Evolución de la Fibra Óptica en el Futuro (página 3)

Por ejemplo, dos ondas que se propagan a frecuencias y se mezclan y producen dos nuevas frecuencias y similarmente tres ondas que se propagan generan nueve nuevas ondas a las frecuencias donde i, j, k pueden ser 1,2 ó 3 y cumplen que: i?k, j?k.

En general, para un sistema de N canales el número de productos de mezcla generados está dado por:

Si se asume que las longitudes de ondas de entrada de un sistema de tres canales son:

Entonces, las nueve nuevas frecuencias generadas por el sistema son:

. . . . .

Seis de los productos de la intermodulación no coinciden con las longitudes de ondas de entrada y pueden ser eliminados mediante filtros ópticos; los tres restantes coinciden exactamente con las frecuencias originales entonces no hay forma alguna de eliminarlos una vez que se forman por lo tanto, hay que prevenir su formación.

La magnitud de la FPM depende del espaciamiento entre canales, la dispersión de la fibra y el esquema de detección, se incrementa dramáticamente a medida que el espaciamiento entre canales se estrecha, por otra parte, la FPM es inversamente proporcional a la dispersión de la fibra es más fuerte su influencia en el punto de cero dispersión y las velocidades de grupo de las ondas iniciales y generadas son distintas como consecuencia de la Dispersión Cromática y esto provoca la destrucción de la condición de adaptación de fases del proceso de FWM y reduce la eficiencia de potencia en la generación de nuevas ondas, la eficiencia del FWM decrece cuando aumenta la diferencia entre las velocidades de grupo por lo que valores de dispersión o separaciones entre canales mayores conducen a menores eficiencias.

Un método para reducir las degradaciones introducidas por el FPM en sistemas multicanal WDM consiste en emplear fibras dispersivas para conseguir aumentar la desadaptación de fases del proceso no lineal, sin embargo, dado que valores elevados de Dispersión Cromática conducen a otro tipo de degradaciones, suelen emplearse las llamadas NZDSFs (Nearly Zero Dispersion-Shifted Fibers), este tipo de fibras se caracterizan por valores de dispersión suficientemente reducidos pero no nulos para evitar simultáneamente los efectos dispersivos y no lineales, finalmente, se ha demostrado que la técnica de inversión espectral (Conjugación Óptica) también resulta válida para compensar las degradaciones producidas por FPM, este hecho es buena muestra de un principio general, la compensación de efectos no lineales por medio de la generación de otros efectos no lineales.

IV.2.- Efectos no lineales causados por la interacción de los fotones incidentes con algunos de los modos de vibración del material.

• Dispersión estimulada de Raman. (SRS: Stimulated Raman Scattering): Este efecto consiste en la interacción entre los fotones que inciden sobre el material y las vibraciones que tienen las moléculas o los átomos de este y, reciben el nombre de fonones ópticos. La onda luminosa incidente dispersada por las moléculas sufre un desplazamiento en frecuencia, y da lugar al surgimiento de dos frecuencias: una de menor valor que la frecuencia de la radiación óptica, denominada frecuencia de Stokes y, otra de mayor frecuencia denominada anti-Stokes.

Si dos ondas ópticas separadas por la frecuencia de Stokes se inyectan en la fibra, la de menor frecuencia (Mayor longitud de onda) se amplifica a expensas de la de mayor frecuencia (Menor longitud de onda), es decir, los canales de longitud de onda inferior bombearán energía a los de longitud de onda superior. Este proceso de amplificación se conoce como SRS (Dispersión estimulada de Raman) y ocasiona la diafonía, degradando el sistema, sobre todo si se tiene en cuenta la dirección de estas señales en dirección a la de recepción. En un sistema de transmisión óptico simple (Monocanal) el umbral de potencia para la ocurrencia del efecto SRS es aproximadamente de 1 W (+30dBm), por lo tanto, en los sistemas de canal simple el SRS no es un problema y el intervalo de frecuencia más significativo en el que puede generarse la frecuencia de Stokes es de 13Thz, que corresponde a 125nm.

En sistemas WDM existen multitud de canales y las señales situadas a longitudes de onda superiores serán amplificadas por los canales situados a longitudes de onda inferiores, en la región de 1550nm el perfil de ganancia Raman del sílice acoplará canales separados hasta 100nm, por lo que la degradación se producirá para potencias ópticas bastante inferiores y para unos cuantos canales, el límite de potencia decrece como debido a que el espectro Raman es bastante ancho y las potencias de todos los canales contribuyen al proceso de SRS conforme se añaden más canales, el ancho de banda óptico ocupado aumenta y las interacciones entre canales resultan más significativas decreciendo el límite de potencia óptica como estos resultados se representan en el gráfico de la figura 20.

Figura 20. Potencia máxima por canal para evitar la influencia de distintos efectos no lineales.

Para minimizar las degradaciones debidas al SRS en los sistemas WDM debe cumplirse que el producto ancho de banda total por potencia óptica total debe ser menor que 500GhzW:

Donde:

Número de canales.

Potencia óptica de cada canal.

Espaciamiento en frecuencia entre cada canal.

Los inconvenientes expuestos se reducen cuando la dispersión cromática acumulativa es apreciable, debido a que las señales de los canales viajan a diferentes velocidades y disminuyen la posibilidad de solapamiento entre dichas señales.

En los sistemas ópticos que emplean amplificadores, el efecto del SRS puede ser un problema, incluso en sistemas de canal simple. Los sistemas de amplificación prácticos actuales emplean EDFA cuya señal de salida es alrededor de 200mW (23dBm) e incluso superiores, por lo tanto, el empleo en cascada de los mismos puede sobrepasar el umbral del SRS. En tales sistemas, el umbral real para el SRS disminuye en un factor igual al número de amplificadores del enlace.

En la figura 21 muestra lo que podría suceder en un sistema WDM de 6 longitudes de ondas que emplea varios Amplificadores Ópticos en cascada.

Figura 21. Influencia del efecto SRS en sistemas con Amplificadores Ópticos.

Como puede observarse, todas las portadoras inicialmente tienen el mismo nivel de potencia; pero a la entrada del Receptor la amplitud de las portadoras no es igual. Los niveles de potencia óptica recibidos crecen desde la portadora de menor longitud de onda hasta la portadora de longitud de onda más larga.

Las fibras diseñadas con un área efectiva amplia tienen un umbral alto de SRS.

• Dispersión estimulada de Brillouin. (SBS: Stimulated Brillouin Scattering): La interacción del campo eléctrico de la luz que se propaga a lo largo del material le induce pequeñas vibraciones en su estructura, denominadas vibraciones acústicas y constituyen los fotones acústicos. Este fenómeno ocurre con potencias tan reducidas como algunos milivatios y propician alteraciones en la densidad del material, es decir, provoca variaciones en el Índice de Refracción del material, y la luz incidente se esparce en sentido contrario a la de propagación. Por lo tanto, la intensidad de la radiación incidente disminuirá en la misma proporción en que vaya aumentando la que se dispersa, este efecto impone un límite a la inyección de potencia óptica en la fibra, donde el nivel de potencia óptica crítico para el cual el SBS degrada la calidad del sistema, se encuentra en torno a los 3 mW considerando los parámetros típicos de la figura 21.

Al mismo tiempo, el valor de la frecuencia de la luz esparcida, respecto a la de la luz incidente, se encuentra desplazado hacia una frecuencia menor —mayor longitud de onda— en una cantidad que depende del valor de la propagación de la onda acústica en el material, este desplazamiento de frecuencia se conoce como desplazamiento Doppler y se expresa:

Donde:

Índice de Refracción del núcleo.

Velocidad del sonido para el Sílice=5,700m/s.

Para la Fibra Óptica, una Fibra de Silicio que trabaje a 1550nm el desplazamiento de frecuencia es equivalente a 0,09nm y la ganancia de Brillouin aparece en un margen de 20 Mhz; entonces si no hay canales tan próximos no habrá interferencia entre ellos.

El umbral del SBS es independiente del número de canales del sistema, es decir, este efecto queda restringido a cada canal individual, no se traduce en efectos de diafonía y apenas tiene influencia en los sistemas WDM, también introduce un ruido significativo en el sistema, que degrada la BER (Tasa de error de bits) del mismo.

El control del SBS es importante en los sistemas de transmisión de elevada velocidad que emplean moduladores externos y fuentes láser de onda continua (CW), así como en la transmisión de señales de CATV a 1550nm.

El umbral del SBS depende de parámetros del sistema como la longitud de onda de trabajo es más bajo a 1550nm que a 1310nm y el ancho espectral de la fuente emisora mientras más monocromática sea la fuente óptica, más bajo será el umbral para el SBS; el tipo de fibra depende del área efectiva del núcleo de las fibras, mientras mayor sea el área efectiva, mayor será el umbral. Las Fibras de Dispersión Desplazada tienen la menor área efectiva, por lo tanto, tienen el umbral más bajo. Esta característica las hace muy sensibles al SBS cuando se trabaja a 1550nm; el esquema de modulación empleado en la práctica, el umbral de potencia depende del formato de modulación y en el caso de los sistemas de modulación ASK y FSK, la ganancia del SBS decrece en un factor de 4 con el incremento de la velocidad de transmisión.

Similarmente para los sistemas PSK de alta velocidad, la ganancia del SBS decrece linealmente con la velocidad de transmisión; y del número de etapas amplificadoras el otro factor a considerar es la disminución del umbral de SBS a medida que aumenta el número de EDFAs en el enlace. El umbral de SBS para un sistema que contiene N amplificadores es el umbral sin los amplificadores en mW dividido por N, por lo tanto, en los sistemas con amplificadores el umbral de SBS podría ser muy bajo, y afectaría seriamente al sistema.

• Multiplexado de Canales.

Los diferentes métodos de multiplexado existentes (Pasivos frente a selectivos en frecuencia) afectan significativamente sobre los efectos de las no linealidades ópticas, el multiplexado pasivo de N canales empleando por ejemplo una red en estrella reduce la potencia de cada canal inyectado en la fibra por un factor N, mayores grados de multiplexación conducen a potencias por canal inferiores, por lo tanto, la potencia por canal inyectada en la fibra decrece con el número de canales tal y como se muestra en la figura 33 para dos potencias ópticas de transmisor distintas: 10 y 50mW suponiendo que no existen pérdidas adicionales en el proceso de multiplexado.

Para saber si un determinado efecto no lineal provocará degradación en el sistema debemos comprobar si la curva asociada con dicha no linealidad se encuentra por encima o por debajo de la curva que representa la potencia del transmisor óptico. En el caso particular de la figura 33, se deduce que utilizando un transmisor de 50mW nos encontramos limitados por SRS (Dispersión estimulada de Raman) por encima de los 100 canales, por SBS (Dispersión estimulada de Brillouin) por debajo de 20 canales, por FPM por debajo de los 50 canales, y por XPM en cualquier caso. Si se reduce ahora la potencia de transmisión a 10mW, sólo el SBS y el FPM constituyen limitación en el caso de transmisiones con menos de 10 canales.

Por el contrario, en el caso de multiplexado selectivo en frecuencia la potencia por canal inyectada en la fibra es independiente del número de canales. Consecuentemente, estos sistemas serán más susceptibles de degradaciones producidas por efectos no lineales. Especialmente cuidadoso debe ser el diseño del sistema en el caso del SBS y del FPM, ya que su influencia es también independiente del número de canales.

Aplicaciones de la Fibra Óptica

También conocido como sistemas de Fibra Óptica, son usados para transmitir señales analógicas y digitales a través de sus cables específicos y tales sistemas consisten de equipamiento de línea terminal, conectando las señales eléctricas u ópticas con las fibras; repetidores compensadores de pérdidas en las líneas y regeneradores de señales digitales; partidores de señal óptica que distribuye en varias direcciones; alimentadores de potencia para repetidores subterráneos o submarinos y localizador de fallas, supervisores y equipos de administración de red.

IX.1.- Internet.

El servicio de conexión a Internet por Fibra Óptica derriba la mayor limitación del ciberespacio: Su exasperante lentitud, para navegar por la Red Mundial de Redes ¨Internet¨ no sólo se necesitan un computador, un módem y algunos programas sino también una gran dosis de paciencia, ya que el ciberespacio es un mundo lento hasta el desespero, donde un usuario puede pasar varios minutos esperando a que se cargue una página o varias horas tratando de bajar un programa de la Red a su PC.

Esto se debe a que las líneas telefónicas, el medio que utiliza la mayoría de los 50 millones de usuarios para conectarse a Internet no fueron creadas para transportar videos, gráficas, textos y todos los demás elementos que viajan de un lado a otro en la Red. Pero las líneas telefónicas no son la única vía hacia el ciberespacio, recientemente un servicio permite conectarse a Internet a través de la Fibra Óptica.

La Fibra Óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de bps, impensable en el sistema convencional, en el que la mayoría de usuarios se conecta a 28.000bps ó 33.600bps.

IX.2- Redes.

La Fibra Óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia, en las redes de comunicaciones se emplean sistemas de láser con Fibra Óptica. Hoy funcionan muchas Redes de fibra para comunicación a larga distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas, donde una ventaja de los sistemas de Fibra Óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un Repetidor para recuperar su intensidad, en la actualidad los Repetidores de Fibra Óptica están separados entre sí unos 100km, frente a aproximadamente 1,5km en los sistemas eléctricos, los Amplificadores de Fibra Óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.

Otra aplicación cada vez más extendida de la Fibra Óptica son las Redes de Área Local, al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (Computadoras) o impresoras, este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios y el desarrollo de nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra.

Red de Área Local o LAN conjunto de ordenadores que pueden compartir datos, aplicaciones y recursos (Por ejemplo impresoras), las computadoras de una Red de Área Local (LAN: Local Área Network) están separadas por distancias de hasta unos pocos km y suelen usarse en oficinas o campus universitarios, una LAN permite la transferencia rápida y eficaz de información en el seno de un grupo de usuarios y reduce los costes de explotación.

Otros recursos informáticos conectados son las redes de área amplia (WAN, Wide Area Network) o las centralitas particulares (PBX), las WAN son similares a las LAN pero conectan entre sí ordenadores separados por distancias mayores, situados en distintos lugares de un país o en diferentes países; emplean equipo físico especializado y costos arriendan los servicios de comunicaciones. Las PBX proporcionan conexiones informáticas continuas para la transferencia de datos especializados como transmisiones telefónicas, pero no resultan adecuadas para emitir y recibir los picos de datos de corta duración empleados por la mayoría de las aplicaciones informáticas.

Las redes de comunicación públicas están divididas en diferentes niveles; conforme al funcionamiento, a la capacidad de transmisión así como al alcance que definen, por ejemplo, si está aproximándose desde el exterior hacia el interior de una gran ciudad, se tiene primeramente la red interurbana y red provicional, a continuación las líneas prolongadas aportadoras de tráfico de más baja capacidad procedente de áreas alejadas (Red Rural), hacia el centro la red urbana y finalmente las líneas de abonado, los parámetros dictados por la práctica son el tramo de transmisión que es posible cubrir y la velocidad binaria específica así como el tipo de Fibra Óptica apropiado, es decir, cables con Fibras Monomodos ó Fibras Multimodos.

IX.3.- Telefonía.

Con motivo de la normalización de interfaces existentes, se dispone de los sistemas de transmisión por Fibra Óptica para los niveles de la red de telecomunicaciones públicas en una amplia aplicación, contrariamente para sistemas de la red de abonado (Línea de abonado) hay ante todo una serie de consideraciones.

Para la conexión de un teléfono es completamente suficiente con los conductores de cobre existentes, precisamente con la implantación de los servicios en banda ancha como la videoconferencia, la videotelefonía, etc, la Fibra Óptica se hará imprescindible para el abonado, con el BIGFON (Red Urbana Integrada de Telecomunicaciones en Banda Ancha por Fibra Óptica) se han recopilado amplias experiencias en este aspecto, según la estrategia elaborada los servicios de banda ancha posteriormente se ampliarán con los servicios de distribución de radio y de televisión en una Red de Telecomunicaciones Integrada en Banda Ancha. (IBFN)

IX.4.- Otras aplicaciones.

Las Fibras Ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores que van desde termómetros hasta giroscopios, su potencial de aplicación en este campo casi no tiene límites porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación, además del calor y el movimiento, las fibras pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso y también se han desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales.

Portadores comunes telefónicos y no telefónicos, Televisión por cable, Enlaces y bucles locales de estaciones terrestres, Automatización industrial, Controles de procesos, Aplicaciones de computadora y Aplicaciones militares.

La aplicación más sencilla de las Fibras Ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un dentista, también pueden emplearse para transmitir imágenes en este caso se utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa, la transmisión de imágenes se utiliza mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para efectuar cirugía con láser, en sistemas de reproducción mediante facsímile y fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras aplicaciones.

Comparación con otros Medios de Comunicación

X.1.- Comparación con los Cables Coaxiales.

X.2.- Comunicaciones por Satélite vs Fibra Óptica.

Es más económica la Fibra Óptica para distancias cortas y altos volúmenes de tráfico, por ejemplo, para una ruta de 2000ctos., el satélite no es rentable frente a la solución del cable de fibras hasta una longitud de la misma igual a unos 2500Kms.

La calidad de la señal por cable es mucho más alta que por Satélite porque los geoestacionarios, situados en órbitas de unos 36,000Kms de altura y el retardo próximo a 500ms introduce eco en la transmisión mientras que en los cables este se sitúa por debajo de los 100ms admitidos por el UIT-T, la inclusión de supresores de eco encarece la instalación, disminuye la fiabilidad y resta la calidad al cortar los comienzos de frase. El satélite se adapta a la tecnología digital si bien las ventajas en este campo no son tan evidentes en el analógico, al requerirse un mayor ancho de banda en aquel y ser éste un factor crítico en el diseño del satélite.

Conclusiones

Después de efectuada la presente investigación se obtienen las siguientes conclusiones:

• 1. La historia de la comunicación a través de la Fibra Óptica revolucionó el mundo de la información, con aplicaciones, en todos los órdenes de la vida moderna, lo que constituyó un adelanto tecnológico altamente efectivo.

• 2. El funcionamiento de la Fibra Óptica es un complejo proceso con diversas operaciones interconectadas que logran que la Fibra Óptica funcione como medio de transportación de la señal luminosa, generado todo ello por el transmisor LED"S y Láser.

• 3. Los dispositivos implícitos en este complejo proceso son: Transmisor, Receptor y guía de fibra, los cuales realizan una importante función técnica, integrados como un todo a la eficaz realización del proceso.

• 4. La Fibra Óptica ofrece la transmisión de datos a alta velocidad, en tiempo real o no, entre un número de ruteadores y estaciones separadas en distancias considerables, la Fibra Óptica sirve también como red de conexión entre las estaciones que estén funcionando previamente.

• 5. La Fibra Óptica tiene como ventajas indiscutibles, la alta velocidad al navegar por Internet así como sus inmunidades al ruido e interferencia, reducidas dimensiones y peso, y sobre todo su compatibilidad con la tecnología digital, sin embargo, tiene como desventajas: El ser accesible solamente para las ciudades cuyas zonas posean tal instalación, así como su elevado costo, la fragilidad de sus fibras y la dificultad para reparar cables de fibras rotos en el campo.

• 6. Actualmente se han modernizado mucho las características de la Fibra Óptica, en cuanto a coberturas más resistentes, mayor protección contra la humedad y un empaquetado de alta densidad, lo que constituye un adelanto significativo en el uso de la Fibra Óptica, al servicio del progreso tecnológico en el mundo.

Anexos

Curiosidades

En estos últimos años la Fibra Óptica esta evolucionando bastante y ha dado origen a fibras con nuevas características:

• Coberturas más resistentes: La cubierta especial es extraída a alta presión directamente sobre el mismo núcleo del cable, resultando en que la superficie interna de la cubierta del cable tenga aristas helicoidales que se aseguran con los sub cables, la cubierta contiene 25% más material que las cubiertas convencionales.

• Uso Dual (interior y exterior): La resistencia al agua, hongos y emisiones ultra violeta; la cubierta resistente; buffer de 900&µm; Fibras Ópticas probadas bajo 100kpsi y funcionamiento ambiental extendida contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida.

• Mayor protección en lugares húmedos: En cables de tubo holgado rellenos de gel, el gel dentro de la cubierta se asienta dejando canales que permitan que el agua migre hacia los puntos de terminación, el agua puede acumularse en pequeñas piscinas en los vacíos y cuando la delicada Fibra Óptica es expuesta, la vida útil es recortada por los efectos dañinos del agua en contacto combaten la intrusión de humedad con múltiples capas de protección alrededor de la Fibra Óptica y el resultado es una mayor vida útil, mayor confiabilidad especialmente ambientes húmedos.

• Protección anti-inflamable: Los nuevos avances en protección anti-inflamable hace que disminuya el riesgo que suponen las instalaciones antiguas de Fibra Óptica que contenían cubiertas de material inflamable y relleno de gel que también es inflamable, estos materiales no pueden cumplir con los requerimientos de las normas de instalación, presentan un riesgo adicional y pueden además crear un reto costoso y difícil en la restauración después de un incendio con los nuevos avances en este campo y en el diseño de estos cables se eliminan estos riesgos y se cumple con las normas de instalación.

• Empaquetado de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el menor diámetro posible se consigue una más rápida y más fácil instalación, donde el cable debe enfrentar dobleces agudos y espacios estrechos, se ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de construcción súper densa cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables convencionales.

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• Recomendación UIT-T G.652 (2000). ¨Características de un cable de Fibra Óptica Monomodo.

• Recomendación UIT-T G.653 (2000). ¨Características de los cables de Fibra Óptica Monomodo con Dispersión Desplazada¨.

• Recomendación UIT-T G.654 (2000). ¨Características de los cables de Fibra Óptica Monomodo con pérdida minimizada a una longitud de onda de 1550nm¨.

• Recomendación UIT-T G.655. ¨Características de un cable de Fibra Óptica Monomodo con Dispersión Desplazada diferente de cero¨.

Autor:

Ing. Maytée Odette López Catalá

Ing. Virgilio Zuaznabar Mazorra

Dpto. Telecomunicaciones y Telemática.

Facultad: Eléctrica.

ISPJAE.

2009.