COMUNICACIONES POR FIBRA ÓPTICA
liga del libro
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 debdo 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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)
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.
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.
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.
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.
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.
VENTAJAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS
Tenemos diversas
ventajas que favorecen la utilización de las fibras óptica sobre redes de
telecomunicaciones.
Muy altas capacidades, en el orden de los Tbps.
Calidad en transmisión, en el orden de BER=10-12
Niveles bajos de atenuación, en el orden de 0.2 dB/km.
Respuesta a la frecuencia plana dentro de las ventanas
ópticas, por lo tanto se prescinde
prácticamente de ecualización.
Distancia grande entre repetidores, entre 150 y 600 kms.
Inmunidad a ruidos e interferencias.
Menor costo por circuito que cualquier otro medio.
Cables más ligeros, pequeños y flexibles.
No generan interferencia y por lo tanto no existe la
diafonía.
Seguridad en la transmisión.
Facilidad de mantenimiento.
La alta capacidad que se consigue sobre las fibras ópticas
se debe al gran ancho de banda que estas pueden manejar. En la figura anterior
se compara la capacidad de un enlace de radio digital frente a uno con fibra
óptica, en función del ancho de banda de la portadora y la frecuencia de
operación.
Para el radio digital
tenemos un ancho de banda para un enlace
de 140 Mbps, mediante modulación 16 QAM (Quadrature Amplitud Modulation)de 35
MHz y una frecuencia de portadora de 7 GHz, logrando así una relación de 200 a
1.Para el caso de las fibras ópticas tenemos que un enlace de la misma
capacidad pero con una modulación OOK (On Off Keying) de 140 MHz, una portadora
en la banda de 193 THz (1550 nm) y con
una relación de 1.382,488 a 1.Esto nos
da una idea del número de portadoras que pueden manejarse o del ancho de banda
que resta a las fibras ópticas para su utilización.
Los cables de fibras ópticas son más ligeros pequeños y
flexibles. En la figura siguiente se muestra un cable de 900 pares de cobre con
capacidad para un número igual de llamadas; por otro lado el cable de fibra
óptica puede transportar miles (30,000
sobre redes con señales SDH STM-16) de llamadas pero con un peso del cable de
hasta 60 veces menor, mayor flexibilidad, manejabilidad y por supuesto menor
costo. Los cables de fibras ópticas ofrecen una muy alta baja atenuación, en el
rango de 0.2 dB/km. Esto permite manejar grandes distancias entre repetidores,
en el rango de los 150 km y los 600 km dependiendo de la capacidad del enlace.
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.
DESVENTAJAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS
ATENUACIÓN
La figura
1 muestra el espectro de la curva de
atenuación de una típica fibra óptica hecha de silicio. La curva tiene tres
características principales. Una gran tendencia de atenuarse conforme se
incrementa la longitud de onda (Dispersión Rayleigh), Atenuación en los picos de absorción
asociados con el ión hidroxyl (OH-), y
Una tendencia por la atenuación para incrementar las longitudes de onda
por arriba de los 1.6 um, debidas a las pérdidas inducidas por la absorción del
silicio.
Nuevos
sistemas de transmisión usan fibras multimodo, operadas en la primera ventana
de longitud de onda cercana a las .85 um, mostrado en la figura 3, y después en
la segunda ventana cerca de 1.3 um. Una fibra de modo simple primeramente opera
en la segunda ventana, donde la atenuación de la fibra es típicamente menor que
0.35 dB/Km. Sin embargo la región de menos pérdida ( típicamente pérdidas
cercanas a las 0.20 dB/Km) permanece en una longitud de onda amplia y los
laceres y receptores operan en esa ventana cercanos a 1.55 um, estos llegaron a
ser disponibles a finales de los 80´s.
DISPERSIÓN
La dispersión cromática describe la tendencia para
diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades en una fibra.
En longitudes onda donde la dispersión cromática es alta, los pulsos ópticos
tienden a expandirse en el tiempo y provocar interferencia, lo cual puede
producir una inaceptable velocidad del bit, la figura 2 muestra como la
dispersión cromática cambia con la longitud de onda para tres diferentes tipos
de fibra. La dispersión cromática de una fibra consiste de dos componentes - Material
y Guía de Onda- como se muestra en la
figura 3, el componente material depende de las características de dispersión
de los dopantes y del silicio de construcción. Estos materiales no ofrecen
mucha flexibilidad a ajustes significantes en la dispersión de la fibra, así
que ese esfuerzo se ha enfocado en alterar la dispersión de guías de ondas de
las fibras ópticas.
POLARIZACIÓN
Polarización es la propiedad de la luz la cual está
relacionada con la dirección de sus vibraciones, el viaje de la luz en una
fibra típica puede vibrar en uno o dos modos de polarización
La figura 4 muestra
los dos modos principales de una fibra asimétrica que es uniforme a lo largo de
su longitud. El modo en el eje X es arbitrariamente etiquetado con un modo
lento, mientras que en el eje Y es etiquetado en el modo rápido. La diferencia
en los tiempos de arribo en los modos de dispersión por polarización (PMD), es
típicamente medida en pico segundos. Sino es propiamente controlado, PMD puede
producir errores excesivos en los bits para
la transmisión en
sistemas digitales y que pueden
distorsionar señales de video trasmitidos usando formato de modulación
de amplitud analógico.
NO LINEALIDAD
Niveles de alta
potencia de la fibra óptica disponibles y amplificadores ópticos provocan
señales que interactúan con la fibra en las cuales produce una variedad de
efectos no lineales, sino son controlados propiamente, estas no linealidades
pueden afectar de forma adversa al desarrollo del sistema, las no linealidades
de la fibra caen dentro de dos categorías:-dispersión estimulada e índices de
fluctuación refractivos.
Los niveles de potencia en los cuales los diferentes
fenómenos no lineales se manifiestan ellos mismos, son conocidos como
thresholds.
Dispersión
Estimulada
(StimulatedScattering).
Esta no
linealidad ocurre en sistemas de modulación intensos cuando las señales ópticas
interactúan con las ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la fibra
de Si. Esta interacción dispersa la luz y la cambia a una longitud de onda
mayor.
Hay dos formas de dispersión estimulada: -Stimlated
Brillouin Scattering y Stimulated Raman Scattering- Índices de Fluctuaciones
Refractivas ( Refractive Index Fluctuations).
Aunque el índice de refacción de una fibra óptica de Si
presenta una constante a bajos niveles de potencia óptica, las altas potencias
relacionadas con los amplificadores ópticos pueden modular el índice variando
la intensidad óptica de la señal de transmisión.
Los efectos de la no linealidad de los índices refractivos
caen dentro de tres categorías:-Self -Phase Modulation, Croos-Phase Modulation
y Four-Wave Mixing.
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.
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.
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.
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)
Ya que hemos visto la emisión de luz a través de una fuente
de luz veamos una representación más formal en función del tiempo. En la
siguiente figura aparece la luz como una señal analógica con una potencia Pot,
en todo momento, cada cierto periodo se repite la emisión de esa potencia.
La luz 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.
La longitud de onda
La letra griega Landa representa la longitud de onda .Y su ecuación es la siguiente:
La Longitud de Onda indica cuanto mide esa señal en el
espacio, y se mide en metros (m) o más formalmente en nanómetros (nm).
En esta representación, se ha dibujado una potencia
decreciente de la señal, dado que la representación gráfica en este caso está
en función del espacio, es decir de la distancia que recorre la luz. Conforme
recorre más distancia, más potencia va perdiendo.
Este fenómeno se observará sobre distancias del orden de los
kilómetros. La longitud de onda es un parámetro que puede percibirse en la luz
visible, ya que este parámetro el que determina el color de la luz. Así cuando
hablamos de luz a cierta longitud de
onda, estamos hablando de una luz a cierto color. Cuando hablamos de luz
blanca, en realidad se trata de una suma de luces de todos los
colores.Recordemos que el blanco es la suma de todos los colores.En la
siguiente figura se muestra la luz blanca y todos sus componentes.
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:
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
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
i 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 r. 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:
Cuando el ángulo de refracción rebasa los 900 es decir
rebasa la frontera, en este preciso
momento decimos que no hay refracción y al valor del ángulo de incidencia
correspondiente se le llama ángulo crítico c. Si se incrementa el ángulo de
incidencia es decir si se excediera el ángulo crítico ocurre el fenómeno
llamado reflexión Interna Total.
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.
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:
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:
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
cA, con el fin de que haya una refracción en el punto A.
El ángulo de incidencia en la frontera núcleo-revestimiento,
que será la misma dirección con que saldrá refractado del punto A, sea mayor al
ángulo CB, con el fin de que haya una reflexión en el punto B.
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.
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.
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 ,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 .
Otro parámetro independiente de la longitud de la fibra y
que expresa el ensanchamiento,se ha definido el coeficiente de dispersión ,que
indica cuanto tiempo se ensancha un pulso por cada kilómetro recorrido y la
formula del valor del coeficiente es /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:
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
En 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.
Este calentamiento tan intenso causa un colapso en el tubo
fundiendose completamente y desechando al huecoDespues de esto ya tenemos una
estructura casi identica a una fibra óptica con un núcleo y un recubrimento con
diferentes índices de refracción y lo único que no se obtiene son las
dimensiones.
Para fabricar una fibra monomodo o multimodo se obtienen
haciendo variaciones sobre todos los parámetros que intervienen en la
fabricación de la fibra los cuales son temperatura de calentamiento,la
velocidad de traslación,la velocidad de rotación y la cantidad de dopantes etc.
La fibra óptica
Una vez teniendo la preforma cilíndrica se procede a
estirarla hasta que quede tan delgada como el cabello humano. Este proceso consiste
en calentar la prefroma hasta que se derrita. Dos rodillos se encargan de jalar
con fuerza necesaria para obtener el diámetro de 125 m. Un rayo láser
monitorea todo el proceso de estirado, si el diámetro se pasa de los 125 m los
rodillos jalaran con mas fuerza y sie el diámetro de la fibra es menor a los
125 m los rodillos jalaran con menos fuerza para compensar en diámetro
requerido. Después de esto se pasa la fibra por una etapa de bañado de pintura
que es la protección primaria y después será enrollada en la bobina la cual es
el producto final de los fabricantes de fibra óptica.
5 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.
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:
1. -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.
Como conclusión comparemos en un tabla las diferencias entre
una fuente tipo LED y la fuente tipo LASER:
Características LED LASER
Potencia acoplada en W >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
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
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:
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:
Existen dos versiones de conectores;el conector macho y el
conector hembra.La función del conector hembra es la de proveer el mecanismo
que pone en contacto a los conectores machos.En cuanto a los componentes de un
conector la férula cuenta con un orificio de gran precisión justo en el centro
a través del cual se conduce la fibra óptica.Este orificio tiene un díametro de 125 por lo que pasa la fibra desnuda
incluyendo solamente a l núcleo y a la cubierta.Justo en el centro del conector
hembra se pone en contacto,frente a frente,las dos ferulas con lo que se logra
el contacto también entre las dos fibras.Es evidente que este contacto es de
mucha presición,pues cualquier falla en el alineamiento o cualquier separación
de más entre las mismas fibras provoca una atenuación y una reflexión que
afecta al desempeño de todo el sistema.
Los otros elementos sirven para darle soporte a las férulas
asegurando que el contacto sea estable y preciso.El cuerpo es la parte que
sirve de base para la acción del elemento de fijación.El aliviador de
tensión permite que cuando un una
persona especializada este manipulando el cable aplique la presión de sus dedos
en esta parte y no directamente sobre la fibra.Esta parte esta hecha de un
material de plastico que puede ser rigido o blando según su uso.La principal
función del aliviador de tensión es que al efectuar una conexión,el radio del
arco que forma el cable de fibra no exceda el radio minimo adecuado que evita
una atenuación en la luz.
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 m,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 m.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. L
a 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.
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.
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
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 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:
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:
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.
