Evolución de la Fibra Óptica en el Futuro (página 2)

La Fibra Óptica es un filamento flexible, largo y delgado (Del orden de unas micras) más fino que un cabello humano, es una guía de ondas ópticas totalmente dieléctrica y constituida por dos cilindros concéntricos vítreos de diferentes Índices de Refracción que forman una estructura Monolítica, al cilindro interior se le conoce como Núcleo y no es más que un centro de Dióxido de Silicio (SiO2) dopado o no, por donde viajan los pulsos de luz transmitidos y al cilindro exterior se le conoce como Revestimiento, el cual conforma una capa exterior que rodea al núcleo reflejando la luz que incide en él y permitiendo que dentro del núcleo el valor del Índice de Refracción sea mayor siempre en el núcleo que en el revestimiento y la estructura Núcleo-Revestimiento durante el proceso de fabricación se protege por una capa de acrilatos epóxicos llamada generalmente Protección Primaria.

Figura 2. Estructura de una Fibra Óptica.

La velocidad de la luz en el vacío es de 3.108 m/s y varía sensiblemente en dependencia de la diferencia de la densidad de los materiales que atraviesa, para caracterizar la densidad de los materiales se ha definido el parámetro Índice de Refracción Absoluto (), expresado por la relación entre la velocidad de la luz en el medio considerado ().

Índice de Refracción Absoluto:

Tabla 1. Índice de Refracción de algunas sustancias básicas.

II.2.- Índice Refractivo.

El principio subyacente de la transmisión por Fibra Óptica es que la luz ¨En una secuencia de pulsos codificados¨ es reflejada o refractada sobre fronteras de dos medios ópticos diferentes, constituyendo una guía de onda para la transmisión de luz y la densidad de un medio óptico está dada por el Índice de Refracción (), dicho índice indica que ese es el medio donde la luz viaja más lentamente, en nuestro caso es el vacío (En el cual una Fibra Óptica para transmitir (Ver figura 3) consiste en un centro cilíndrico conductor de luz compuesto por un cristal con alto grado de Silicio que posee un Índice Refractivo () rodeado por un revestimiento concéntrico de cristal de Silicio y con Índice Refractivo () ligeramente menor que el índice del centro, esta diferencia de Índice Refractivo se obtiene dopando el cristal puro de Silicio con Boro el cual lo reduce o Germanio que lo incrementa.

Figura 3. Fibra Óptica para transmitir.

Razón entre las velocidades de una onda en el vacío y en un medio:

Donde:

c: Velocidad de la luz en el vacío.

v: Velocidad de la luz en el medio.

Permeabilidad Magnética en el vacío = Farad/m

Permeabilidad Eléctrica en el vacío = Henry/m

Figura 4. Variación del Índice de Refracción con la longitud de onda.

II.3.- Ángulo de Apertura.

Para obtener una pérdida mínima, la diferencia entre y debe ser alrededor del 1% para que los rayos de luz puedan reflectarse totalmente sobre los bordes del centro con su revestimiento si se inyecta con un ángulo dentro del límite crítico, a este ángulo crítico de aceptación de luz se le llama Ángulo de Apertura () y es el ángulo máximo de entrada de la luz en la Fibra Óptica, el mismo permite el efecto de la guía de onda por reflexión total interna y se define como:

Al seno del ángulo de apertura se le nombra Apertura Numérica y se denota:

el mismo caracteriza el acople de la potencia óptica en la fibra.

La luz entrante a la fibra fuera de este ángulo de aceptación se pierde para transmisión; también se puede perder si la fibra es doblada más allá del radio mínimo de curvatura permisible.

Figura 5. Ángulo de aceptación y Apertura Numérica. (NA)

Dependiente del Ángulo de Apertura para cada rayo de luz incidente, existe un camino específico llamado Modo, el cual será seguido a través de la fibra, a mayor centro más modos pueden simultáneamente existir y cada uno con diferencias ligeras en distancia recorrida, de aquí la existencia de dos tipos fundamentales de Fibras: Fibras Multimodo o Fibra Monomodo.

El número de modos está definido por:

Donde:

Representa el número de modos.

Representa el Diámetro del centro en µm.

Figura 6. Ángulo de Aceptación y Apertura Numérica. (NA)

Relacionado con el diámetro del centro está también la longitud de onda de corte (), la cual está definida como la longitud de onda por debajo de la cual los modos de propagación excepto el modo básico aparecen por primera vez, el espectro de la fuente de transmisión debe yacer sobre un valor superior a () para permitir la transmisión de Monomodo y la longitud de onda para corte puede calcularse mediante la siguiente fórmula:

II.4.- Ventanas de Transmisión.

El cristal de Silicio ofrece tres ventanas de mínima atenuación localizadas entre las fronteras de absorción ultravioleta e infrarrojo y abarca el rango de 800nm a 1600nm, la teórica atenuación mínima entre los dos bordes está determinada por el esparcimiento Rayleigh, el cual constituye una propiedad física del material, cambios de la densidad local del cristal causa una fluctuación del Índice de Refracción que no puede ser eliminada y limita la más baja atenuación espectral de la fibra a un valor bajo de 0.13dB/km a 1550nm, otras atenuaciones son causadas por impurezas del material tales como iones OH- que entran a la fibra durante el proceso de producción y provocan picos de atenuación a 950nm, 1240nm y 1380nm y la Fibra Monomodo con una atenuación ligeramente menor de 0.2dB/km es estándar.

En la figura 7 se muestra la atenuación típica de la Fibra Monomodo vs la Longitud de Onda de la luz usada para transmitir a través de ella y al rango de baja atenuación (Casi Rayleigh) entre picos de atenuación de absorción se le nombra Ventana, la Fibra Óptica tiene 3 ventanas de mínima atenuación.

Las primeras fibras comerciales obtenidas eran del tipo Multimodo para Salto de índice y operaban a 850nm, las mismas se caracterizaban por un coeficiente de atenuación relativamente alto a su vez que la frecuencia de operación estaba por debajo de 1Ghz a distancias máximas de unos 10Km sin Repetidor, actualmente operan en Redes de Área Local (LAN) hasta 1Gbits/s y presentan la ventaja de un menor costo, además de que pueden utilizar como fuente de luz un dispositivo relativamente barato como el diodo emisor de luz. (LED)

Figura 7. Ventanas de Trabajo de la Fibra Óptica.

La segunda generación trabaja a 1300nm y desde el punto de vista tecnológico se les conocen como Fibras Multimodos de Índice Gradual, las cuales logran una atenuación muy baja típicamente inferior a los 0.4dB/Km así como mayor ancho de banda, operando a un poco más de 2,5Gbps, preferiblemente utilizan fuentes de luz Láser y se aplican en redes de larga distancia con tramos de repetición sobre los 50Km.

La tercera generación es la más importante porque es un tipo de Fibra Monomodo de altas prestaciones que puede operar en 1300nm y 1550nm, con atenuación por debajo de 0.4dB/Km y un ancho de banda que le permite alcanzar más de 10Gbps, con tramos de repetición de 100Km aproximadamente y en la cual la pérdida por esparcimiento de Rayleigh y la absorción infrarroja están minimizados, la misma requiere necesariamente el empleo de fuente de láser en sus diferentes alternativas comerciales se ha convertido en el Caballo de Batalla de las redes de transporte óptico actuales y sobre ellas se soportan los sistemas de transmisión de la Jerarquía Digital Síncrona (SDH), así como los servicios Frame Relay y ATM de banda ancha.

Figura 8. Espectro Electromagnético.

En esta figura también se ilustra la enorme capacidad de transmisión que tiene la Fibra Óptica e indica los anchos de banda aproximados por ventana, estos anchos de banda pueden ser calculados como:

Donde:

c: Velocidad de la luz.

Longitud de onda de la luz.

II.5.- Atenuación.

Es la pérdida de potencia que sufre la señal óptica al propagarse a través de la Fibra, si PT es la potencia transmitida a la Fibra y PR la potencia recibida para una longitud L, entonces la atenuación se expresa en forma logarítmica (dB) como:

Donde:

Coeficiente de atenuación en dB/Km.

Figura 9. Atenuaciones en las Fibras Ópticas.

II.6.- Ancho de Banda.

Para aplicaciones prácticas el ancho de banda de la Fibra Óptica se define como el producto del ancho de banda en Ghz y la posible distancia en Km sin repetidores para un máximo de potencia óptica de pérdida de 3dB, de esta forma el ancho de banda representa frecuencia analógica en pulsos diseminados en un rango de tiempo, usualmente conocida como Dispersión, por ello a menos dispersión del pulso sobre la ruta de transmisión mayor será su ancho de banda, este ancho de banda expresado convencionalmente en Ghz/Km estará dado por la fórmula:

Donde:

dT: Dispersión en nS y se calcula:

Donde:

y Son los 3dB que valen los pulsos de Transmisión y Recepción respectivamente.

Podemos plantear que en la actualidad hay dos razones principales que motivan a una utilización cada vez mayor del recurso para el ancho de banda:

• 1. Aumento de los servicios de datos, en especial los relacionados con Internet que han tenido un crecimiento muy fuerte desde su proliferación a escala mundial en 1996, un impulso muy fuerte en este sentido se está produciendo a partir de la incorporación de nuevos servicios de banda ancha como son la televisión digital, el video en demanda y las opciones de multimedia en general.

• 2. Existencia de diversos protocolos de comunicación incompatibles entre sí, tal es el caso de IP y ATM en particular, la variante de voz empaquetada la cual puede transportarse en diferentes formatos como son VoIP, Frame Relay, ATM, entre otros además de los servicios de voz convencionales de la Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN) sobre SDH.

Figura 12. Evolución de la velocidad de Transmisión en la Red.

En la figura 12 se muestra un crecimiento de la velocidad por año, considerando tres niveles en la Red:

• 1. El backbone de Internet.

• 2. Las Redes de área local (LAN) donde se ha producido un fuerte incremento de velocidad al hacerse realidad el nuevo estándar Ethernet de 10Gbits/s.

• 3. El backbone de Transmisión propiamente que transporta la información a grandes distancias.

Prácticamente en el año 2000 se logra sobrepasar el umbral de 10Gbits/s en el backbone de transporte, obligando a un uso eficiente del ancho de banda potencial que puede ofrecer la Fibra Óptica, obsérvese en la propia figura que a partir de este límite las soluciones de transmisión sobre fibra dejan de ser monocromáticas para convertirse en multicanales haciéndose necesario el empleo de varias longitudes de onda a una máxima velocidad eléctrica fija, que en este caso es de 10Gbps.

Esta tecnología aumenta la capacidad de la información en fibra proporcionalmente al número de longitudes de onda utilizado y se obtiene mediante el Multiplexado Óptico de los flujos de información monocromáticos, donde a la entrada del sistema los cuales se re sintonizan, previamente a una longitud de onda asignada, alrededor de la ventana de 1550nm, a esta técnica se le conoce como Multiplexado en Longitud de Onda (WDM), la cual permite un mejor aprovechamiento del ancho de banda potencial de la fibra como medio de transmisión.

II.7.- Dispersión.

La Dispersión se mide en ps/nm-Km y esta relacionada con el ensanchamiento que sufre un pulso al propagarse a través de la fibra. La Dispersión nS) se localiza a la mitad de la amplitud del pulso o punto de 3dB, en la figura 13 se muestra la Dispersión con un pulso de entrada y el pulso amplificado de salida luego de recorrer 1Km de fibra y el correspondiente ancho de banda (1Ghz/Km) de la fibra, la Dispersión está compuesta esencialmente de la Dispersión Modal y Cromática, mientras que el modo polarizado de Dispersión con muy alta velocidad de transmisión de bits y la dispersión dependiente de potencia, crean limitaciones de transmisión.

Figura 13. Muestra de Dispersión con un pulso de entrada y el pulso amplificado de salida.

II.7.1- Diferentes tipos de Dispersiones.

• Dispersión Modal: Dependiendo del Ángulo de Apertura para cada rayo incidente sobra la fibra, se generará un camino específico a seguir a través de esta, donde a mayor centro más modos con mínimas diferencias en cuanto a las posibles distancias a recorrer, una fibra típica Multimodo con 50µm de centro puede tener varios cientos de modos al alargamiento de pulsos ópticos causados por las distintas distancias recorridas de los diferentes modos y se le nombra Dispersión Modal, esta puede ser reducida si decrementamos el diámetro del centro, así reduciríamos el número de posibles modos simultáneos de ahí que la Fibra Monomodo con 8a 10de diámetro central tenga una Dispersión Modal Nula.

• Dispersión Cromática: Debida al espectro de colores que conforman la luz; está compuesta de Dispersión Material y Dispersión para Guía de Onda, los pulsos de luz usualmente tienen un espectro pequeño decompuestas de diferentes colores que viajan a velocidades ligeramente distintas a través de la fibra, por lo tanto crean una Dispersión Cromática de tipo material (Dependiendo del material de la fibra) que también se conoce como Grupo para Velocidades de Dispersión, donde a mayor estreches del espectro de luz fuente, menor será la Dispersión Cromática. (Ver figura 14), esta figura que ilustra este fenómeno muestra como los pulsos recibidos llegan a un punto que comienzan a solaparse consecutivamente unos con otros, de ahí la señal distorsionada.

Figura 14. Dispersión Cromática.

Dispersión Material Cromática se define como:

Donde:

Denota el factor material de Dispersión en ps/nmxKm.

Espectro de la fuente de luz en nm.

L: Longitud de la fibra en Km.

La Dispersión Cromática por Guía de Onda se origina de diferencias de potencias en la velocidad de propagación en el centro y cubierta exterior y se representa por:

La Dispersión Cromática total se obtiene por la suma de la material y la de Guía de Onda:

La figura 15 muestra la relación entre ambas y está dada por que más allá de los 1300nm aproximadamente ambas tienen diferente signo, por lo que la Dispersión Cromática total puede ser cero, este punto de cero dispersión en cristal puro de Silicio ocurre a 1270nm correspondiente a la segunda ventana y una señal con 10nm de espectro (Láser típicamente) podría difícilmente experimentar alguna Dispersión Cromática si transmitiera por esta segunda ventana, sin embargo, sufriría una mayor Dispersión del orden de 160ps luego de 1Km si lo hiciera por la tercera ventana y con el objetivo de aprovechar la baja atenuación de la tercera ventana se desarrolló a los 1550nm la Fibra de Dispersión Movida (DSF) mediante el incremento de material dopante en la fibra.

Figura 15. Relación entre Dispersiones.

Las Fibras de Dispersión Aplanada fueron desarrolladas para una operación óptima en la segunda y tercera ventana.

• Modo de Dispersión Polarizada: La polarización es una propiedad de la luz relacionada con la dirección de sus vibraciones donde los rayos de luz que viajan en una fibra puedes ser descrita tanto si vibran enteramente en el eje X, en el Y o incluso en ambos ejes, cada eje representa un Modo de Polarización, donde el Modo de Dispersión Polarizado (PMD) proviene de las Fibras Monomodos que son esencialmente bimodales desde el punto de vista de la polarización y debido a imperfecciones de la fibra ocurren demoras de tiempo entre los modos polarizados resultando un ensanchamiento del pulso y por lo tanto una degradación al transmitir, el PMD se mide eny un nivel máximo de 0.5está considerado apropiado para Fibras Monomodos.

• Modulación de Fase Propia: La dependencia del comportamiento de la potencia en la fibra trae consigo limitaciones en posteriores transmisiones. Este fenómeno conocido como Efecto Kerr crea un cambio de fase dependiente de la intensidad que conlleva a un ensanchamiento del espectro, resultando una modulación de fase propia y también una degradación de la forma del pulso, dicho efecto aumenta al aumentar la velocidad de transmisión debido a que está reducido el intervalo de bit e incrementada la densidad espectral.

El Efecto Kerr se basa en un fenómeno que cuando la luz está presente en un medio, puede ocurrir un cambio dependiente de la Intensidad del Índice Refractivo, en distancias largas de fibra este efecto es acumulativo y altera la fase de luz significativamente un pulso de luz puede ser considerado como un rango de intensidades distribuidas y al ser el cambio de fase proporcional a la intensidad, cada parte del pulso experimenta un cambio de fase diferente.

II.8.- Amplificación de señales ópticas.

Para la Amplificación de señales ópticas en equipos de terminal o repetidor hay dos soluciones básicas disponibles:

• 1. Componentes Opto–Electrónicos. (O/E)

• 2. Amplificadores Ópticos subdivididos en:

• i. Amplificadores Ópticos Semiconductores. (SOA)

• ii. Amplificadores de Fibra Dopada con Erbium. (EDFA)

• Componentes Opto – Electrónicos (O/E): Básicamente sirven como convertidores de la energía óptica a eléctrica virtualmente sin que exista pérdida, consisten en fuentes y detectores de luz y las fuentes de luz son principalmente LEDs y diodos láser GaAs, los Detectores de luz que convierten fotones en electrones, son Diodos Pin o Diodos Foto–avalancha (APD), un Diodo Pin consiste en un semiconductor intrínseco puro con una capa ligeramente dopada entre dos capas p y n, en un ADP un fotón de luz que entra en una región de reducción entre las capas p y n genera una avalancha de electrones y una amplificación interna de la foto–corriente, de aquí un incremento de la sensibilidad ambos (Diodos Pin y APDs) se pueden utilizar para velocidades de transmisión de 20Gbps. Los componentes O/E han evolucionado hacia circuitos integrados O/E, las limitaciones en la circuitería de componentes O/E causa dificultad para alcanzar la velocidad de transmisión de 20Gbps para sistemas de Fibra Óptica de simplede aquí la creación de los sistemas WDM.

• Amplificadores Ópticos: Un Amplificador Óptico amplifica una luz emitida sin convertir la señal o mensaje que esta porta en una forma eléctrica, la naturaleza, tipo de modulación, ancho de banda y velocidad de transmisión del mensaje e incluso el número y posiciones de las portadoras eléctricas u ópticas son desestimadas, al menos superficialmente, para el trabajo del amplificador sobre la información contenida en la luz emitida.

Los Amplificadores del tipo SOAs y EDFAs tienen gran aplicación, ambos usan el mismo principio físico, un rayo de luz incidente es amplificado por emisión estimulada en un medio que causa amplificaciones por inyección de energía (También llamado bombeo), mientras que los SOAs usan un láser de bombeo especial y aplica bombeador eléctrico, en los EDFAs el medio amplificador es una pequeña sección típicamente de 20m ó 30m de Fibra Óptica dopada con iones raros de la tierra insertados dentro de circuitos de línea óptica con bombeo óptico aplicado, estas impurezas al excitarse con el bombeo de láser crean un nivel meta estable de energía en el material de la fibra donde se acumula una cantidad grande de electrones, al incidir el flujo de fotones de la señal de entrada, se provoca una emisión estimulada que refuerza la intensidad de la señal, haciéndose posible el proceso de amplificación, es decir, se producen al paso de la señal nuevos fotones lo cual garantiza una operación total en el dominio óptico. Para amplificar a 1550nm la fibra es dopada con iones Erbium (ErNo.68 en la Tabla Periódica de Mendeleviev, llamados elementos raros de la tierra), la emisión estimulada es la base para la amplificación óptica de un fotón incidente y la emisión espontánea puede de regreso ser amplificada por emisión estimulada, esto causa una amplificación de ruido indeseado, en la figura 16 se describe los principios de la transición y la amplificación óptica.

Figura 16. Principios de la transición y la amplificación óptica.

Para operar en la segunda ventana los amplificadores ópticos usan fibras dopadas con flúor y con otros elementos raros de la tierra, como Praseodymium (Pr, No.59 en la Tabla Periódica de Mendeleviev) y tiene características similares a las de EDFAs, lógicamente a ellos se les nombra PDFAs, pero más convenientemente la denominación de Amplificador de Fibra pudiera considerarse el nombre común para EDFA y PDFA. Los SOAs generalmente tienen una ganancia y una potencia de saturación de salida mas baja que los amplificadores de fibra y su ventaja es que tienen bajo ruido y consumo eléctrico, además su disponibilidad para estar tanto en la segunda como en la tercera ventana.

II.9.- Solitones Ópticos.

Para incrementar la capacidad de transmisión de las Fibras Ópticas (Mayor cantidad de bits de información por unidad de tiempo) es necesario reducir la anchura de los pulsos ópticos generados por el transmisor pero además de la propia limitación tecnológica que puede existir, la Dispersión Cromática de la fibra conduce al inevitable ensanchamiento de los pulsos durante la propagación, tanto mayor conforme los pulsos son más estrechos y este ensanchamiento de los pulsos provoca finalmente interferencia entre símbolos y la degradación de la señal a la salida del foto detector. La solución a este problema viene posibilitada por los Solitones, un tipo de pulsos que se caracterizan por mantener su forma durante la propagación a través de la fibra, los Solitones Ópticos son pulsos de luz que viajan libres de distorsión sobre grandes longitudes de la Fibra Óptica como consecuencia de un balance entre los efectos dispersivos y no lineales, en especial y bajo ciertas condiciones de diseño, el SPM (Auto modulación de Fase) inducido por la no linealidad de la fibra produce un chirp de frecuencia que compensa el ensanchamiento producido por la Dispersión Cromática, evitando de este modo la utilización de regeneradores ópticos. La propagación de los Solitones a través de la Fibra Óptica se rige por la ecuación de Schrödinger no lineal, de hecho la expresión matemática en el dominio del tiempo de la forma de onda del solitón es la única solución estable de la ecuación de Schrödinger, las soluciones más habituales son las que tienen un perfil en forma de secante hiperbólica y cuando el orden es igual a 1 se le llama Solitón Fundamental y es el utilizado en sistemas de transmisión dado que los demás no mantienen su forma aunque sí evolucionan de forma periódica con la distancia, en la figura 17 se representa la evolución con la distancia por la fibra del solitón de segundo orden y para su representación se han utilizado unidades normalizadas de intensidad, tiempo y distancia, en este último caso con respecto al período de repetición del pulso, obsérvese cómo el pulso inicial modifica su forma para posteriormente volver a recuperarla al final del período de repetición. (Este patrón se repite a lo largo de toda la longitud del enlace de Fibra Óptica)

Figura 17. Evolución de un Solitón Óptico a lo largo de la fibra.

Aunque se ha comentado que la forma del pulso se mantiene durante la propagación, todavía es necesaria la presencia de Amplificadores Ópticos a lo largo del trayecto para restaurar el nivel de potencia del pulso y mantener las propiedades del Solitón, los sistemas de comunicaciones ópticas típicos que emplean transmisión por solitones se caracterizan por enlaces de fibra de gran distancia (L>10.000Km) divididos en trayectos de longitud del orden de 50Km entre los cuales se sitúan Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio (EDFA) con una ganancia tal que compensa las pérdidas del tramo de fibra previo, las distancias entre amplificadores coinciden con múltiplos del período espacial de repetición de los pulsos.

No obstante, la máxima velocidad de transmisión alcanzable con esta técnica viene limitada por una serie de factores como pueden ser la interacción mutua entre los distintos pulsos o el ruido de emisión espontánea amplificada (ASE, Amplified Spontaneous Emission) introducido por los Amplificadores Ópticos, la interacción entre solitones adyacentes tiene lugar cuando los pulsos se encuentran excesivamente cercanos (Anchuras de pulso inferiores a 5ps) y se manifiesta en una atracción que conduce finalmente a la colisión de los pulsos, por otra parte, la adición de ruido de emisión espontánea a un solitón, además de degradar la relación señal a ruido, provoca que se modifique su energía y frecuencia central de forma aleatoria, como resultado de ello se producen fluctuaciones de potencia y jitter temporal a la salida del Foto detector (Efecto Gordon-Haus) que limitan el valor máximo alcanzable del producto entre la tasa de bits y la distancia de propagación, diversas técnicas para compensar estas degradaciones han sido estudiadas algunas de ellas consisten en emplear solitones de diferente amplitud, amplificación limitada en banda, ganancia no lineal o filtrado de frecuencia deslizante, los filtros utilizados para reducir el jitter pueden ser del tipo Fabry-Perot o Butterworth, en el caso de filtros de Butterworth se obtienen mejores prestaciones debido a su comportamiento máximamente plano y a una menor inestabilidad.

La gran aplicación de la técnica de transmisión basada en Solitones se encuentra en los sistemas de comunicaciones de gran capacidad y larga distancia, como por ejemplo los enlaces de fibra transoceánicos donde científicos del NTT (Nippon Telephone & Telegraph) de Japón han demostrado ya la transmisión libre de errores de una señal de 40Gbit/s sobre 70.000Km de fibra lo que confirma el gran potencial de esta técnica, especialmente si se combina con esquemas DWDM.

Ventajas principales de la Transmisión Óptica

Las características de transmisión concernientes a la atenuación, ancho de banda y diafonía del cristal puro de Silicio (SiO2) son altamente superiores a las de líneas de Cobre.

Principales ventajas de la transmisión por Fibra Óptica:

• Alto ancho de banda: Enorme disponibilidad de ancho de banda, cerca de

50 000Ghz en las dos ventanas de baja atenuación.

• Alta confiabilidad: La calidad de transmisión con la tasa de error de bits (BER) del orden de 10-10.

• Baja pérdida: Atenuación típica de fibra de 0.2dB/Km, permite terminales y repetidores altamente espaciados; por ejemplo: 300Km de enlace sin repetidores operando a 622Mbps.

• Inmunidad electromagnética: No hay interferencia electromagnética y no hay diafonía.

• Resistente al fuego: El punto de fundición de la fibra de Silicio es aproximadamente de 1900oC (Contra 1100oC de Cobre).

• Protector de incendios: Los fotones no generan chispas y así es seguro operar incluso en ambientes explosivos.

• Tamaño pequeño: Típicamente dos pares de cable exterior tienen un diámetro de fibra de 2mm a 5mm, Cobre trenzado de 3mm a 6mm y Coaxial de 12mm a 16mm.

• Peso ligero: El cable de fibra pesa un 10% a 30% menos que el Cobre.

• Libre de oxidación: El cristal es químicamente estable y así puede prevalecer en ambientes adversos (Tales como fondos oceánicos).

• Aislamiento eléctrico: La fibra está libre completamente de alto voltaje.

• Alta flexibilidad física: El cable de Fibra Óptica puede fácilmente ser doblado, permitiendo su rápida instalación en conductores ya en uso.

• Recursos: Contrario al Cobre, el Silicio está disponible en abundancia.

Principales desventajas de la Transmisión por Fibra Óptica:

• Costo: El costo es alto en la conexión de Fibra Óptica, las empresas no  cobran por tiempo de utilización sino por cantidad de información transferida al computador, que se mide en Mbyte y el coste de instalación es elevado y altos precios de los conectores.

• Acoplamiento y Conectorización: El acoplamiento y la conectorización tiene que ser extremadamente exacto y la disponibilidad limitada de conectores.

• Reparación: Dificultad de reparar un cable de fibras roto en el campo. 

• Transmisión: Imposibilidad de transmitir potencia.

Características del cable de Fibra Óptica

Difiere básicamente del de cobre en que no necesita de protección electromagnética y sí de un superior mecanismo de protección, los cables de Fibra Óptica pueden ser utilizados en áreas explosivas, para ambientes computacionales y médicos altamente sensibles y no atrae descargas eléctricas. Contrariamente al cable de cobre, la torcedura de una fibra no es requerida (Para reducir la diafonía), pero si requiere libertad de movimiento con el objetivo de prevenir esfuerzos de tensión, por lo cual las Fibras Ópticas son empacadas en un cable con un núcleo en las siguientes versiones: (Ver figura 18)

• 1. Fibras con más o menos soltura, amortiguadas adentro con tubos protectores.

• 2. Fibras con núcleo ranurado.

• 3. Fibras encapsuladas en largueros planos.

Figura 18. Característica del cable de Fibra Óptica.

• Fibras con más o menos soltura, amortiguadas adentro con tubos protectores: Con esta concepción hasta 144 fibras están ubicadas dentro de un tubo plástico llenado usualmente con un gel para evitar la humedad y la combinación de un número de estos tubos forma un cable versiones especiales de cables mini tubo de acero han sido fabricadas para aplicaciones submarinas, más de 48 fibras son colocadas dentro de un mini tubo de acero con diámetro externo de 2.3mm y una pared de grosor de 0.2mm, este tubo de acero posee protección contra la humedad y la abrasión longitudinal, es llenado con thixotropic jelly (Gel).

• Fibras con núcleo ranurado: Una o más fibras son insertadas con un ángulo de soltura en helicoidales ranuras alrededor de ejes de un centro termoplástico, las fibras se pueden mover dentro de sus ranuras para acomodar estirajees del cable sin ninguna tensión y para cables submarinos las ranuras helicoidales se llenan con compuesto repelente al agua para prevenir propagaciones longitudinales de agua de mar dentro del cable en caso de un posible daño.

• Fibras encapsuladas en largueros planos: Los cables de largueros planos son los preferidos para cables de alta densidad con varios cientos o incluso miles de fibras, un pequeño número de fibras son encapsuladas en un larguero plano y varios largueros son colocados uno sobre otro formando el centro del cable para aliviar tensión, cuerdas de plástico y/o silicio resistentes son trenzadas alrededor del centro del cable, el cual es luego cubierto por una chaqueta de polietileno, cloruro de polivinilo o una chaqueta mixta.

Efectos no lineales de la Fibra Óptica

El gran atractivo que poseen los sistemas de comunicaciones ópticas se debe a la capacidad que poseen las Fibras Ópticas para transportar grandes cantidades de información sobre trayectos extensos sin utilizar repetidores, para aprovechar el ancho de banda disponible pueden multiplexarse numerosos canales a diferente longitud de onda sobre una misma fibra, técnica que se conoce como WDM (Wavelength Division Multiplexing), adicionalmente para incrementar los márgenes del sistema se requieren mayores potencias ópticas de transmisión o pérdidas de la fibra inferiores, sin embargo, todos los intentos realizados para utilizar las capacidades de las Fibras Ópticas se encontrarán limitados por las interacciones no lineales que se producen entre las portadoras ópticas que transportan la información y el medio de transmisión, en los sistemas que operan a velocidades iguales o inferiores a 2,5Gbits/s y con potencias que no exceden algunos milivatios para la transmisión de información, la influencia de los mismos es bastante reducida por lo que no son considerables, a medida que se incrementa la velocidad de transmisión a partir de 10Gbits/s, la longitud de los enlaces y la potencia de los transmisores, los efectos no lineales en la fibra comienzan a ser importantes y deben ser considerados de forma ineludible porque alteran significativamente las características de las señales transmitidas, con la degradación de la calidad del sistema y la limitación de la capacidad de información de los mismos.

Estos efectos no lineales, aunque inciden de diferentes formas sobre la transmisión se basan en la interacción de la radiación transmitida con el material por donde se propaga la radiación y responde a dos mecanismos básicos, el primero es la variación del índice de refracción del material (En este caso la Sílice) cuando la intensidad de la radiación óptica sobrepasa una determinada potencia esta variación provoca diferentes fenómenos como la auto modulación de fase (Self- Phase Modulation (SPM)), la modulación de fase cruzada (Cross-Phase Modulation (XPM ó CPM)), la mezcla de cuatro ondas (Four Wave Mixing (FWM)), también designada por algunos autores como mezcla de cuatro fotones (Four Photon Mixing (FPM)) y el segundo mecanismo es la interacción de los fotones incidentes con algunos modos de vibración del material que se conocen como Fonones, de esta interacción resultan dos tipos de dispersiones: La Dispersión Estimulada de Raman (Stimulated Raman Scattering (SRS)) y la Dispersión Estimulada de Brillouin. (Stimulated Brillouin Scattering (SBS))

Los efectos no lineales no son independientes de las características geométricas de la fibra y el perfil de la radiación no es rectangular, sino tiene una forma derivada del modo de propagación, esto da lugar a una intensidad inconstante que afecta de manera diferente a una y otras zonas de la sección de la fibra, la intensidad de la señal disminuye a medida que se propaga, al ser los efectos no lineales dependientes de dicha intensidad, entonces la incidencia de estos sobre la transmisión varía con la distancia para esto se definen dos parámetros característicos: La longitud y el área efectiva.

• Longitud Efectiva: Para determinar la longitud efectiva, se considera que la potencia es constante a lo largo de la longitud del enlace, esta adquiere valores de 15Km a 25Km para distancias largas y valores del coeficiente de atenuación de la fibra entre 0,15dB/Km y 0,25dB/Km.

• Área Efectiva: El área efectiva es un parámetro estrechamente relacionado con las no linealidades de la fibra óptica que afectarán la calidad de transmisión de los sistemas de fibra óptica, especialmente en los sistemas de larga distancia con amplificación óptica. Los valores típicos de área efectiva oscilan entre 90µm2 y 50µm2.

IV.1.- Efectos no lineales por la variación del Índice de Refracción de la sílice con relación a la potencia óptica.

Las Fibras Ópticas tienen un comportamiento no lineal caracterizado por la dependencia del índice de refracción con la intensidad del campo óptico, esta dependencia es conocida como Efecto Kerr y se expresa como:

Donde:

Índice de Refracción del núcleo de la Fibra para bajos niveles de potencia óptica.

Coeficiente del Índice de Refracción no lineal. (m2/W para el Silicio)

P: Potencia óptica, expresada en Watt.

Área efectiva del núcleo, expresada en m2.

Figura 19. Dependencia del Índice de Refracción con relación a la potencia óptica transmitida por la fibra.

La figura 19 muestra la relación entre el Índice de Refracción del Silicio y la Potencia Óptica, la dependencia del Índice de Refracción con la potencia es relativamente pequeña pero cobra importancia en los sistemas ópticos de comunicaciones de cientos de Kms de longitud.

• Auto modulación de Fase. (SPM: Self-Phase Modulation): Es el caso más simple dentro de los fenómenos no lineales, pues es la intensidad del pulso óptico la cual posee valores diferentes en las regiones de subida o bajada que en su máximo, esta variación provoca un desplazamiento inducido de fase que es diverso en cada zona del mismo y el pulso sufrirá una modulación gradual de frecuencia lo cual hará que cada parte del pulso tenga una frecuencia distinta a este fenómeno se le conoce como la terminología inglesa Chirping, tal efecto puede degradar aquellos sistemas ópticos de una sola longitud de onda que empleen esquemas de modulación de fase.

La SPM convierte las fluctuaciones de la potencia óptica de la señal contenida en un canal en fluctuaciones de fase de la señal y la variación de la fase debido a la no linealidad del Índice de Refracción está dada por:

Donde:

Fluctuación rms de la fase en radianes.

Fluctuación rms de la potencia en mW.

En sistemas Mono canales prácticos el ruido de fase resultante es menor que 0,04radianes.

La Dispersión de la fibra influye notablemente en la magnitud de la SPM (Mientras mayor sea la Dispersión Cromática de la fibra, mayor será la SPM) y por otra parte, el diseño de las fibras contribuye a evitar la SPM las fibras diseñadas con un área efectiva amplia tienen un umbral alto de SPM.

• Modulación de fase cruzada. (XPM: Croos-Phase Modulation): En sistemas WDM la modulación de fase cruzada convierte las fluctuaciones de potencia óptica de un determinado canal en fluctuaciones de fase en el resto de canales, para idénticos parámetros del sistema el fenómeno no lineal de XPM es el doble de eficiente que el SPM.

La XPM es similar a la SPM, con la excepción de que esta involucra más de un pulso de luz y en este caso el efecto del cambio de Índice de refracción se ve reforzado por la existencia de otro canal. En la XPM el efecto mutuo de la interacción de todos los pulsos que viajan por el interior de la fibra sobre su Índice de Refracción provoca que los pulsos se distorsionen en relación con su interacción.

En un sistema de N canales la fluctuación de fase rms en un canal particular, debido a las fluctuaciones de la potencia en otros canales, está representada por:

A diferencia de la SPM, la dispersión de la fibra tiene un impacto pequeño en la XPM, con el aumento del área efectiva de la fibra se reduce el XPM y el resto de las no linealidades de la fibra. Este fenómeno adquiere importancia en los sistemas con elevados números de canales y que están próximos en longitud de onda, la manera más fácil de evitar la modulación de fase cruzada es espaciando los canales del sistema a 100Ghz, lo cual es posible porque con este intervalo de frecuencias las constantes de propagación son suficientemente diferentes como para desplazarse a velocidades diferentes y el solapamiento que pueda existir entre los pulsos desaparezca a una corta distancia, desapareciendo así la XPM entre dichos pulsos esto es posible cuando la diferencia entre la dispersión cromática de los canales sea alrededor de 2ps/nm-Km, que ocurre con el espaciado de 100Ghz, siempre que dichos canales no se encuentren cerca del valor de dispersión nula para fibras monomodos estándar y el fenómeno XPM es un problema grave para las fibras de dispersión desplazada a 1550nm cuando se trabaja a velocidades por encima de 10Gbit/s.

• Mezclado de cuatro ondas (FWM: Four-wave Mixing) o Mezclado de cuatro fotones (FPM: Four-Photon Mixing): La mezcla de cuatro fotones (FPM) ocurre sólo en los sistemas de transmisión que portan simultáneamente muchas longitudes de ondas, como es el caso de los sistemas DWDM la origina la dependencia del Índice de Refracción de la fibra con la intensidad de la luz.