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Sistemas de transmisión por fibra óptica y sus componentes

 

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Objetivos: En este capítulo usted aprenderá:

Cómo funcionan los enlaces de datos de fibra óptica y los sistemas de transmisión.

Qué componentes se utilizan en los transceivers.

Qué tipos de fuentes y detectores que se utilizan en los transceivers.

Los parámetros de rendimiento de los sistemas de transmisión por fibra óptica.

 

 

Enlaces de datos de fibra óptica

 

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Los sistemas de transmisión de fibra óptica utilizan enlaces de datos que funcionan de forma similar a la que se ilustra en el diagrama de arriba. Cada enlace de fibra consta de un transmisor en un extremo de la fibra y de un receptor en el otro. La mayoría de los sistemas operan transmitiendo en una dirección a través de una fibra y en la dirección opuesta a través de otra fibra para así tener una transmisión bidireccional. Es posible transmitir en ambas direcciones a través de una sola fibra pero se necesitan acopladores para hacerlo, y la fibra es menos costosa que ellos. Una red FTTH óptica pasiva (PON) es el único sistema que utiliza transmisión bidireccional sobre una sola fibra porque su arquitectura de red ya utiliza acopladores como base.

 

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La mayoría de los sistemas utilizan un "transceiver" que incluye tanto un transmisor como un receptor en un sólo módulo. El transmisor toma un impulso eléctrico y lo convierte en una salida óptica a partir de un diodo láser o un LED. La luz del transmisor se acopla a la fibra con un conector y se transmite a través de la red de cables de fibra óptica. La luz del final de la fibra se acopla al receptor, donde un detector convierte la luz en una seĖal eléctrica que luego se acondiciona de forma tal que pueda utilizarse en el equipo receptor.

 

Analógico o digital

Las seĖales analógicas son continuamente variables y la información contenida en ellas está en la amplitud de la seĖal con respecto al tiempo. Las seĖales digitales se muestrean a intervalos de tiempo regulares y la amplitud se convierte a bytes digitales, por lo tanto la información es un número digital. Las seĖales analógicas son la forma más común de transmisión de datos, pero sufren degradación por el ruido presente en el sistema de transmisión. Debido a que la seĖal analógica se atenúa en un cable, la relación seĖal-ruido empeora y en consecuencia la calidad de la seĖal se degrada. Las seĖales digitales pueden transmitirse en largas distancias sin que se degraden ya que son menos sensibles al ruido. 

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La transmisión de datos por fibra óptica puede ser analógica o digital, aunque es mayormente digital. Las redes informáticas y de telefonía son digitales, la televisión por cable actualmente es analógica pero está migrando a digital, y los sistemas de CCTV posiblemente también lo hagan.

Tanto las transmisiones analógicas como las digitales tienen algunos parámetros comunes y diferencias importantes. Para ambos tipos de transmisión, el margen de pérdida óptica o el presupuesto de potencia óptica es lo más importante. Las transmisiones de datos analógicas se prueban mediante la medición de la relación seĖal-ruido para determinar el margen de enlace, mientras que las transmisiones digitales utilizan la tasa de bits erróneos para medir el rendimiento. Ambas transmisiones deben probarse sobre todo el ancho de banda especificado para la operación; sin embargo, actualmente la mayoría de los enlaces son específicos para una aplicación de red, como CATV AM o monitores a color RGB para transmisiones analógicas y SONET, Ethernet o canal de fibra para transmisiones digitales.

 

DiseĖo (chásis)

Generalmente, el diseĖo de los transceivers es estándar para que múltiples fuentes puedan conectarse al equipo de transmisión. Los módulos se conectan a un conector dúplex en un extremo óptico y a una interfaz eléctrica estándar en el otro extremo. Los transceivers reciben alimentación de los equipos en los que están integrados.

 

Fuentes para transmisores ópticos

 

Las fuentes utilizadas para transmisores ópticos deben cumplir con varios criterios: operar en la longitud de onda adecuada, ser pasibles de modularse lo suficientemente rápido para transmitir datos y poder acoplarse de forma eficiente a la fibra.

Comúnmente se utilizan cuatro tipos de fuentes: LED, láser fabry-perot  (FP), láser de retroalimentación distribuida (DFB) y láser de cavidad vertical y emisión superřcial (VCSEL). Todos ellos convierten las seĖales eléctricas en seĖales ópticas, pero son muy diferentes entre sí. Los tres son minúsculos dispositivos semiconductores (chips). Los LED y VCSEL se fabrican sobre pastillas de material semiconductor para que puedan emitir luz desde la superficie del chip, mientras que los láser F-P y DFB emiten luz desde el lateral del chip, desde una cavidad del láser creada en el medio del chip.   

 

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Los LED tienen una potencia disponible mucho menor que los láser y su patrón divergente y amplio de salida de la luz hace que sea más difícil que se acoplen a las fibras, por lo que se pueden utilizar sólo con fibras multimodo. Los láser tienen un patrón de salida de la luz menor y más estrecho, por lo que se pueden acoplar fácilmente a fibras monomodo, lo que los hace ideales para transmisiones de alta velocidad en larga distancia.  Los LED tienen un ancho de banda menor que los láser y su uso se limita a sistemas que operan a 250 MHz o 200 Mb/s aproximadamente.  Por otro lado, los láser tienen una capacidad de ancho banda muy elevada, por lo que pueden ser útiles en 10 GHz o 10 Gb/s.

Debido al método en el que son fabricados, los LED y VCSEL son más económicos. Los láser son más costosos porque es más difícil crear la cavidad del láser dentro del dispositivo, y recién se podrá probar si el láser funciona correctamente cuando el chip esté separado de la pastilla del material semiconductor y tenga cada extremo revestido.

 

Especificaciones estándar de fuentes de fibra óptica

 

Tipo de dispositivo

Longitud de onda (nm)

Potencia dentro de la fibra (dBm)

Ancho de banda

Tipo de fibra

LED

850, 1300

-30 a -10

<250 MHz

multimodo

Láser Fabry-Perot

850,1310 (1280-1330), 1550 (1480-1650)

0 a +10

>10 GHz

multimodo, monomodo

Láser DFB

1550 (1480-1650)

0 a + 13

(+25 con amplificador óptico)

>10 GHz

monomodo

VCSEL

850

-10 a 0

>10 GHz

multimodo

 

Los LED tienen un ancho de banda limitado mientras que todos los tipos de láser son muy rápidos. Otra gran diferencia entre los LED y ambos tipos de láser es el espectro de emisión. Los LED tienen un espectro de emisión muy ancho, lo que provoca dispersión cromática en la fibra, mientras que los láser tienen un espectro de emisión angosto que causa muy poca dispersión cromática. Los láser DFB, que se utilizan en largas distancias y en los sistemas DWDM, tienen los anchos espectrales más angostos, lo que disminuye la dispersión cromática en las transmisiones de mayor distancia. Los láser DFB también son altamente lineales (es decir que la salida de la luz continúa directamente a la entrada eléctrica) por lo que pueden utilizarse como fuentes en sistemas CATV AM.

 

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La elección de estos dispositivos depende principalmente de la velocidad y de cuestiones de compatibilidad.  Dado que muchos sistemas de planta interna que utilizan fibra multimodo han superado la velocidad de transmisión de bits de 1 Gb/s, los láser (mayormente los VCSEL) han reemplazado los LED. La salida de luz de los LED es muy dispersa; sin embargo, la de los láser es muy localizada, y las fuentes llenan la fibra de forma diferente. El lanzamiento restringido del VCSEL o de cualquier otro láser proporciona un mayor ancho de banda efectivo de la fibra; sin embargo, la fibra optimizada para láser, generalmente la OM3, es la ideal para los láser.

 

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La electrónica de un transmisor es simple: convierten un pulso de entrada (voltaje) en un pulso de corriente preciso para dirigir la fuente de luz. Generalmente, los láser se polarizan con una corriente continua baja y se modulan por encima de tal polarización corriente para maximizar la velocidad.

 

Detectores para receptores ópticos

 

Los receptores utilizan detectores semiconductores (fotodiodos o fotodetectores) para convertir las seĖales ópticas en seĖales eléctricas. Los fotodiodos de silicio se utilizan para enlaces de longitud de onda corta (650 para fibra óptica de plástico, y 850 para fibra multimodo de vidrio). Generalmente, en los sistemas de longitud de onda larga se utilizan detectores de InGaAs (arseniuro de galio-indio) ya que tienen menor ruido que los de germanio, que hace que los receptores sean más sensibles.

 

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Los sistemas de muy alta velocidad a veces utilizan fotodiodos de avalancha (APD) que tienen mayor capacidad de ancho de banda que otros fotodiodos. Los APD se polarizan con alto voltaje para crear ganancia en el fotodiodo, lo que aumenta la sensibilidad y la capacidad de frecuencia. Estos dispositivos son más costosos y complicados de utilizar pero ofrecen ganancia significativa en la potencia.

 

Componentes para transmisión óptica para aplicaciones especiales

 

Multiplexación por división de longitud de onda

Dado que la luz de las diferentes longitudes de onda no se mezcla en la fibra, es posible transmitir simultáneamente seĖales en diferentes longitudes de onda a través de una sola fibra. La fibra es económica, pero instalar nuevos cables puede ser costoso, por lo que utilizar fibras ya instaladas para transmitir más seĖales puede ser muy rentable.

La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) se utilizó por primera vez con fibra multimodo en los comienzos de la fibra óptica, utilizando tanto 850 como 1310 nm en fibra multimodo. Actualmente, las redes de fibra monomodo pueden transportar seĖales a 10Gb/s en 64 longitudes de onda o más, lo que se conoce como multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM). Los sistemas de fibras multimodo que utilizan multiplexación por división de longitud de onda (WDM) han sido menos populares; sin embargo, algunos estándares utilizan multiplexación por división de longitud de onda ligera (CWDM) para transportar seĖales a velocidades mayores a 1 Gb/s sobre fibras multimodo optimizadas para láser.

 

Repetidores y amplificadores ópticos

A pesar de que la fibra óptica tiene pérdidas bajas, lo que permite que la seĖal viaje cientos de kilómetros, para distancias extremadamente largas e incluso en cables submarinos, se necesitan regeneradores o repetidores para amplificar la seĖal periódicamente. Al principio, los repetidores consistían básicamente en un transmisor seguido de un receptor. Este receptor convertía la seĖal de entrada óptica en una seĖal eléctrica, la limpiaba para eliminar todo el ruido posible y luego otro transmisor láser la retransmitía. Estos repetidores aĖadían ruido a la seĖal, consumían mucha energía y eran complejos, lo que significa que eran una causa de fallas. Además, tienen que fabricarse para una velocidad de transmisión específica y si se desea realizar una actualización de la red, se deben reemplazar todos los repetidores, Ńuna tarea realmente difícil de realizarse en un cable submarino!

 

La solución a los repetidores ópticos fueron los amplificadores ópticos. Un amplificador de fibra estándar funciona en banda 1480-1650 nm. Consta de fibra dopada con erbio bombeada con un láser a 980 o 1480 nm. El láser de bombeo suministra la energía para el amplificador, mientras que la seĖal de entrada estimula la emisión a medida que el pulso atraviesa la fibra dopada. Esta emisión estimulada a su vez estimula mayor emisión, por lo que se genera un crecimiento rápido y exponencial de energía en la fibra dopada. Es posible obtener ganancias de hasta 40 dB (10000X) con potencias disponibles de hasta +26 dBm (400 mW).

 

Además de utilizarse como repetidores, los amplificadores ópticos se utilizan para aumentar el nivel de seĖal en los sistemas de televisión por cable, los que requieren niveles de energía elevados en el receptor para mantener un rendimiento adecuado de la relación seĖal-ruido, lo que permite tendidos de cable de mayor distancia o bien el uso de divisores (splitters) para "emitir" una sola seĖal a través de un acoplador hacia muchas fibras, y así ahorrar el costo de transmisores adicionales. En telefonía, los amplificadores de fibra se combinan con DWDM (multiplexación por división de longitud de onda densa) para sobrellevar las ineficiencias de los acopladores de DWDM para transmisiones de larga distancia.

 

Rendimiento del enlace de datos y presupuesto de potencia óptica del enlace

 

Medición de la calidad de transmisión de datos

Al igual que con la transmisión por cable de cobre o por radio, el rendimiento de un enlace óptico de datos puede determinarse por cómo transmite los datos; cómo la seĖal eléctrica reconvertida que sale del receptor se adapta a la entrada del transmisor.

 

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La capacidad de cualquier sistema de fibra óptica de transmitir datos depende básicamente de la potencia óptica en el receptor, tal como se ilustra en la imagen de arriba, en la que se muestra la tasa de bits erróneos (BER) del enlace de datos como una función de la potencia óptica en el receptor. (La tasa de bits erróneos es inversa a relación seĖal ruido, por ejemplo, una tasa de bits erróneos alta implica una relación seĖal-ruido pobre). Tanto en el caso de potencia insuficiente o de potencia en exceso se generará una elevada tasa de bits erróneos. Si hay potencia en exceso, el amplificador receptor se satura; y si hay potencia insuficiente, el ruido se convierte en un problema ya que interfiere con la seĖal. La potencia del receptor depende de dos factores básicos: cuánta potencia lanza el transmisor en la fibra y cuánta potencia se pierde por atenuación en la red de cables de fibra óptica que conecta el transmisor con el receptor.

 

Presupuesto de potencia óptica del enlace

El presupuesto de potencia óptica del enlace se determina teniendo en cuenta dos factores: la sensibilidad del receptor (la que a su vez se determina en la curva de tasa de bits erróneos como se ilustra anteriormente) y la potencia de salida del transmisor en la fibra. El nivel de potencia mínimo que genera una tasa de bits erróneos aceptable determina la sensibilidad del receptor. Esta potencia del transmisor acoplada a la fibra determina la potencia transmitida. La diferencia entre estos dos niveles de potencia determina el margen de pérdida (presupuesto de potencia óptica) del enlace.

 

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Los enlaces de datos de alta velocidad como redes de área local gigabit o 10gigabit Ethernet sobre fibra multimodo tienen factores de disminución de la potencia del ancho de banda de la fibra causados por la dispersión de los pulsos de datos digitales. Las antiguas fibras OM1 de 62.5/125 generalmente operan en enlaces cortos mientras las transmisiones a través de fibra OM3 optimizada para láser de 50/125 son para distancias mayores. Incluso los enlaces de larga distancia de fibra monomodo pueden tener limitaciones causadas por dispersión cromática o por dispersión de modo de polarización.

 

Si se diseĖa el enlace para operar en diferentes tasas de bits, es necesario generar una curva de rendimiento para cada tasa de bits. Dado que la potencia total en la seĖal es una función del ancho del pulso y éste varía en función de la tasa de bits (a mayor tasa de bits, pulsos más cortos), la sensibilidad del receptor producirá degradación a tasas de bits elevadas.

 

Los fabricantes de sistemas y componentes para enlaces de datos especifican para cada tipo de enlace, la sensibilidad del receptor (puede ser una potencia mínima requerida) y la potencia mínima acoplada a la fibra desde la fuente. Los valores estándar para estos parámetros se muestran en el cuadro que sigue. Para que el fabricante o quien diseĖa el sistema pueda probarlos adecuadamente es necesario conocer las condiciones de prueba. Para los componentes para enlaces de datos, estas condiciones incluyen: frecuencia de entrada de datos o tasa de bits y ciclo de trabajo, voltaje de la fuente de energía y el tipo de fibra acoplada a la fuente. Para los sistemas, las condiciones incluyen el software de diagnóstico que requiera el sistema.

 

Parámetros estándar de rendimiento de sistemas/enlaces de fibra óptica

 

Tipo de enlace

Fibra

Tipo de fuente

Longitud de onda (nm)

Potencia de transmisión (dBm)

Sensibilidad del receptor (dBm)

Margen del enlace (dB)

Transmisión de voz

monomodo

Láser

1310/1550

+3 a -6

-30 a -45

30 a 40

 

monomodo

DWDM

1550

+20 a 0

-30 a -45

40 a 50

Transmisión de datos

multimodo

LED/

VCSEL

850

-3 a -15

-15 a -30

3 a 25

 

multimodo o monomodo

Láser

1310

-0 a -20

-15 a -30

10 a 25

CATV(AM)

monomodo

Láser

1310/1550

+10 a 0

0 a -10

10 a 20

 

    

 

De todas las redes y los enlaces de comunicaciones de datos hay sistemas de fibra óptica específicos de ciertos proveedores, pero también existe una cantidad de redes estándar del sector como Ethernet que opera con tipos específicos de fibra. Se ha acordado que todos los fabricantes deben utilizar especificaciones comunes para los componentes de estas redes para asegurar la interoperabilidad. La fuente de consulta sobre temas de tecnología de la FOA (FOA Tech Topics) cuenta con un resumen de especificaciones de muchos de estos sistemas.

 

 

 

Preguntas de repaso

 

Verdadero o Falso

Indique si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos.

 

____               1. En los enlaces ópticos, generalmente se utilizan dos fibras para transmisiones completamente bidireccionales (duplex).

 

____               2. Los LED tienen una salida de la luz y un ancho de banda mayor que los láser.

 

Ejercicio con opciones múltiples

Identifique la opción que mejor complete la frase o responda a la pregunta.

 

____               3. Los sistemas de fibra multimodo que operan a velocidades de 1 Gb/s utilizan fuentes __________.

A.

LED

B.

VCSEL

C.

láser F-P

D.

láser DFB

 

 

 

 

____               4. __________ de un láser proporciona un mayor ancho de banda efectivo en una fibra multimodo que los LED.

A.

El lanzamiento de modo restringido

B.

La mayor potencia

C.

La menor Potencia

D.

El ancho de banda

 

 

____               5. Los enlaces de longitud de onda corta de 850 nm pueden utilizar detectores de __________ en el receptor.

A.

silicio

B.

germanio

C.

InGaAs (arseniuro de galio-indio)

 

 

____               6. Los enlaces de longitud de onda larga de fibra monomodo de 1300-1650 nm deben utilizar detectores de __________  en el receptor para obtener un mejor rendimiento de la sensibilidad.

A.

silicio

B.

germanio

C.

InGaAs (arseniuro de galio-indio)

 

 

____               7. Los amplificadores de fibra y la multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM ) operan en el rango de longitud de onda de __________.

A.

650-850

B.

850-1300

C.

1300-1550

D.

1480-1650

 

 

Ejercicio de respuestas múltiples

Identifique una o más opciones que mejor completen el enunciado o responden a la pregunta

 

____               8. Los transceivers monomodo utilizan fuentes __________ para obtener una potencia acoplada y una ancho de banda mayores.

A.

LED

B.

VCSEL

C.

láser F-P

D.

láser DFB

 

 

____               9. Los transceivers multimodo utilizan fuentes __________ según los requerimientos de potencia acoplada y ancho de banda.

A.

LED

B.

VCSEL

C.

láser F-P

D.

láser DFB

 

 

 

Otros proyectos y lecturas

Visite los sitios web de los fabricantes de transceivers, detectores y fuentes para fibra óptica para conocer sus especificaciones de rendimiento y las aplicaciones que soportan.

En la clase o en el laboratorio, realice un enlace con fibra óptica y vea cómo funciona. Puede construir el enlace con componentes o a partir de los conversores de medios disponibles.

 

 

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La Asociación de fibra óptica

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