es de menor peso total
del cable por unidad de longitud es menor con este tipo de tensión.
Tipos de cable:
Patchcord simple CPS
Se usa para fabricar latiguillos o para interconectar equipos de audio, video, datos así como instrumentación y control.
Patchcord doble CPD/CIP
Se usa para la transmisión horizontal de datos y señales en el interior de edificios
Cable de distribución interior CDI
Se usa para la transmisión horizontal de datos y señales en el interior de edificios
Cable interior-exterior armado dieléctrico CDAD
Cable muy robusto con una excelente resistencia mecánica, para instalaciones de interior y
exterior con armadura dieléctrica como protección antirroedores.
Cable interior-exterior armado metálico CDAM
Cable
muy robusto ideal para instalaciones en interior, así como en exterior
con armadura metálica como protección antirroedores.
Cable de Distribución interior reforzado CDIR
Cable
muy robusto con una excelente resistencia mecánica y gran facilidad de
conectorización. Se usa para la transmisión horizontal de datos y
señales en el interior de edificios.
Cable de Interconexión Simple: CPS
Descripción y aplicaciones:
- Se utilizan para la confección de cordones y latiguillos así como para la interconexión de equipos terminales.
Construcción
1 - Fibra óptica
2 - Recubrimiento ajustado
3 - Refuerzos de aramida
4 - Cubierta HFLSFR
Ventajas
- Multimodo o Monomodo.
- Compacto y ligero.
- Conectorización directa.
- Flexible y resistente.
- Antihumedad.
- Excelente resistencia mecánica.
- Muy fácil de pelar, libre de gel.
- No propagador de la llama, baja emisión de humos y libre de halógenos (HFLSFR).
Totalmente dieléctrico.
Opciones
- PVC-FR flexible
Poliuretano FR
Fibras
|
Simple
|
Diámetro (mm)
|
3,0
|
Peso (Kg/Km)
|
10
|
Tensión máxima en instalación (Kg)
|
50
|
Tensión máxima permanente (Kg)
|
30
|
Radio de curvatura (cms)
|
3
|
Cable de interconexión dual: CIP
Descripción y aplicaciones:
Se utiliza fundamentalmente para la interconexión de equipos terminales.
Construcción
1 - Fibra óptica
2 - Recubrimiento ajustado
3 - Refuerzos de aramida
4 - Cubierta individual HFLSFR
5 - Cubierta HFLSFR
Ventajas
- Dos fibras ópticas.
- Conexión directa
- Compacto y ligero.
- Flexible y resiliente.
- Muy resistente.
- Antihumedad.
- Dieléctrico.
- Excelente resistencia mecánica.
- Muy fácil de pelar, libre de gel.
No propagador de la llama, baja emisión de humos y libre de halógenos (HFLSFR).
Opciones
- PVC-FR flexible
Poliuretano FR
CIP
|
CPD
| |
Número de fibras
|
2
|
2
|
Diámetro (mm)
|
4 x 7
|
3.0 x 6. 5
|
Peso (Kg/Km)
|
25
|
20
|
Tensión máxima en instalación (Kg)
|
100
|
100
|
Tensión máxima permanente (Kg)
|
50
|
50
|
Radio de curvatura (cms)
|
4
|
3
|
Cable de distribución interior-exterior: CDI
Descripción y aplicaciones:
Cable compacto y ligero, que se utiliza para la distribución de datos y señales en interiores de edificios y en campus.
Construcción
1 - Fibra óptica
2 - Recubrimiento ajustado
3 - Refuerzos de aramida
4 - Cubierta HFLSFR
Ventajas
- Compacto y ligero.
- Múltiples fibras ópticas.
- Conectorización directa.
- Flexible y resistente.
- Antihumedad.
- Dialéctrico
- Excelente resistencia mecánica.
- Muy fácil de pelar, libre de gel.
- No propagador de la llama, baja emisión de humos y libre de halógenos (HFLSFR).
Totalmente dieléctrico.
Opciones
- PVC-FR flexible
- Poliuretano FR
Fibras
|
2
|
4
|
6
|
8
|
12
|
Diámetro (mm)
|
4,5
|
4,5
|
5
|
6
|
7
|
Peso(kg/Km)
|
18
|
20
|
25
|
35
|
40
|
Tensión máxima en instalación (Kg)
|
100
|
100
|
130
|
140
|
160
|
Tensión máxima permanente (Kg)
|
40
|
40
|
50
|
55
|
60
|
Radio de curvatura (cms)
|
5
|
5
|
5
|
6
|
7
|
Cable distribución de armadura dieléctrica: CDAD
Descripción y aplicaciones
Muy
robusto, totalmente dieléctrico y protegido de los roedores, con fibra
de vidrio. Puede ser instalado indistintamente en interiores o
exteriores.
Construcción
1 - Fibra óptica
2 - Recubrimiento ajustado
3 - Refuerzos de aramida
4 - Asiento de armadura
5 - Armadura de fibra de vidrio
6 - Cubierta de Caucho Acrílico-FR
Ventajas
- Construción muy robusta y resistente.
- Flexible y resiliente.
- Múltiples fibras ópticas.
- Compacto y ligero.
- Excelente resistencia mecánica.
- Muy fácil de pelar, libre de gel.
- No propagador de la llama.
- Totalmente dieléctrico.
- Protección antirroedores.
Opciones
HFLSFR
Poliuretano-FR
Fibras
|
4
|
6
|
8
|
12
|
Diámetro (mm)
|
8
|
9,5
|
10
|
11
|
Peso (Kg/Km)
|
80
|
100
|
110
|
130
|
Tensión máxima instalación (Kg)
|
110
|
140
|
160
|
170
|
Tensión máxima permanente (Kg)
|
50
|
60
|
65
|
70
|
Radio de curvatura (cms)
|
9
|
10
|
11
|
12
|
Cable distribución armadura metálica: CDAM
Descripción y aplicaciones
- Se trata de un cable para instalación interior-exterior muy robusto y protegido de los roedores con hilos de acero.
Construcción
1 - Fibra óptica
2 - Recubrimiento ajustado
3 - Refuerzos de aramida
4 - Asiento de armadura
5 - Armadura de hilos de acero
6 - Cubierta de Caucho Acrílico-FR
Ventajas
- Construción muy robusta y resistente.
- Conectorización directa.
- Múltiples fibras ópticas.
- Compacto y ligero.
- Muy resistente.
- Antihumedad.
- Flexible y resiliente, excelente resistencia mecánica.
- Muy fácil de pelar, libre de gel.
- No propagador de la llama.
- Protección antirroedores.
Opciones
- HFLSFR
Poliuretano-FR
Fibras
|
4
|
6
|
8
|
12
|
Diámetro (mm)
|
8
|
9,5
|
10
|
11
|
Peso (Kg/Km)
|
95
|
120
|
140
|
170
|
Tensión máxima instalación (Kg)
|
160
|
200
|
210
|
230
|
Tensión máxima permanente (Kg)
|
60
|
70
|
80
|
95
|
Radio de curvatura (cms)
|
9
|
10
|
11
|
12
|
Cable de distribución: Interior Reforzado CDIR
Descripción y aplicaciones
El
más robusto, flexible y cómodo de instalar. Totalmente dieléctrico que
se utiliza para la distribución de datos y señales en el interior de
edificios.
Construcción
1 - Fibra óptica
2 - Recubrimiento ajustado
3 - Refuerzos de aramida
4 - Cubierta individual de PVC-FR
5 - Cubierta de PVC-FR
Ventajas
- Múltiples fibras ópticas.
- Compacto y ligero.
- Construción muy robusta y resistente.
- Conexión directa
- Flexible y resistente.
- Excelente resistencia mecánica.
- Muy fácil de pelar, libre de gel.
- No propagador de la llama.
- Totalmente dieléctrico.
Opciones
- HFLSFR
- Poliuretano FR
Fibras
|
2
|
4
|
6
|
8
|
12
|
Diámetro (mm)
|
8
|
8
|
9.5
|
11.5
|
13
|
Peso (Kg/Km)
|
60
|
60
|
90
|
120
|
150
|
Tensión máxima en instalación (Kg)
|
120
|
200
|
300
|
400
|
600
|
Tensión máxima permanente (Kg)
|
50
|
80
|
120
|
170
|
250
|
Radio de curvatura (cms)
|
8
|
8
|
10
|
12
|
13
|
Características Nominales.
10/125
|
62,5/125
|
50/125
| |
Diámetro del núcleo (µm)
|
9,5+/-0,5
|
62,5+/-3
|
50+/-3
|
Diámetro revestimiento (µm)
|
125+/-2
|
125+/-2
|
125+/-2
|
Diámetro recubrimiento (µm)
|
250+/-15 500+/-25
|
500+/-25 250+/-15
|
250+/-15 500+/-25
|
Concentridad recubrimiento (µm)
|
<16
|
<16
|
<16
|
No circularidad del núcleo
|
<=6%
|
<=5%
|
<=5%
|
No circularidad del revestimiento
|
<=2%
|
<=2%
|
<=2%
|
Compensación núcleo-revest. (µm)
|
<=1
|
<=3
|
<=3
|
10/125
|
62,5/125
|
50/125
| |
Rango de atenuación (dB/Km)
850 nm
1300 nm
1550 nm
|
<=0,45
<=0,30
|
2,5 - 3,7
0,6 - 1,2
|
2,2 - 3,5
0,5 - 1,1
|
Rango de ancho de banda (MHz x Km)
850 nm
1300 nm
|
160 - 400
400 - 700
|
200 - 1000
400 - 1500
| |
Apertura numérica
|
0,275+/-0,15
|
0,20+/-0,15
| |
Long. de onda de dispersión nula (nm)
|
1310+/-10
| ||
Pendiente de dispersión nula (ps/(nm2 x Km))
|
<=0,093
| ||
Longitud de onda de corte (nm)
|
1215+/-65
| ||
Diámetro del campo modal (µm) 1300 nm
|
9,5+/-0,50
| ||
Perfil del índice de refracción
850 nm
1300 nm
1550 nm
|
1,675
1,681
|
1,496
1,491
|
1,483
1,479
|
ELEMENTOS PARA DISTRIBUCIÓN
A
este tipo de elementos se les conoce como BDTO o bastidor distribuidor
de troncales ópticas. La principal función de estos elementos estriba en
proporcionar un punto fácil de conexión y desconexión para funciones de
operación y mantenimiento entre los equipos de transmisión y los cables
de uso externo. Las conexiones y desconexiones se presentan cuando se
desean hacer tareas de mantenimiento preventivo y correctivo a los
equipos.
Los
elementos de distribución permiten además, no realizar las conexiones
sobre los equipos protegiendo así a los mismos. Existen cuatro opciones
que se tienen para la terminación de los cables de uso externo cuando
llegan a una sala de comunicaciones:
Cuando
el cable de uso exterior llega a la caja de la acometida. En la entrada
de la caja se fija el cable mediante algún tipo de herraje. Después se
empalman las fibras entrantes con fibras que se fijan en el otro extremo
de la caja y que están rematados en conectores que van directamente al
equipo de transmisión. Los pigtails ya
van incluidos en la caja de acometida. Esta opción es sencilla,
económica pero no prevé mucha flexibilidad de cambio en la
configuración.
Esta opción, remata los pigtails empalmados
con las fibras de entrada en conectores en el interior de la caja.
Luego se tienen cuerdas de interconexión entre la caja y los equipos de
transmisión. Aunque se gasta en cuatro conectores más esta opción ofrece
la posibilidad de intercambiar fibras en la caja y no directamente en
los equipos. Una variante de esta configuración sería el no realizar los
empalmes. En lugar de ellos se rematan las fibras externas directamente
en los conectores al interior de la caja.
En
este caso se realizan los empalmes entre las fibras del cable de uso
exterior y fibras de otro cable para uso en interiores. Esto es adecuado
para cuando la acometida se encuentra en una parte de la construcción y
las instalaciones de la acometida en otra. También para cuando no
todas las fibras externas son para el mismo usuario, si el cable
exterior viene con 44 fibras y sólo 12 son para un cliente y el resto
para otros, se pueden realizar empalmes con varios cables internos para
distribuir a cada usuario sus fibras.
En
esta opción se analizan la conexión entre las cajas de acometida o
registros y los equipos de transmisión. En esta alternativa las cuerdas
de parcheo van de las cajas a los equipos. Existe otra configuración que
requiere de más equipo y costo también añade flexibilidad a las
opciones de conexión y de reconfiguración. Normalmente en los paneles de
parcheo hay oportunidad de etiquetar muy bien cada posición, por lo
que resulta sencillo saber qué fibra se esta conectando con qué equipo.
En
ocasiones, el panel de parcheo y los sistemas de transmisión no se
encuentran juntos, en estos casos se requiere de canalizaciones
especiales para conducir las cuerdas de fibra de un lugar a otro.
5.7 CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE UN ENLACE
Para el diseño de un enlace bien definido es necesario el diseño de varios segmentos por separado.
Este
diseño estará dividido en dos partes. Primero está el diseño de
potencias en el que se establece la longitud máxima de los segmentos de
acuerdo a las características de los equipos y de la fibra óptica.Y
segundo tenemos al cálculo del ancho de banda, es decir; de la máxima
velocidad binaria que se podrá utilizar en el enlace.
Cálculos de potencia
Para calcular la atenuación, es decir la disminución de la potencia y la potencia de recepción se tiene la siguiente formula:
PRX=PTX – Att
En la anterior formula las potencias de recepción PRX se expresa en decibeles relativos a un miliwatt (dBm ) y la atenuación (Att) se expresa en decibeles (dB).
Una cosa muy importante en el diseño es el asegurar que la potencia de recepción (PRX)
sea adecuada y correspondiente con las características del equipo de
transmisión a fin de garantizar u funcionamiento adecuado.
La atenuación que se presenta en el enlace se debe a los siguientes factores:
Atenuación debida a la fibra óptica.
Atenuación debida a los conectores.
Atenuación debida a los empalmes.
a).Atenuación debida a la fibra óptica
Para
conocer el valor del coeficiente de atenuación se debe multiplicar el
valor del coeficiente atenuación por la longitud del tramo de la fibra.
Por ejemplo si α=0.2 dB/km y la distancia del enlace o del segmento es de 100 km, entonces la atenuación de la fibra óptica será de 20 dB.
b).-Atenuación causada por conectores
La
unión entre dos férulas que se da en los conectores crea un pequeñísimo
espacio de aire que a su vez implica una atenuación. El valor de esta
atenuación depende de las características de cada conector, siendo
valores típicos entre 0.2 y 1 dB.
c).-Atenuación causada por empalmes
Para
calcular la atenuación se debe conocer la atenuación planeada por cada
empalme y se multiplica por el número de empalmes que se tengan. El
valor de atenuación para cada empalme se especifica de acuerdo al tipo
de empalme (fusión o mecánico) y en su caso la herramienta a utilizar.
Sus valores típicos de atenuación están alrededor de 0.05 a 0.2 dB. La
cantidad de empalmes que serán necesarios depende de la relación entre
la distancia a cubrir y la longitud de los carretes de fibra que se
requieran.
Tenemos un ejemplo practico de un calculo con los siguientes datos:
Potencia de transmisión PTX =5 dB
Longitud del tramo= 126 Km
Coeficiente de atenuación @ 1550 nm α=0.2 dB/Km
Longitud de los carretes de fibra =8 Km
Atenuación por cada junta de conectores = 0.5 dB
Atenuación por cada empalme de fusión = 0.2 dB
Valor a calcular = PRX.
Aplicando la formula para calcular la atenuación total tenemos:
Att fibra =(126 Km) (0.2 dB/Km)=25.2 dB
Si en este caso solo consideramos dos juntas de conectores;entonces la atenuación debida será:
Att conectores = (2) (0.5 dB) = 1 dB
Para calcular la atenuación debida a los empalmes primero tenemos que calcular el número de empalmes:
Número de empalmes = (Longitud del enlace/longitud de cada carrete) – 1
Número de empalmes = (126/8)=15.17=16 (16 – 1 ) = 15
La atenuación queda como sigue:
Att empalmes = (15) (0.2 dB) = 3 dB
La atenuación total se obtiene sumando los tres resultados:
Att = 25.2 dB + 1 dB + 3 db = 29.2 dB
Si ya tenemos la atenuación total podemos calcular la potencia de recepción:
PRx = 5 dB – 29.2 dBm = -24.2 dBm
El
equipo de transmisión que se va a emplear debe de tener las
características del equipo de transmisión sean tales que con una
potencia de –24 dBm pueda garantizar un buen desempeño. En la práctica
se debe considerar un margen adicional porque es posible que se
presenten atenuaciones o cambios en la potencia de transmisión:
Algunas
de las características que se deben considerar para estimar el margen
adicional para la potencia de recepción son las siguientes:
Disminución en la potencia de transmisión debido al envejecimiento de la fuente de luz.
Atenuación por empalmes adicionales debido a cortes en la fibra.
Atenuación causada a variación de las características de los conectores en las conexiones y reconexiones.
Atenuación debido a curvaturas en el manejo del cable de fibra óptica.
Cálculos de ancho de banda
Mediante
estos cálculos se define el ancho de banda máximo que se podrá manejar
en un enlace de fibra óptica dada la longitud de los tramos.
El
factor que limita el ancho de banda es la característica de la fibra
conocida como dispersión que incluye la dispersión modal, cromática o
intramodal. Para las fibras monomodo típicamente el coeficiente de
dispersión es expresado en ps/(nm x Km. Lo anterior quiere decir que el
ensanchamiento de los pulsos depende del ancho espectral de la fuente
que está en nm y de la longitud en kilómetros del tramo. Ejemplo
numérico:
PStota (Dispersión total)l= ps x Lt x ABfuente
Coeficiente de dispersión = 20 ps/(nm x Km)
Longitud del tramo = 120 Km
Ancho espectral de la fuente = 0.3 nm
Dispersión total (PStotal) = 20 ps /(nm x Km) x 120 Km x 0.3 nm = 0.9 ns.
Con
lo anterior se sabe ya el ensanchamiento total que sufrirán los pulsos
al viajar por la fibra óptica. Con la siguiente formula se calcula el
ancho de banda máximo:
AB máx = (½ τ)
Donde τ es
el ensanchamiento total derivado de la dispersión total. El factor 2
implica que con ese ensanchamiento los pulsos de luz justo comienzan a
tocarse y a interferirse.
El ancho de banda máximo será:
AB máx = 1 / (2 x 0.9 ns ) = 555 Mbps.
6 MEDICIONES ÓPTICAS
6.1 CUANDO Y QUÉ SE DEBE MEDIR
Las
mediciones en fibras son evaluaciones que hacemos a las fibras y a los
equipos como respuesta a la longitud de onda, al tiempo y la distancia.
En
la siguiente tabla se tiene una referencia en donde encontramos en la
primera columna, todas las mediciones que se llevan a acabo en el ámbito
de las fibras ópticas, después en cada una de las posteriores columnas
se tienen las etapas en la que se llevan acabo tales mediciones.
En
la segunda columna, I + D, se refiere a la investigación y al
Desarrollo. Es en esta etapa cuando los científicos desarrolladores
buscan disminuir la atenuación α y la dispersión σ debida a la propia fibra óptica, que puede acercarse al cero dispersión:
Tabla 6.1. -Mediciones ópticas
I + D
|
Producción
|
Instalación
|
Mantenimiento
| |
Continuidad
|
X
| |||
Localización de fallas
|
X
|
X
|
X
| |
Atenuación óptica
|
X
|
X
|
X
|
X
|
Nivel de emisión
|
X
|
X
|
X
|
X
|
Reflexiones
|
X
|
X
|
X
|
X
|
Rango Dinámico Rx
|
X
|
X
|
X
|
X
|
Ancho Espectral
|
X
|
X
| ||
Dispersión Cromática
|
X
|
X
|
En
la tercera columna tenemos a la Producción, que es la etapa de
fabricación de las fibras y durante la cual, también de debe de
supervisar con cuidado las características que presenta el producto
final, asegurando así su nivel de calidad.
La
cuarta columna, Instalación, es el momento en que se implementa una red
óptica y se están manejando tanto los cables como los equipos; cuando
sé conecta, las características tanto de uno como de otros deben de ser
iguales para el buen funcionamiento de la red.
Finalmente
en la quinta columna, se tiene al Mantenimiento. Una vez que se ha
hecho funcionar la red en la etapa anterior se debe tener un cuidado
continuo para mantener ese buen funcionamiento y si se presenta el caso
de una falla, detectarla y repararla lo antes posible.
MEDICIONES ÓPTICAS DURANTE LA INVESTIGACIÓN, EL DESARROLLO Y LA PRODUCCIÓN.
Localización de fallas
Esta
prueba se lleva acabo en una bobina o carrete de fibra óptica para
saber cuanto afecto el proceso de fabricación de la fibra o el proceso
de armado del cable, al núcleo, que finalmente es el que transporta la
luz. El objetivo primordial de esta prueba es verificar que exista
continuidad en el resultado final que sé esta recibiendo. Existen
diferentes formas de llevarlo acabo. Desde un sencillo acoplamiento con
una fuente de luz visible y a muy baja potencia, hasta una complicada
medición con equipo OTDR.Si se verifica la continuidad, entonces se
garantiza la propagación interna total dentro de esa fibra o cable.
Atenuación óptica
Esta
prueba se realiza a un carrete de fibra o cable para medir el
coeficiente de atenuación en una fibra justo después de su fabricación.
Esta medición permitirá evaluar el método de fabricación que se esta
empleando.
El objetivo es medir el coeficiente α de un segmento óptico.
Los métodos empleados son normalmente dos: por medición de potencias o por gráfica del presupuesto d e potencia.
Medición de Potencia:
en este tipo de método se inyecta una señal óptica de potencia
conocida, en un extremo de la fibra y después se mide la potencia en el
otro extremo del carrete con un equipo medidor de potencia. En este tipo
de mediciones se debe tener cuidado con las lecturas tomadas de los
equipos, ya que esta medición incluye la perdida que hay en los
conectores de los propios equipos de medición.
Presupuesto de Potencia: en
este método se hace uso de un OTDR. En esta medición el equipo OTDR
tiene como función medir la longitud de la fibra a la cual se esta
conectado, y graficar como se va perdiendo potencia. En el eje
horizontal se mide la distancia en kilómetros y en el eje vertical se
mide la potencia en dB. Conociendo la potencia inicial y la potencia
final y la distancia medida, es posible deducir el valor del coeficiente
de atenuaciónα.
Nivel de emisión
Esta
prueba se hace sobre el equipo de transmisión en un enlace. El nivel de
emisión o potencia de Tx en un equipo óptico puede ser variable o fija.
El objetivo de esta medición es vigilar la estabilidad de esta potencia
de transmisión y detectar si hay variaciones. Si hay, se debe
investigar a que son debidas para que un equipo mantenga siempre su
valor de potencia de emisión.
Esta
es una medición sencilla que se realiza con un medidor de potencia
óptica conectado justo a la salida de la interfase óptica del Tx del
equipo, que para redes de transporte es el multiplexor SDH. El equipo de
Tx introduce cierta perdida en su conector.
Figura 6.3. -Medición del nivel de emisión óptico.
Reflexiones
Esta
medición se realiza en un extremo de un enlace óptico. El cual es un
trayecto donde se han empalmado varios segmentos de fibra mediante
empalmes. Las distancias que se pueden alcanzar son de hasta cientos de
kilómetros. El objetivo de esta medición es saber cuanta potencia sé
esta reflejando del total de la potencia emitida. La forma de hacer esta
medición es con un OTDR o con un equipo medidor universal con la
función de back-reflections.
La
medición se puede hacer sobre todo el enlace óptico que resulta de
varios segmentos de fibra empalmados, por ejemplo cada 10 o 15
kilómetros. Entre las principales causas de las reflexiones tenemos a
los empalmes y a los conectores.
Rango Dinámico
Esta
medición se realiza sobre el equipo de recepción o Rx.Los dispositivos
foto detectores tienen un máximo de potencia y un mínimo: sí reciben
más potencia de lo especificado se pueden quemar y si reciben menor
potencia no tienen la capacidad de detectar la señal binaria. El
objetivo de esta prueba es verificar que el equipo de Rx trabaje con la
misma calidad BER, en todo el margen de potencia especificado por el
fabricante.
Para
realizar esta prueba sobre el equipo de Rx, se recurre a un atenuador
que hará las funciones de una fibra óptica de longitud variable y de un
equipo analizador digital eléctrico. Como se muestra en la siguiente
figura:
Figura 6.4. -Medición del Rango Dinámico.
Con
el analizador de tasa de error o de BER, se genera una señal patrón
conocida para enviársela al equipo de Tx aún en el ámbito eléctrico.
Esta señal comúnmente es una PRBS (Pseudo Random Binary Sequence) de 2 23-1.Esta misma señal es convertida a óptico y emitida por el puerto Tx ya en el ámbito óptico.
Ancho Espectral
Esta
medición se realiza sobre los equipos de transmisión ,los dispositivos
fotoemisores trabajan en una longitud de onda con una Δλ.Entre más pequeña sea esta Δλ ,hablamos
de una señal coherente, y entre más grande sea, hablamos de una señal
incoherente. El objetivo de esta medición es saber que tan grande es ese
Δλ y ver como se puede reducir cada vez más.
Se emplea un analizador de espectro óptico ( OSA, Optical Spectrum Analyzer) que
nos mostrará directamente en la pantalla el contenido de longitudes de
frecuencia que esta emitiendo la fuente a la cual esta conectado. En la
pantalla del analizador de espectro óptico se verá gráficado cuanta
potencia se emite en función de la longitud de onda.
Figura 6.5. -Medición del Ancho Espectral
Otra
medición en la actualidad que esta relacionada con el ancho espectral
es la visualización de los canales ópticos en una señal WDM.En esta
visualización del contenido óptico es posible medir cuanto ancho
espectral tiene cada canal, cuánta separación existe entre canales, que
potencia tiene cada canal y en que longitud de onda sé esta emitiendo
cada canal y el contenido total de la WDM.
Dispersión Cromática
Una
vez medido el ancho espectral de la fuente, podemos medir cuanta
dispersión representará ese ancho espectral. El objetivo es medir cuanto
se ensancha un pulso de duración conocida, para así poder determinar
cuál será la velocidad máxima que soporta esa fibra. Teniendo la
información de ese ensanchamiento se pueden hacer más análisis e
investigaciones para reducirlo cada vez más. La forma de medir la
dispersión en una fibra es con un equipo generador de una señal patrón
en el tiempo y con un osciloscopio. Se introduce en la fibra que se va a
medir y del otro extremo se conecta el osciloscopio. En la pantalla
aparecerá información del pulso inicial y la señal que se recibe
realmente.
MEDICIONES DURANTE LA INSTALACIÓN Y EL MANTENIMIENTO
Se subdivide en dos etapas; cuando se trabaja ya con una red óptica, en la Instalación y el Mantenimiento.
Prueba de Continuidad
Esta
prueba se realiza en dos grandes partes de un enlace, primero en las
puntas del cable donde ya han sido separadas todas las fibras, después
en las fibras dentro de los cables que pueden ir enterrados, aéreos o
submarinos. El propósito de estas pruebas es detectar donde ha ocurrido
un corte para proceder a repararlo inmediatamente. Un enlace se compone
de dos fibras aunque hay veces que se puede realizar con una sola, a lo
largo de estos kilómetros puede ocurrir un corte y hay que detectarlo.
Se
procede a hacer pruebas sobre los extremos del cable para lo que se
utilizan equipos detectores de falla como clip o visualizadores. Así se
prueban todos los cables de parcheo o pigtails como se les conoce.
Localización de Fallas
Mas
que verificar la simple integridad de la fibra nos interesa ver que no
haya ninguna falla a lo largo del enlace. Los eventos llamados eventos
ópticos, pueden ser conectarizaciones, empalmes de fusión, mecánicos,
microcurvaturas, segmentos de fibra y cortes, en la pantalla de un OTDR
se muestran todos los eventos. El fin de esta medición es obtener un
resultado gráfico real del presupuesto de potencia. Esto es parte del
mantenimiento
EQUIPOS DE MEDICIÓN
En
la siguiente tabla tenemos una referencia e donde encontramos en la
columna de la izquierda, todas las mediciones que se realizan en el
ámbito de las fibras ópticas, después en cada una de las siguientes
columnas tenemos los equipos con los que podemos llevar al cabo tales
mediciones.
Trazador clip
|
OTDR
|
Medidor potencia
|
Fuente
|
Atenuador
variable
|
Medidor
BER
|
OSA
| |
Continuidad
|
X
|
X
|
X
|
X
| |||
Localización de fallas
|
X
|
X
|
X
|
X
|
X
|
X
| |
Atenuación óptica
|
X
|
X
|
X
|
X
|
X
|
X
| |
Nivel de emisión
|
X
|
X
|
X
|
X
| |||
Back-reflections
|
X
|
X
|
X
|
X
|
X
|
X
| |
Rango dinámico Rx
|
X
|
X
| |||||
Ancho espectral
|
X
|
Tabla 6.6.-Mediciones y equipos de medición.
Trazador o Clip
Equipo
manual operado con baterías, indica en su panel si hay tráfico en la
fibra. Algunos pueden incluso, indicar el sentido del tráfico.
Su
funcionamiento se basa en hacer doblar la fibra más del límite de
curvatura establecido para hacer que la luz escape por la cubierta y
poder entonces detectarla.
Talkset
Es
un dispositivo el cual tiene la forma de un teléfono digital óptico, ya
que cuenta con las interfases del auricular, digitaliza la voz y la
convierte a una señal óptica, que envía y recibe por una sola fibra.
Fuentes
Estos
son equipos generadores de señales de prueba, como transmisores
ópticos, son manuales y operados por baterías; apropiados para su propio
campo. Su funcionamiento es sencillo, generan una señal eléctrica que
puede ser una señal de corriente continua o puede ser una señal
senoidal de 2 KHz, por lo general. Posteriormente convierten esa señal
en una señal óptica a cierta potencia, esa señal óptica puede acoplarse a
una fibra mediante un conector. Entre sus características técnicas
podemos incluir: tipo de fuente: LED ó LASER; longitud de onda de
operación: 850,1350,1550nm; potencia de transmisión, tipo de conector.
Medidor de Potencia
El
equipo de complemento de una fuente es el medidor de potencia, nos
indicará la potencia en dB que tiene la luz que sé esta recibiendo en el
equipo. En su interior cuenta con detectores de luz fotosensible
porque convierten la luz que les llega en una corriente eléctrica que
es completamente medible con un amperímetro. Después esta cantidad es
calibrada para medir la luz en dB ópticos y este valor es el que se
puede leer en la pantalla de cristal líquido. Entre sus características
técnicas podemos mencionar: posibilidad de manejar valores de
referencia, para fibras monomodo y multimodo, longitud de operación.
Atenuador
En
algunas ocasiones es necesario atenuar la señal que llega a un equipo
en particular, para ello se utiliza este equipo que se inserta en un
punto de medición. El objetivo de este atenuador es similar a una fibra
de cierta longitud. Entre sus características de funcionamiento esta el
hecho de que puede actuar como atenuador variable o de un valor
fijo. Al igual que las fuentes y los medidores tienen un rango de
operación para la longitud de onda, los tenemos para fibras monomodo y
multimodo.
Medidor de BER
Este
medidor de la tasa de error, BER, no es del todo un equipo de medición
óptica, sino que es un equipo de mediciones digitales. Su función es
detectar cuantos errores ocurrieron debido a una señal que viajó en el
plano óptico y fue reconvertida al plano eléctrico. Entre sus
características contamos a la velocidad binaria que puede manejar.
Algunos modelos cuentan ya con interfaces ópticas.
Medidor OTDR (Optical Time Domain Reflectometer)
La
función de este equipo es supervisar toda una sección óptica, resultado
de haber empalmado varios segmentos de fibra óptica. El OTDR presenta
en pantalla una representación gráfica de cómo se va perdiendo potencia a
lo largo de esta sección. Entre sus características principales de
operación se indica la distancia a medir y la resolución en sus
mediciones.
Dado su
funcionamiento, un OTDR puede emplearse en mediciones que tengan que ver
con atenuación, longitud, pérdidas, localización de fallas y potencia
de recepción. Su funcionamiento se basa en la emisión de un pulso que
recorre la FO y en cada evento (empalme, conector, corte) que se
encuentra se refleja un poco; esas reflexiones son estudiadas cuando
llegan de regreso al OTDR, y analizando el tiempo en que llegaron y la
potencia con que llegaron se puede deducir a que distancia ocurrió una
pérdida.
Entre sus principales características técnicas de operación encontramos:
Para fibras monomodo y multimodo
Longitudes de onda desde 635 a 1625 nm
32000 puntos de precisión
rango de operación de 43 dB
4 mediciones por segundo
Alcance de 200 km
Ranuras de expansión para fuente,medidor de potencia y talkset
Batería de 16 horas de uso continúo
Impresora incluida
Interfaz para control remoto
Almacenamiento de datos,1 GB
Medidor de OSA (Optical Spectrum Analyzer)
Su
función principal de este equipo de medición es representar la
potencia de una señal en función de la longitud de onda, entonces
desplegará una gráfica de la potencia en el eje vertical y la longitud
de onda en el eje horizontal. Su funcionamiento es el mismo que todos
los analizadores de frecuencia (longitud de onda)mediante filtros y
desplegar su valor de contenido de energía, luego pasar a otra
frecuencia y hacer los mismo, esto será repetitivo tantas veces como
resolución tenga el equipo.
Estos
equipos han sido utilizados para medir el ancho espectral de fuentes e
investigar como se puede reducir, la aplicación más importante en la
actualidad que coloca a los OSA´s al mismo nivel de importancia que los
OTDR es la tecnología DWDM, llamada versión densa de WDM.
Entre sus principales características técnicas de operación encontramos:
Rango de longitud: 550 a 1750 nm
Resolución : 0.1 nm
Rango dinámico: -85 a + 10 dB
Respaldo de baterías
Unidad de disco de 3.5 pulgadas
Conector tipo FC
Alimentación 90 – 220 V, 48-66 Hz
Medidor Universal
Este
tipo de medidores incluye a todos los equipos de medición que se
mencionaron anteriormente. Funcionan en forma modular, es decir el
equipo cuenta con un número de ranuras donde se le pueden insertar
diferentes módulos para que el equipo opere como OTDR, Clip, como
Medidor de Potencia, como fuente o atenuador.
VII.-IMPLEMENTACIONES DE REDES DE FIBRA ÓPTICA
Son muchos los campos de aplicación de las fibras ópticas en la vida moderna.
Nos
enfocaremos solamente a cuatro de las aplicaciones dentro del ámbito de
las redes de fibra óptica las cuales se nombran a continuación:
Redes de larga distancia
Redes metropolitanas de acceso
Redes de televisión por cable, CATV
Redes submarinas
Redes LAN corporativas
REDES DE LARGA DISTANCIA
En
este tipo de redes el primer transporte que había dominado eran los
sistemas multicanal a través de cables de cobre y de cable coaxial,
después los enlaces de microondas analógicas y luego digitales dominaron
estas redes. Mas que redes de larga distancia. ,se trataba de muchos
enlaces de larga distancia dada la característica de punto a punto que
tienen estos enlaces de microondas.
Las
características de calidad y confiabilidad que ofrecen las fibras
ópticas rápidamente encontraron un espacio en las redes de larga
distancia de casi todo el mundo. A mediados de la década de los 80´s
comenzaron a darse instalaciones masivas de redes de larga distancia.
Características generales de aplicación
En
este tipo de aplicación la topología por mucho más utilizada es red en
forma de anillo. De esta forma, cuando se presentan cortes se tiene una
ruta alterna para llevar el tráfico. Esta topología hace evidente y
necesario que en cada uno de los nodos de un anillo se requieran de
funciones de extracción e inserción. En principios de las fibras ópticas
en las técnicas de multiplexaje para redes de transporte predominaba la
Jerarquía Digital Plesiócrona
(PDH).En
esta forma de multiplexar señales digitales las funciones de extracción
e inserción requieren demasiado equipo además de que presentan una
solución poco flexible y no escalable.
Estas
nuevas tecnologías asumen que el medio de transmisión dominante son las
fibras ópticas en estas redes, se puede decir que las fibras utilizadas
son las fibras monomodo. Las primeras redes se instalaron con fibra
monomodo tradicional y apartir de estas épocas de manera casi exclusiva
se han venido utilizando fibras monomodo pero de dispersión corrida
(NZ-DSF,Non Zero Dispersion Shifted Fiber).
Los
cables pueden ser aéreos o subterráneos. Por el lado de los tendidos
aéreos la mayoría de las veces se tienen los cables del hilo de guarda
que va entre las torres que también llevan cables de alta tensión. En
este caso se utilizan cables cuyo elemento de tensión es dieléctrico o
en su caso un cable que lleva una protección metálica alrededor conocida
como OPGW (Optical Ground Wire). En cuanto a los tendidos
subterráneos, hay dos formas de realizar la inmersión. La más costosa,
pero también la más flexible consiste en utilizar conductos de
materiales plásticos y a través de ellos guiar a los cables de fibras
ópticas. Inclusive existen en el mercado conductos que llevan a su vez
subconductos de menor diámetro de tal forma que se puede hacer la
instalación entre varios operadores y cada uno ellos utiliza un
subconducto. La otra forma de hacer redes subterráneas es el realizar la
inmersión directa del cable de fibra óptica en la zanja que para tal
efecto se abre.
En
estas redes la distancia entre regeneradores está mas bien marcada por
la distancia entre las ciudades que forman parte de la red que por los
alcances derivados de la capacidad de los equipos y de las
características de las fibras. Por ejemplo, aunque una distancia de 250
km sea factible, sea la siguiente ciudad a conectar se encuentra a 80
km, pues hasta ahí llega el enlace. En cuanto a las rutas, aquí surge un
tema muy controvertido en las redes de larga distancia y este es el
derecho de vía.
REDES METROPOLITANAS DE ACCESO
Una
característica muy importante en la evolución de las redes públicas de
telecomunicaciones es la digitalización masiva del acceso para los
clientes. Accesos digitales son sinónimos de la capacidad de contar con
servicios multimedia que combinen voz, video y datos en una sola red.
Estos accesos digitales permiten acceso a Internet a altas velocidades.
En los últimos diez años y en la mayoría de los países con cierto avance
en telecomunicaciones las empresas operadoras han comenzado a ofrecer
accesos digitales a sus grandes clientes con lo que han surgido redes
metropolitanas de acceso basadas en fibras ópticas.
Entorno en el mercado para las redes de acceso
En
U.S.A durante la etapa de 1984,cuando se inicio la competencia en larga
distancia, hasta 1996 prevaleció una situación de monopolio en lo que a
telefonía local se refiere. En estos años surgió un tipo de empresa de
telecomunicaciones que si bien no daba servicios de telefonía local sí
se dedicaron a construir redes de acceso basadas en fibra óptica y con
un enfoque en grandes clientes empresariales y de gobierno.Este género
de operadores es conocido en el mercado estadounidense como CAP (Competitive Acces Provider)
y entre sus servicios se encontraban el hacer conexiones directas entre
operadores de larga distancia y los clientes y también con operadores
de otros servicios como operadores de Frame Relay, de Internet, etc.
Estructura de una red metropolitana de acceso
En
la actualidad las redes de acceso se pueden distinguir los siguientes
tipos de servicios que son ofrecidos por las empresas que instalan redes
metropolitanas de acceso:
Enlaces privados locales
Acceso de alta velocidad a Internet
Enlaces
de última milla entre cliente y otros operadores que ofrecen servicios
como: telefonía de larga distancia, Frame Relay, ATM, videoconferencias
Accesos digitales analógicos para telefonía local
Acceso a redes ISDN
Figura 7.1. -Estructura de la red de acceso metropolitana
Todos
los servicios anteriores implican que dentro de los nodos que conforman
la red se defina un nodo principal en el que se ubicarán los equipos de
conmutación tales como centrales telefónicas, crossconectores,
conmutadores Frame Relay y/o de ATM y ruteadores de Internet.En verdad
la función de toda la red es la de recolectar tráfico de los clientes
para llevarlo a este nodo. En este nodo, dichos equipos de conmutación
realizan los enrutamientos necesarios para dirigir el tráfico hacia
otros nodos de la red en el caso de los servicios locales y hacia otros
operadores en el caso de los demás servicios. En la gráfica anterior,
este nodo se ubica en el extremo inferior izquierdo en el edificio que
lleva el nombre de operador ficticio I.P.N. Evidentemente, toda la
operación de la red depende de este nodo. Si faltan los equipos en ese
punto, no habrá comunicación alguna en la red. De ahí que los equipos
instalados en este nodo deben contar con configuraciones redundantes. Es
posible, aunque representa un costo importante, el contar con un
segundo nodo con los mismos equipos y que sirva de respaldo en caso de
falla del primero.
En
cuanto al anillo, hay un anillo principal que conecta a los principales
nodos de la red metropolitana. Estos nodos pueden no estar ubicados en
edificios particulares de clientes. Más bien actúan como puntos de
presencia de la red y se ubican en medio de zonas con alta densidad de
clientes que correspondan al mercado meta que en plan de negocios se han
definido. Para la conexión con los clientes se pueden usar varias
alternativas. Una opción muy utilizada por los operadores de este tipo
son los enlaces de microondas. Estos enlaces van de los nodos del anillo
principal de fibra óptica a los edificios en que se ubican los
clientes. Los enlaces son normalmente a distancias cortas por lo que se
emplean radios en las bandas de 15,18,23 y 38 GHz. Inicialmente han
predominado los enlaces punto a punto. Sin embargo, hay varias
tecnologías para enlaces punto a multipunto como, LMDS (Local Multipoint Distribution System) que son más eficiente cuando crece el número de sitios a conectar.
En
zonas en donde ya se cuenta con un cierto número de clientes, se puede
optar por hacer un anillo de fibras ópticas de segundo nivel. Es común
que ha estos anillos se les conozca como anillos "colectores". La
diferencia con el anillo principal es que los nodos de un anillo
colector normalmente en edificios en donde se ubiquen ya clientes
finales.
REDES DE TELEVISIÓN POR CABLE, CATV
Estas
redes han venido proporcionando exclusivamente el servicio de
televisión y música restringida y por lo tanto de paga. No obstante, por
un lado la convergencia digital y por el otro lado la verticalización
estructural de la industria de telecomunicaciones hacer ver ahora de
otra forma a estas empresas. Desde la nueva óptica, ahora estas empresas
cuentan con redes de acceso, presencia comercial, base de clientes y
derechos de vía que en conjunto conforman una red a través de la cual es
posible llevar no solo señales de TV a los clientes, sino también
acceso a Internet, telefonía, videoconferencia, etc.En esta nueva
dimensión de negocios para esta industria la inclusión de fibra óptica
en sus redes es un favor vital. Antes de todo es necesario conocer las
características de su infraestructura.
Estructura de una red de CATV
El
corazón de la red es la cabeza (Headend) en este sitio se reciben
señales de televisión vía satélite, vía microondas terrestres de
televisoras locales y también se realizan producción de algunos
programas propios. Con estas señales de televisión y en su caso de
música se constituye una señal compuesta. Si la transmisión es analógica
como sucede en muchos de los sistemas, la señal compuesta es una FDM en
donde cada canal de TV ocupa 6 MHz.El ancho de señal FDM depende, de la
cantidad de canales que se tengan dentro de la programación. La red
está formada por cable coaxial y está dividida en tres segmentos. La
primera parte conocida como red troncal que consta de un cable coaxial
grueso (hasta 3 cm de diámetro) y a cada cierta distancia se colocan
amplificadores. De algunos de estos amplificadores se derivan uno o
varios cables que se conocen como alimentadores. Esto es la segunda
parte de la red. En estos cables también se utilizan cada cierta
distancia amplificadores. Por último, de los cables alimentadores se
deriva la tercera y la última sección formada por cables conocidos como
bajantes. Estos últimos son los cables que llegan a cada una de las
casas suscritas al servicio.
Toda
la red esta diseñada para llevar las señales en un solo sentido de la
cabeza a los usuarios. Lo anterior es congruente con el tipo de servicio
que se presta. El cable coaxial cuenta con un cierto ancho de banda. En
algunos sistemas parte del mismo (de 6 a 50 MHz) se reserva para
implementar un canal de retorno-del usuario a la cabeza-para los
sistemas de pago por evento. Para poder prestar servicios como telefonía
e Internet se requiere de un canal de retorno de mucha mayor capacidad.
Los primeros servicios de Internet en redes CATV se prestan asignando
un canal de TV para la señal de Internet de ida y para el retorno se
asignan canales de 600 kHz.Sin embargo, el ancho de banda de 10 Mbps y
en sistemas más recientes de 27 Mbps es compartido entre todos los
usuarios que se encuentran conectados en ese troncal. Lo anterior hace
que el sistema tenga un límite de capacidad. Aquí es donde aparecen las
fibras ópticas. Hay varias propuestas por parte de los distintos
fabricantes de equipo. En general todas proponen la substitución de la
parte troncal de la red por fibras ópticas. La mayoría propone
topologías de anillo en donde se encuentren varios nodos de los cuales
se deriven los cables alimentadores. A estas redes se les conoce como
redes HFC (Hybrid Fiber Coax).
Con esta configuración la limitación del ancho de banda y el número de
usuarios posibles se traslada ahora a cada cable alimentador con lo que
la capacidad del sistema se multiplica. No obstante el uso de fibras
ópticas, la señal que se maneja en el sistema puede ser analógica o
digital. En el caso de las señales analógicas se deben utilizar fuentes
con una linealidad muy alta a fin de poder reproducir fielmente con
variaciones de luz las variaciones de la señal que modula. Las fibras
ópticas que se utilizan son las monomodo y los cables son casi
exclusivamente para tendido aéreo.
REDES SUBMARINAS
Anteriormente
las comunicaciones entre continentes se realizaban mediante el uso de
enlaces satelitales. Posteriormente al satélite comenzaron a instalarse
enlaces submarinos utilizando cable coaxial. La rapidez con que se
desarrollaron las fibras ópticas ha hecho que en estos días la gran
mayoría de las comunicaciones entre continentes e incluso dentro del
mismo continente se estén realizando a través de fibras ópticas. Una
razón para desplazar a los satélites y a los cables coaxiales está en la
gran capacidad que ofrecen las fibras. Lo anterior permite que aunque
la inversión sea grande, el costo por cada Mbps sea adecuado y rentable.
Normalmente
en estos proyectos participan más de una empresa de esta manera la
inversión y por ende la capacidad son repartidas.En muchos de los casos
hay una empresa que liderea el proyecto y que es el accionista
mayoritario. Actualmente existen más de un millón de kilómetros de fibra
óptica bajo las aguas de los océanos de todo el mundo. A continuación
se describe paso a paso como se instalan los cables submarinos:
Instalación de los cables
Es
mucha la complejidad que trae consigo la instalación de los sistemas
submarinos y no son muchas las compañías que se dedican a esto. Entre
las más importantes se pueden mencionar a la división de sistemas
submarinos de ALCATEL, Submarine Systems International-antes subsidiaria de AT & T, entre otros.
Procedimiento a seguir en la instalación de los cables submarinos:
Para
la instalación de un sistema, se establece una instalación terrena en
la costa de donde partirá el cable. En esta estación se ubica el equipo
terminal óptico, el sistema de alimentación y los sistemas de
administración del mismo.
Para
la instalación se utilizan barcos especiales con capacidad para contener
grandes distancias de cableado. Del cableado que esta contenido en el
barco se deja un extremo flotando a cierta distancia de la costa usando
para ello boyas especiales. Posteriormente y usando un sistema de
tracción jalado por u vehículo terrestre se jala el cable hasta la
estación en tierra. Una vez fijo se quitan las boyas para que el cable
caiga sobre el lecho marino. La tracción no se hace sobre el lecho
marino para evitar daños innecesarios de la fuerte tensión.
Para
continuar con la instalación, el barco va avanzando y mediante una gran
polea se va soltando el cable a fin de que vaya cayendo al mar. El
cable puede ir simplemente tendido sobre el lecho marino o puede ir
enterrado. Para la supervisión de esto en ocasiones se utilizan
submarinos sin tripulación que operan como robots para ir realizando el
tendido. El cable que se va soltando puede contener varios
regeneradores.
Cuando se acaba
el tramo de cable contenido en el barco es necesario hacer el empalme
con el siguiente tramo. Para esto, el siguiente tramo ya debe
encontrarse tendido y con una punta flotando con la ayuda de boyas. Este
extremo se sube a bordo y se empalma con el tramo que recién se ha
terminado de tender para luego soltar el empalme al mar.
Configuraciones
Como
primer punto, los sistemas submarinos se pueden dividir en dos grandes
tipos. Primero están los sistemas sin repetición y en segundo plano los
sistemas con repetición. Los primeros no involucran equipo activo bajo
el mar y sólo se tienen empalmes. Estos sistemas se usan para enlaces de
corta distancia como para cruzar golfos o para unir islas con tierra.
Los sistemas con repetición permiten el alcanzar grandes distancias ya
que cada cierta distancia de fibra se emplean los repetidores.
Algunas de las características de los equipos con repetición se dan a continuación:
Distancias desde 300 a 450 Km hasta miles de kilómetros en sistemas transoceánicos.
Profundidades de hasta 800 metros.
Capacidades típicas de 2.5 Gbps y hasta 10 Gbps por fibra.
Usando WDM se pueden obtener sistemas de 16 x 2.5 Gbps y hasta de 60 canales de 10 Gbps.
Sistemas con un par de fibras y hasta 8 pares por sistema.
Tiempos de vida estimados del orden de los 25 años.
En la siguiente figura se muestra la estructura de un sistema de fibras ópticas submarinas:
Figura 7.2. -Enlace submarino de fibra óptica
En
el diagrama anterior de muestra dos enlaces punto a punto (PAP) desde
la estación en tierra de la derecha hasta las dos estaciones de la
izquierda. Se nota la función de la unidad de derivación que bifurca la
ruta original en dos. También se aprecia la función que cumplen los
repetidores. En los repetidores normalmente se incluyen adicionalmente
amplificadores ópticos que elevan la potencia para aumentar así la
distancia.
En
cuanto al equipamiento de las estaciones terrenas tenemos lo siguiente.
En el extremo izquierdo esta el equipo de conmutación que bien puede
ser una combinación de centrales telefónicas, crossconectores y
ruteadores del protocolo IP. En realidad para estos equipos es
transparente el hecho de que el enlace sea submarino o no. El equipo
terminal que se muestra aparentemente cuenta con una sola etapa. Sin
embargo, en el caso de los sistemas con WDM habrá equipos SDH en primera
instancia que alimentarán al multiplexor WDM que conformará una sola
señal óptica. Este equipo terminal también incorpora las funciones de
protección en caso de cortes.
Arquitecturas
La
tecnología actual disponible permite una mayor variedad de
arquitecturas. Para la configuración de las mismas se disponen
básicamente de las siguientes variantes de equipos terminales:
Multiplexores terminales (TM, Terminal Multiplexer)
Multiplexores de extracción e inserción (ADM, Add and Drop Multiplexers)
Crossconectores (DXC, Digital Crossconectors)
Los
primeros son los de operación más sencilla pues simplemente reciben
varias tributarias de menor capacidad y las multiplexan para obtener una
señal agregada de velocidad superior. Los ADM permiten efectuar
funciones de extracción e inserción de manera muy flexible. Lo anterior
quiere decir que estos equipos permiten que en un nodo intermedio, algo
de tráfico se quede en dicho punto y otra parte siga de largo al
siguiente nodo y que también algo de tráfico se incorpore en este nodo
para viajar hacia las siguientes. Por último los crossconectores van más
allá. Cuentan con varios puertos de entrada y salida de alta capacidad y
realizan funciones de conexión cruzada entre los tributarios presentes
en cada uno de los puertos. En los diagramas siguientes ilustran varias
de las configuraciones que son posibles gracias a la combinación de
estos tres tipos de equipos terminales:
Figura 7.3 Diagrama de redes submarinas
En
el diagrama de la izquierda muestra un enlace punto a punto que une a
una isla con otros tres puntos en tierra. Los ADM ´s permiten que se
derive tráfico de la isla a cualquiera de los tres puntos así como entre
ellos. No existe redundancia por lo que en un corte dejaría
incomunicados unos puntos de los demás. Todos los enlaces deben de ser
de la misma capacidad en el diagrama de la derecha se muestra una
arquitectura en la que no se emplean ADM´s.En realidad se tienen cuatro
enlaces punto a punto, el dimensionamiento de cada enlace se puede hacer
por separado y de manera independiente. No obstante, el tendido de la
fibra si se hace por una misma ruta a fin de economizar en la
instalación y en el cable. En este caso se aprecia muy bien la función
de las unidades de derivación que sólo dividen las rutas de fibra sin
tener una función activa en el tráfico.
REDES LAN CORPORATIVAS
Otra
aplicación de mucha importancia para las fibras ópticas se encuentra en
la construcción de redes de área local (LAN).Tenemos dos áreas de
aplicación dentro de este contexto para lo cual utilizaremos el
siguiente diagrama:
Figura.-7.4 Diagrama de un Cableado Estructurado
En
la gráfica se muestran los elementos que conforman un sistema de
cableado estructurado. Son dos partes en la que se emplean los cables.
Primeramente está el cableado horizontal que conecta a cada una de las
computadoras con los paneles de parcheo y por ende con los equipos de
comunicaciones. En esta parte no es muy común que se emplee fibra óptica
pues más bien domina el cable de cobre conocido como UTP en sus
diversas categorías. Si existe la posibilidad de usar fibra óptica, por
ejemplo en el caso de conexiones a grandes servidores o a estaciones de
trabajo de alto desempeño.
En el caso del cableado vertical, también conocido como Backbone o
red dorsal, si es bastante común el uso de fibras ópticas. Este
cableado conecta a los closets de telecomunicaciones en donde se ubican
paneles de parcheo además de concentradores y switches con la sala de
equipos principales en donde se ubica el equipo activo de mayor
capacidad. Algunas de las tecnologías que se utilizan en estas redes LAN
y que emplean fibras ópticas son las siguientes:
FDDI (Fiber Distribuited Data Interface) a 100 Mbps
100-BaseFX a 100 Mbps
ATM a 155 y 622 Mbps
100-BaseSX y 1000-Base CX a 1 Gbps
Además
de la conexión entre closets y la sala de equipos principal. También
se utilizan fibras ópticas para la conexión entre edificios dentro de
un corporativo o entre naves de un complejo industrial. Esta ultima
aplicación es de particular beneficio pues uno de los problemas comunes
que se presentan al comunicar edificios está en la unificación de
tierras que es necesaria. Para lograr esto es necesario tener una tierra
común y una barra para todos los edificios. Lo anterior tiene ciertas
complejidades. Al utilizar fibra óptica se aíslan eléctricamente los
edificios con lo que el problema desaparece.
En esta aplicación predominan las fibras multimodo, dado que las distancias son cortas.
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