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La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión de información de un lugar a otro mediante el envío de pulsos de luz infrarroja [1] a través de una fibra óptica . La luz es una forma de onda portadora que se modula para transportar información. [2] Se prefiere la fibra al cableado eléctrico cuando se requiere un gran ancho de banda , larga distancia o inmunidad a las interferencias electromagnéticas . [3] Este tipo de comunicación puede transmitir voz, video y telemetría a través de redes de área local o a través de largas distancias. [4]
Muchas empresas de telecomunicaciones utilizan fibra óptica para transmitir señales telefónicas, comunicaciones por Internet y señales de televisión por cable. Los investigadores de Bell Labs han alcanzado un producto récord de ancho de banda-distancia de más de 100 petabit × kilómetros por segundo utilizando comunicación de fibra óptica. [5]
Antecedentes [ editar ]
Desarrollada por primera vez en la década de 1970, la fibra óptica ha revolucionado la industria de las telecomunicaciones y ha jugado un papel importante en el advenimiento de la era de la información . [6] Debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica , las fibras ópticas han reemplazado en gran medida las comunicaciones por cable de cobre en las redes troncales en el mundo desarrollado . [7]
El proceso de comunicación mediante fibra óptica implica los siguientes pasos básicos:
- crear la señal óptica que implica el uso de un transmisor, [8] generalmente a partir de una señal eléctrica
- retransmitir la señal a lo largo de la fibra, asegurándose de que la señal no se distorsione demasiado o se debilite
- recibir la señal óptica
- convertirlo en una señal eléctrica
Aplicaciones [ editar ]
Las empresas de telecomunicaciones utilizan fibra óptica para transmitir señales telefónicas, comunicaciones por Internet y señales de televisión por cable. También se utiliza en otras industrias, incluidas la médica, de defensa, gubernamental, industrial y comercial. Además de servir para fines de telecomunicaciones, se utiliza como guías de luz, para herramientas de imágenes, láseres, hidrófonos para ondas sísmicas, SONAR y como sensores para medir la presión y la temperatura.
Debido a la menor atenuación e interferencia , la fibra óptica tiene ventajas sobre el cable de cobre en aplicaciones de gran ancho de banda y larga distancia. Sin embargo, el desarrollo de la infraestructura dentro de las ciudades es relativamente difícil y requiere mucho tiempo, y los sistemas de fibra óptica pueden ser complejos y costosos de instalar y operar. Debido a estas dificultades, los primeros sistemas de comunicación de fibra óptica se instalaron principalmente en aplicaciones de larga distancia, donde se pueden utilizar a su capacidad de transmisión completa, compensando el aumento de costo. Los precios de las comunicaciones por fibra óptica han caído considerablemente desde 2000. [ cita requerida ]
El precio del despliegue de fibra en los hogares se ha vuelto actualmente más rentable que el de desplegar una red basada en cobre. Los precios han caído a $ 850 por suscriptor en los EE. UU. Y más bajos en países como los Países Bajos, donde los costos de excavación son bajos y la densidad de viviendas es alta. [9]
Desde 1990, cuando los sistemas de amplificación óptica estuvieron disponibles comercialmente, la industria de las telecomunicaciones ha establecido una vasta red de líneas de comunicación de fibra interurbana y transoceánica. Para 2002, se completó una red intercontinental de 250.000 km de cable de comunicaciones submarino con una capacidad de 2,56 Tb / s, y aunque las capacidades específicas de la red son información privilegiada, los informes de inversión en telecomunicaciones indican que la capacidad de la red ha aumentado drásticamente desde 2004. [ cita requerida ]
Historia [ editar ]
En 1880, Alexander Graham Bell y su asistente Charles Sumner Tainter crearon un precursor muy temprano de las comunicaciones por fibra óptica, el Fotófono , en el recién establecido Laboratorio Volta de Bell en Washington, DC. Bell lo consideró su invención más importante. El dispositivo permitió la transmisión de sonido en un haz de luz. El 3 de junio de 1880, Bell realizó la primera transmisión telefónica inalámbrica del mundo entre dos edificios, a unos 213 metros de distancia. [10] [11]Debido al uso de un medio de transmisión atmosférico, el fotófono no resultaría práctico hasta que los avances en las tecnologías de láser y fibra óptica permitieran el transporte seguro de la luz. El primer uso práctico del fotófono se produjo en los sistemas de comunicaciones militares muchas décadas después. [ cita requerida ]
En 1954, Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany demostraron que la fibra de vidrio enrollada permitía transmitir la luz. [12]
Jun-ichi Nishizawa , un científico japonés de la Universidad de Tohoku , propuso el uso de fibras ópticas para las comunicaciones en 1963. [13] Nishizawa inventó el diodo PIN y el transistor de inducción estática , los cuales contribuyeron al desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica. [14] [15]
En 1966, Charles K. Kao y George Hockham de STC Laboratories (STL) demostraron que las pérdidas de 1.000 dB / km en el vidrio existente (en comparación con 5-10 dB / km en el cable coaxial) se debían a contaminantes que podrían eliminarse.
La fibra óptica fue desarrollada con éxito en 1970 por Corning Glass Works , con una atenuación lo suficientemente baja para fines de comunicación (aproximadamente 20 dB / km) y al mismo tiempo se desarrollaron láseres semiconductores de GaAs que eran compactos y, por lo tanto, adecuados para transmitir luz a través de cables de fibra óptica para largas distancias.
En 1973, Optelecom , Inc., cofundada por el inventor del láser, Gordon Gould, recibió un contrato de ARPA para uno de los primeros sistemas de comunicación óptica. Desarrollado para el Comando de Misiles del Ejército en Huntsville, Alabama, el sistema estaba destinado a permitir que un misil de corto alcance volara de forma remota desde el suelo por medio de una fibra óptica de cinco kilómetros de largo que se desprendía del misil mientras volaba. [dieciséis]
Después de un período de investigación a partir de 1975, se desarrolló el primer sistema comercial de comunicaciones de fibra óptica que funcionaba a una longitud de onda de aproximadamente 0,8 μm y utilizaba láseres semiconductores de GaAs. Este sistema de primera generación funcionó a una tasa de bits de 45 Mbit / s con un espaciado de repetidor de hasta 10 km. Pronto, el 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió el primer tráfico telefónico en vivo a través de fibra óptica a un rendimiento de 6 Mbit / s en Long Beach, California.
En octubre de 1973, Corning Glass firmó un contrato de desarrollo con CSELT y Pirelli destinado a probar la fibra óptica en un entorno urbano: en septiembre de 1977, el segundo cable de esta serie de pruebas, llamado COS-2, se desplegó experimentalmente en dos líneas (9 km ) en Turín , por primera vez en una gran ciudad, a una velocidad de 140 Mbit / s. [17]
La segunda generación de comunicación por fibra óptica se desarrolló para uso comercial a principios de la década de 1980, funcionaba a 1,3 μm y utilizaba láseres semiconductores InGaAsP. Estos primeros sistemas estaban inicialmente limitados por la dispersión de fibra multimodo, y en 1981 se reveló que la fibra monomodo mejoraba enormemente el rendimiento del sistema; sin embargo, resultó difícil desarrollar conectores prácticos capaces de trabajar con fibra monomodo. El proveedor de servicios canadiense SaskTel había completado la construcción de lo que entonces era la red comercial de fibra óptica más larga del mundo, que cubría 3268 km (2031 millas) y conectaba 52 comunidades. [18] En 1987, estos sistemas funcionaban a velocidades de bits de hasta 1,7 Gb / s con un espaciado de repetidores de hasta 50 km (31 millas).
El primer cable telefónico transatlántico que utilizó fibra óptica fue el TAT-8 , basado en la tecnología de amplificación láser optimizada de Desurvire . Entró en funcionamiento en 1988.
Los sistemas de fibra óptica de tercera generación funcionaban a 1,55 μm y tenían pérdidas de aproximadamente 0,2 dB / km. Este desarrollo fue impulsado por el descubrimiento del arseniuro de galio indio y el desarrollo del fotodiodo de arseniuro de galio indio por Pearsall. Los ingenieros superaron las dificultades anteriores con la propagación de pulsos a esa longitud de onda utilizando láseres semiconductores InGaAsP convencionales. Los científicos superaron esta dificultad utilizando fibras de dispersión desplazada diseñadas para tener una dispersión mínima a 1,55 μm o limitando el espectro láser a un solo modo longitudinal . Estos desarrollos eventualmente permitieron que los sistemas de tercera generación operaran comercialmente a 2.5 Gbit / s con un espaciado de repetidor de más de 100 km (62 millas).
La cuarta generación de sistemas de comunicación de fibra óptica utilizó amplificación óptica para reducir la necesidad de repetidores y multiplexación por división de longitud de onda para aumentar la capacidad de datos . Estas dos mejoras provocaron una revolución que resultó en la duplicación de la capacidad del sistema cada seis meses a partir de 1992 hasta alcanzar una tasa de bits de 10 Tb / s en 2001. En 2006, se alcanzó una tasa de bits de 14 Tbit / s en un solo Línea de 160 km (99 millas) que utiliza amplificadores ópticos. [19]
El enfoque del desarrollo para la quinta generación de comunicaciones de fibra óptica es extender el rango de longitud de onda sobre el cual puede operar un sistema WDM . La ventana de longitud de onda convencional, conocida como banda C, cubre el rango de longitud de onda de 1,53–1,57 μm, y la fibra seca tiene una ventana de baja pérdida que promete una extensión de ese rango a 1,30–1,65 μm. Otros desarrollos incluyen el concepto de " solitones ópticos ", pulsos que conservan su forma contrarrestando los efectos de dispersión con los efectos no lineales de la fibra utilizando pulsos de una forma específica.
Desde finales de la década de 1990 hasta el 2000, los promotores de la industria y las empresas de investigación como KMI y RHK predijeron aumentos masivos en la demanda de ancho de banda de comunicaciones debido al mayor uso de Internet y la comercialización de varios servicios de consumo intensivos en ancho de banda, como el video a pedido . El tráfico de datos del protocolo de Internet estaba aumentando exponencialmente, a un ritmo más rápido de lo que la complejidad de los circuitos integrados había aumentado según la Ley de Moore . Sin embargo, desde el estallido de la burbuja de las puntocom hasta 2006, la principal tendencia en la industria ha sido la consolidación de empresas y la deslocalización de la fabricación para reducir los costos. Empresas como Verizony AT&T han aprovechado las comunicaciones de fibra óptica para brindar una variedad de datos de alto rendimiento y servicios de banda ancha a los hogares de los consumidores.
Tecnología [ editar ]
Los sistemas modernos de comunicación por fibra óptica generalmente incluyen un transmisor óptico para convertir una señal eléctrica en una señal óptica para enviar a través de la fibra óptica, un cable que contiene haces de múltiples fibras ópticas que se enrutan a través de conductos y edificios subterráneos, múltiples tipos de amplificadores y un receptor óptico para recuperar la señal como señal eléctrica. La información transmitida es típicamente información digital generada por computadoras, sistemas telefónicos y compañías de televisión por cable .
Transmisores [ editar ]
Los transmisores ópticos más utilizados son los dispositivos semiconductores, como los diodos emisores de luz (LED) y los diodos láser . La diferencia entre los LED y los diodos láser es que los LED producen luz incoherente , mientras que los diodos láser producen luz coherente . Para su uso en comunicaciones ópticas, los transmisores ópticos semiconductores deben diseñarse para ser compactos, eficientes y confiables, mientras operan en un rango de longitud de onda óptimo y directamente modulados a altas frecuencias.
En su forma más simple, un LED es una unión pn polarizada hacia adelante , que emite luz a través de una emisión espontánea , un fenómeno conocido como electroluminiscencia . La luz emitida es incoherente con un ancho espectral relativamente amplio de 30 a 60 nm. La transmisión de luz LED también es ineficiente, con sólo alrededor del 1% [ cita requerida ] de la potencia de entrada, o alrededor de 100 microvatios, eventualmente convertidos en potencia lanzada que se ha acoplado a la fibra óptica. Sin embargo, debido a su diseño relativamente simple, los LED son muy útiles para aplicaciones de bajo costo.
Los LED de comunicaciones suelen estar hechos de fosfuro de arseniuro de galio indio (InGaAsP) o arseniuro de galio (GaAs). Debido a que los LED de InGaAsP funcionan a una longitud de onda más larga que los LED de GaAs (1,3 micrómetros frente a 0,81 a 0,87 micrómetros), su espectro de salida, mientras que el equivalente en energía es más amplio en términos de longitud de onda en un factor de aproximadamente 1,7. El gran ancho de espectro de los LED está sujeto a una mayor dispersión de la fibra, lo que limita considerablemente su producto de velocidad de bits-distancia (una medida común de utilidad). Los LED son adecuados principalmente para aplicaciones de redes de área local con velocidades de bits de 10 a 100 Mbit / sy distancias de transmisión de unos pocos kilómetros. También se han desarrollado LED que utilizan varios pozos cuánticospara emitir luz en diferentes longitudes de onda en un amplio espectro y actualmente se utilizan para redes WDM (multiplexación por división de longitud de onda) de área local .
Hoy en día, los LED han sido reemplazados en gran medida por los dispositivos VCSEL (láser emisor de superficie de cavidad vertical), que ofrecen una velocidad, potencia y propiedades espectrales mejoradas, a un costo similar. Los dispositivos VCSEL comunes se acoplan bien a la fibra multimodo.
Un láser semiconductor emite luz a través de una emisión estimulada en lugar de una emisión espontánea, lo que da como resultado una alta potencia de salida (~ 100 mW), así como otros beneficios relacionados con la naturaleza de la luz coherente. La salida de un láser es relativamente direccional, lo que permite una alta eficiencia de acoplamiento (~ 50%) en fibra monomodo. El estrecho ancho espectral también permite altas tasas de bits, ya que reduce el efecto de la dispersión cromática . Además, los láseres semiconductores se pueden modular directamente a altas frecuencias debido al corto tiempo de recombinación .
Las clases de transmisores láser semiconductores comúnmente utilizados en fibra óptica incluyen VCSEL (láser emisor de superficie de cavidad vertical), Fabry-Pérot y DFB ( retroalimentación distribuida).
Los diodos láser a menudo se modulan directamente , es decir, la salida de luz se controla mediante una corriente aplicada directamente al dispositivo. Para velocidades de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia , una fuente de láser puede operar en onda continua y la luz modulada por un dispositivo externo, un modulador óptico , como un modulador de electro-absorción o un interferómetro Mach-Zehnder . La modulación externa aumenta la distancia de enlace alcanzable al eliminar el chirrido del láser , que amplía el ancho de líneade láseres directamente modulados, aumentando la dispersión cromática en la fibra. Para una eficiencia de ancho de banda muy alta, se puede usar modulación coherente para variar la fase de la luz además de la amplitud, lo que permite el uso de QPSK , QAM y OFDM .
Un transceptor es un dispositivo que combina un transmisor y un receptor en una sola carcasa (vea la imagen a la derecha).
La fibra óptica ha experimentado avances tecnológicos recientes. "La manipulación por desplazamiento de fase en cuadratura de polarización dual es un formato de modulación que envía efectivamente cuatro veces más información que las transmisiones ópticas tradicionales de la misma velocidad". [20]
Receptores [ editar ]
El componente principal de un receptor óptico es un fotodetector que convierte la luz en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico . Los fotodetectores primarios para telecomunicaciones están hechos de arseniuro de galio indio . El fotodetector es típicamente un fotodiodo basado en semiconductores . Varios tipos de fotodiodos incluyen fotodiodos pn, fotodiodos pin y fotodiodos de avalancha. Los fotodetectores metal-semiconductor-metal (MSM) también se utilizan debido a su idoneidad para la integración de circuitos en regeneradores y multiplexores por división de longitud de onda.
Los convertidores óptico-eléctricos se acoplan típicamente con un amplificador de transimpedancia y un amplificador limitador para producir una señal digital en el dominio eléctrico a partir de la señal óptica entrante, que puede atenuarse y distorsionarse mientras pasa por el canal. También se puede aplicar un procesamiento de señal adicional, como la recuperación de reloj a partir de datos (CDR) realizado por un bucle de bloqueo de fase, antes de que se transmitan los datos.
Los receptores coherentes utilizan un láser oscilador local en combinación con un par de acopladores híbridos y cuatro fotodetectores por polarización, seguidos de ADC de alta velocidad y procesamiento de señales digitales para recuperar datos modulados con QPSK, QAM u OFDM.
Pre distorsión digital [ editar ]
Un sistema de comunicación óptico transmisor consta de un convertidor de digital a analógico (DAC), un amplificador excitador y un Mach-Zehnder-modulador . La implementación de formatos de modulación más altos (> 4 QAM ) o velocidades de transmisión más altas (> 32 GBaudios) disminuye el rendimiento del sistema debido a los efectos del transmisor lineales y no lineales. Estos efectos se pueden clasificar en distorsiones lineales debido a la limitación del ancho de banda del DAC y la desviación de I / Q del transmisor , así como los efectos no lineales causados por la saturación de ganancia en el amplificador del controlador y el modulador Mach-Zehnder. Predistorsión digitalcontrarresta los efectos degradantes y permite velocidades en baudios de hasta 56 GBaudios y formatos de modulación como 64 QAM y 128 QAM con los componentes disponibles comercialmente. El procesador de señales digitales del transmisor realiza una predistorsión digital en las señales de entrada utilizando el modelo de transmisor inverso antes de cargar las muestras en el DAC.
Los métodos de predistorsión digital más antiguos solo abordaban los efectos lineales. Las publicaciones recientes también compensaron las distorsiones no lineales. Berenguer et al modelan el modulador Mach-Zehnder como un sistema de Wiener independiente y el DAC y el amplificador del controlador están modelados por una serie de Volterra truncada e invariante en el tiempo . [21] Khanna et al utilizaron un polinomio de memoria para modelar los componentes del transmisor de forma conjunta. [22] En ambos enfoques, la serie de Volterra o los coeficientes del polinomio de memoria se encuentran utilizando la arquitectura de aprendizaje indirecto . Duthel y col.registra para cada rama del modulador Mach-Zehnder varias señales en diferentes polaridades y fases. Las señales se utilizan para calcular el campo óptico. Los campos en cuadratura y en fase de correlación cruzada identifican el sesgo de sincronización . La respuesta de frecuencia y los efectos no lineales están determinados por la arquitectura de aprendizaje indirecto. [23]
Tipos de cables de fibra [ editar ]
Un cable de fibra óptica consta de un núcleo, un revestimiento y un amortiguador (un revestimiento exterior protector), en el que el revestimiento guía la luz a lo largo del núcleo mediante el método de reflexión interna total . El núcleo y el revestimiento (que tiene un índice de refracción más bajo ) suelen estar hechos de vidrio de sílice de alta calidad , aunque ambos también pueden estar hechos de plástico. La conexión de dos fibras ópticas se realiza mediante empalme por fusión o empalme mecánico y requiere habilidades especiales y tecnología de interconexión debido a la precisión microscópica requerida para alinear los núcleos de fibra. [24]
Los dos tipos principales de fibra óptica que se utilizan en las comunicaciones ópticas son las fibras ópticas multimodo y las fibras ópticas monomodo . Una fibra óptica multimodo tiene un núcleo más grande (≥ 50 micrómetros ), lo que permite que transmisores y receptores menos precisos y más baratos se conecten a ella, así como conectores más baratos. Sin embargo, una fibra multimodo introduce distorsión multimodo , que a menudo limita el ancho de banda y la longitud del enlace. Además, debido a su mayor dopantecontenido, las fibras multimodo suelen ser caras y presentan una mayor atenuación. El núcleo de una fibra monomodo es más pequeño (<10 micrómetros) y requiere componentes y métodos de interconexión más costosos, pero permite enlaces mucho más largos y de mayor rendimiento. Tanto la fibra monomodo como la multimodo se ofrecen en diferentes grados.
| MMF FDDI 62,5 / 125 µm (1987) | MMF OM1 62,5 / 125 µm (1989) | MMF OM2 50/125 µm (1998) | MMF OM3 50/125 µm (2003) | MMF OM4 50/125 µm (2008) | MMF OM5 50/125 µm (2016) | SMF OS1 9/125 µm (1998) | SMF OS2 9/125 µm (2000) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 160 MHz · km a 850 nm | 200 MHz · km a 850 nm | 500 MHz · km a 850 nm | 1500 MHz · km a 850 nm | 3500 MHz · km a 850 nm | 3500 MHz · km @ 850 nm y 1850 MHz · km @ 950 nm | 1 dB / km a 1300/1550 nm | 0,4 dB / km a 1300/1550 nm |
Para empaquetar la fibra en un producto comercialmente viable, típicamente se recubre de manera protectora usando polímeros de acrilato fotopolimerizables ultravioleta (UV) , luego se termina con conectores de fibra óptica y finalmente se ensambla en un cable. Después de eso, se puede colocar en el suelo y luego atravesar las paredes de un edificio y desplegarse aéreamente de una manera similar a los cables de cobre. Estas fibras requieren menos mantenimiento que los cables de par trenzado comunes una vez que se despliegan. [26]
Los cables especializados se utilizan para la transmisión de datos submarinos a larga distancia, por ejemplo, cables de comunicaciones transatlánticas . Los cables nuevos (2011-2013) operados por empresas comerciales ( Emerald Atlantis , Hibernia Atlantic ) suelen tener cuatro hebras de fibra y cruzan el Atlántico (NYC-Londres) en 60-70 ms. El costo de cada uno de estos cables fue de aproximadamente $ 300 millones en 2011. fuente: The Chronicle Herald .
Otra práctica común es agrupar muchos hilos de fibra óptica dentro de un cable de transmisión de energía de larga distancia . Esto explota los derechos de paso de transmisión de energía de manera efectiva, garantiza que una compañía eléctrica pueda poseer y controlar la fibra necesaria para monitorear sus propios dispositivos y líneas, es efectivamente inmune a la manipulación y simplifica el despliegue de la tecnología de red inteligente .
Amplificación [ editar ]
La distancia de transmisión de un sistema de comunicación de fibra óptica ha estado tradicionalmente limitada por la atenuación de la fibra y por la distorsión de la fibra. Mediante el uso de repetidores optoelectrónicos, estos problemas se han eliminado. Estos repetidores convierten la señal en una señal eléctrica, y luego usan un transmisor para enviar la señal nuevamente a una intensidad superior a la recibida, contrarrestando así la pérdida incurrida en el segmento anterior. Debido a la alta complejidad de las señales multiplexadas por división de longitud de onda modernas. incluyendo el hecho de que tenían que instalarse aproximadamente una vez cada 20 km (12 millas), el costo de estos repetidores es muy alto.
Un enfoque alternativo es utilizar amplificadores ópticos que amplifiquen la señal óptica directamente sin tener que convertir la señal al dominio eléctrico. Un tipo común de amplificador óptico se llama amplificador de fibra dopada con erbio o EDFA. Estos se fabrican dopando un tramo de fibra con el mineral de tierras raras erbio y bombeándolo con luz de un láser con una longitud de onda más corta que la señal de comunicaciones (típicamente 980 nm ). Los EDFA proporcionan ganancia en la banda ITU C a 1550 nm, que está cerca del mínimo de pérdida para la fibra óptica.
Los amplificadores ópticos tienen varias ventajas importantes sobre los repetidores eléctricos. Primero, un amplificador óptico puede amplificar una banda muy ancha a la vez que puede incluir cientos de canales individuales, eliminando la necesidad de demultiplexar señales DWDM en cada amplificador. En segundo lugar, los amplificadores ópticos funcionan independientemente de la velocidad de datos y el formato de modulación, lo que permite que coexistan múltiples velocidades de datos y formatos de modulación y permite actualizar la velocidad de datos de un sistema sin tener que reemplazar todos los repetidores. En tercer lugar, los amplificadores ópticos son mucho más simples que un repetidor con las mismas capacidades y, por lo tanto, son significativamente más confiables. Los amplificadores ópticos han reemplazado en gran medida a los repetidores en las nuevas instalaciones, aunque los repetidores electrónicos todavía se utilizan ampliamente como transpondedores para la conversión de longitudes de onda.
Multiplexación por división de longitud de onda [ editar ]
La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es la técnica de transmitir múltiples canales de información a través de una sola fibra óptica mediante el envío de múltiples haces de luz de diferentes longitudes de onda a través de la fibra, cada uno modulado con un canal de información separado. Esto permite multiplicar la capacidad disponible de las fibras ópticas. Esto requiere un multiplexor por división de longitud de onda en el equipo de transmisión y un demultiplexor (esencialmente un espectrómetro ) en el equipo de recepción. Las rejillas de guía de ondas en matriz se utilizan comúnmente para multiplexar y demultiplexar en WDM. Usando la tecnología WDM ahora disponible comercialmente, el ancho de banda de una fibra se puede dividir en hasta 160 canales [27] para soportar una tasa de bits combinada en el rango de 1.6Tbit / s .
Parámetros [ editar ]
Producto de ancho de banda-distancia [ editar ]
Debido a que el efecto de la dispersión aumenta con la longitud de la fibra, un sistema de transmisión de fibra a menudo se caracteriza por su producto ancho de banda-distancia , generalmente expresado en unidades de MHz · km. Este valor es un producto del ancho de banda y la distancia porque existe una compensación entre el ancho de banda de la señal y la distancia a través de la cual se puede transportar. Por ejemplo, una fibra multimodo común con un producto de ancho de banda-distancia de 500 MHz · km podría transportar una señal de 500 MHz durante 1 km o una señal de 1000 MHz durante 0,5 km.
Velocidades récord [ editar ]
Cada fibra puede transportar muchos canales independientes, cada uno con una longitud de onda de luz diferente ( multiplexación por división de longitud de onda ). La velocidad de datos neta (velocidad de datos sin bytes de sobrecarga) por fibra es la velocidad de datos por canal reducida por la sobrecarga de corrección de errores de reenvío (FEC), multiplicada por el número de canales (generalmente hasta ochenta en los sistemas comerciales de WDM densos a partir de 2008). [update]).
Cables de fibra estándar [ editar ]
A continuación se resume la investigación actual de vanguardia que utiliza cables de fibra de núcleo sólido, monomodo y estándar de grado de telecomunicaciones.
| Año | Organización | Velocidad efectiva | Canales WDM | Velocidad por canal | Distancia |
|---|---|---|---|---|---|
| 2009 | Alcatel-Lucent [28] | 15,5 Tbit / s | 155 | 100 Gbit / s | 7000 kilometros |
| 2010 | NTT [29] | 69,1 Tbit / s | 432 | 171 Gbit / s | 240 kilometros |
| 2011 | NEC [30] | 101,7 Tbit / s | 370 | 273 Gbit / s | 165 kilometros |
| 2011 | KIT [31] [32] | 26 Tbit / s | 336 | 77 Gbit / s | 50 kilometros |
| 2016 | BT y Huawei [33] | 5,6 Tbit / s | 28 | 200 Gbit / s | unos 140 km? |
| 2016 | Nokia Bell Labs , Deutsche Telekom y Universidad Técnica de Múnich [34] | 1 Tbit / s | 1 | 1 Tbit / s | |
| 2016 | Nokia-Alcatel-Lucent [35] | 65 Tbit / s | 6600 kilometros | ||
| 2017 | BT y Huawei [36] | 11,2 Tbit / s | 28 | 400 Gbit / s | 250 kilometros |
| 2020 | Universidades RMIT, Monash y Swinburne [37] [38] | 39,0 Tbit / s | 160 | 244 Gbit / s | 76,6 kilometros |
El resultado de 2016 Nokia / DT / TUM es notable, ya que es el primer resultado que se acerca al límite teórico de Shannon .
Los resultados de 2011 KIT y 2020 RMIT / Monash / Swinburne son notables por haber utilizado una sola fuente para impulsar todos los canales.
Cables especializados [ editar ]
A continuación se resume la investigación actual del estado de la técnica que utiliza cables especializados que permiten que se produzca la multiplexación espacial, utilizan cables de fibra trimodo especializados o cables de fibra óptica especializados similares.
| Año | Organización | Velocidad efectiva | No. de modos de propagación | No. de núcleos | Canales WDM (por núcleo) | Velocidad por canal | Distancia |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2011 | NTIC [30] | 109,2 Tbit / s | 7 | ||||
| 2012 | NEC , Corning [39] | 1.05 Pbit / s | 12 | 52,4 kilometros | |||
| 2013 | Universidad de Southampton [40] | 73,7 Tbit / s | 1 (hueco) | 3x96 (modo DM) [41] | 256 Gbit / s | 310 metros | |
| 2014 | Universidad Técnica de Dinamarca [42] | 43 Tbit / s | 7 | 1045 kilometros | |||
| 2014 | Universidad de Tecnología de Eindhoven (TU / e) y Universidad de Florida Central (CREOL) [43] | 255 Tbit / s | 7 | 50 | ~ 728 Gbit / s | 1 km | |
| 2015 | NTIC , Sumitomo Electric y RAM Photonics [44] | 2,15 Pbit / s | 22 | 402 (bandas C + L) | 243 Gbit / s | 31 kilometros | |
| 2017 | NTT [45] | 1 Pbit / s | modo singular | 32 | 46 | 680 Gbit / s | 205,6 kilometros |
| 2017 | KDDI Research y Sumitomo Electric [46] | 10,16 Pbit / s | 6 modos | 19 | 739 (bandas C + L) | 120 Gbit / s | 11,3 kilometros |
| 2018 | NTIC [47] | 159 Tbit / s | tri-modo | 1 | 348 | 414 Gbit / s | 1045 kilometros |
El resultado de 2018 NICT es notable por romper el récord de rendimiento con un cable de un solo núcleo, es decir, sin multiplexación espacial .
Nuevas técnicas [ editar ]
La investigación de DTU, Fujikura & NTT es notable porque el equipo pudo reducir el consumo de energía de la óptica a alrededor del 5% en comparación con las técnicas más convencionales, lo que podría conducir a una nueva generación de componentes ópticos de gran eficiencia energética.
| Año | Organización | Velocidad efectiva | No. de modos de propagación | No. de núcleos | Canales WDM (por núcleo) | Velocidad por canal | Distancia |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2018 | Hao Hu y col. (DTU, Fujikura y NTT) [48] | 768 Tbit / s (661 Tbit / s) | Modo singular | 30 | 80 | 320 Gbit / s |
La investigación realizada por la Universidad RMIT, Melbourne, Australia, ha desarrollado un dispositivo nanofotónico que ha logrado un aumento de 100 veces en las velocidades de fibra óptica alcanzables actuales mediante el uso de una técnica de luz torcida. [49]Esta técnica transporta datos sobre ondas de luz que se han torcido en forma de espiral, para aumentar aún más la capacidad del cable óptico, esta técnica se conoce como momento angular orbital (OAM). El dispositivo nanofotónico utiliza nanohojas topológicas ultradelgadas para medir una fracción de milímetro de luz retorcida, el dispositivo nanoelectrónico está incrustado dentro de un conector más pequeño que el tamaño de un conector USB, encaja fácilmente en el extremo de un cable de fibra óptica. El dispositivo también se puede usar para recibir información cuántica enviada a través de luz trenzada, es probable que se use en una nueva gama de investigación en comunicación cuántica y computación cuántica. [50]
Dispersión [ editar ]
Para la fibra óptica de vidrio moderna, la distancia máxima de transmisión no está limitada por la absorción directa del material, sino por varios tipos de dispersión o difusión de pulsos ópticos a medida que viajan a lo largo de la fibra. La dispersión en las fibras ópticas es causada por una variedad de factores. La dispersión intermodal , causada por las diferentes velocidades axiales de diferentes modos transversales, limita el rendimiento de la fibra multimodo . Debido a que la fibra monomodo admite solo un modo transversal, se elimina la dispersión intermodal.
En la fibra monomodo, el rendimiento está principalmente limitado por la dispersión cromática (también llamada dispersión de velocidad de grupo ), que se produce porque el índice del vidrio varía ligeramente según la longitud de onda de la luz, y la luz de los transmisores ópticos reales tiene necesariamente un ancho espectral distinto de cero ( debido a la modulación). La dispersión del modo de polarización , otra fuente de limitación, ocurre porque aunque la fibra monomodo puede sostener solo un modo transversal, puede transportar este modo con dos polarizaciones diferentes, y las imperfecciones o distorsiones leves en una fibra pueden alterar las velocidades de propagación de los dos. polarizaciones. Este fenómeno se denomina birrefringencia de fibras y puede contrarrestarse medianteFibra óptica que mantiene la polarización . La dispersión limita el ancho de banda de la fibra porque el pulso óptico en expansión limita la velocidad a la que los pulsos pueden seguirse entre sí en la fibra y aún ser distinguibles en el receptor.
Cierta dispersión, en particular la dispersión cromática, puede eliminarse mediante un "compensador de dispersión". Esto funciona mediante el uso de una longitud de fibra especialmente preparada que tiene la dispersión opuesta a la inducida por la fibra de transmisión, y esto agudiza el pulso para que pueda ser decodificado correctamente por la electrónica.
Atenuación [ editar ]
La atenuación de la fibra , que requiere el uso de sistemas de amplificación, es causada por una combinación de absorción de material , dispersión de Rayleigh , dispersión de Mie y pérdidas de conexión. Aunque la absorción de material para la sílice pura es solo de alrededor de 0.03 dB / km (la fibra moderna tiene una atenuación de alrededor de 0.3 dB / km), las impurezas en las fibras ópticas originales causaron una atenuación de alrededor de 1000 dB / km. Otras formas de atenuación son causadas por tensiones físicas en la fibra, fluctuaciones microscópicas en la densidad y técnicas de empalme imperfectas. [51]
Ventanas de transmisión [ editar ]
Cada efecto que contribuye a la atenuación y dispersión depende de la longitud de onda óptica. Hay bandas de longitud de onda (o ventanas) donde estos efectos son más débiles y estos son los más favorables para la transmisión. Estas ventanas se han estandarizado y las bandas definidas actualmente son las siguientes: [52]
| Banda | Descripción | Rango de onda |
|---|---|---|
| O banda | original | 1260 a 1360 nm |
| Banda E | extendido | 1360 hasta 1460 nm |
| Banda S | longitudes de onda cortas | 1460 hasta 1530 nm |
| Banda C | convencional ("ventana de erbio") | 1530 a 1565 nm |
| Banda L | longitudes de onda largas | De 1565 a 1625 nm |
| Banda U | longitudes de onda ultralargas | 1625 hasta 1675 nm |
Tenga en cuenta que esta tabla muestra que la tecnología actual ha logrado unir la segunda y tercera ventanas que originalmente estaban separadas.
Históricamente, se usó una ventana debajo de la banda O, llamada primera ventana, a 800-900 nm; sin embargo, las pérdidas son altas en esta región, por lo que esta ventana se utiliza principalmente para comunicaciones de corta distancia. Las ventanas inferiores actuales (O y E) alrededor de 1300 nm tienen pérdidas mucho menores. Esta región tiene dispersión cero. Las ventanas intermedias (S y C) alrededor de 1500 nm son las más utilizadas. Esta región tiene las pérdidas de atenuación más bajas y alcanza el rango más largo. Tiene algo de dispersión, por lo que se utilizan dispositivos compensadores de dispersión para eliminar esto.
Regeneración [ editar ]
Cuando un enlace de comunicaciones debe abarcar una distancia mayor de la que la tecnología de fibra óptica existente es capaz, la señal debe regenerarse en puntos intermedios del enlace mediante repetidores de comunicaciones ópticas . Los repetidores agregan un costo sustancial a un sistema de comunicación, por lo que los diseñadores de sistemas intentan minimizar su uso.
Los avances recientes en la tecnología de comunicaciones ópticas y de fibra han reducido la degradación de la señal hasta ahora que la regeneración de la señal óptica solo es necesaria en distancias de cientos de kilómetros. Esto ha reducido en gran medida el costo de las redes ópticas, particularmente en tramos submarinos donde el costo y la confiabilidad de los repetidores es uno de los factores clave que determinan el rendimiento de todo el sistema de cable. Los principales avances que contribuyen a estas mejoras de desempeño son la gestión de la dispersión, que busca equilibrar los efectos de la dispersión con la no linealidad; y solitones , que utilizan efectos no lineales en la fibra para permitir la propagación sin dispersión a largas distancias.
Última milla [ editar ]
Aunque los sistemas de fibra óptica se destacan en aplicaciones de gran ancho de banda, la fibra óptica ha tardado en lograr su objetivo de llegar a las instalaciones o en resolver el problema de la última milla . Sin embargo, la implementación de FTTH ha aumentado significativamente durante la última década y se prevé que preste servicios a millones de suscriptores más en un futuro próximo. En Japón, por ejemplo, EPON ha reemplazado en gran medida al DSL como fuente de Internet de banda ancha. KT de Corea del Sur también ofrece un servicio llamado FTTH(Fiber To The Home), que proporciona conexiones de fibra óptica al hogar del suscriptor. Las mayores implementaciones de FTTH se encuentran en Japón, Corea del Sur y China. Singapur inició la implementación de su red de banda ancha nacional de próxima generación totalmente de fibra (Next Gen NBN), que está programada para completarse en 2012 y está siendo instalada por OpenNet. Desde que comenzaron a implementar servicios en septiembre de 2010, la cobertura de la red en Singapur ha alcanzado el 85% en todo el país.
En los EE. UU., Verizon Communications ofrece un servicio FTTH llamado FiOS para seleccionar mercados de alto ARPU (Ingresos promedio por usuario) dentro de su territorio existente. El otro ILEC (o proveedor de intercambio local titular) importante que sobrevive, AT&T, utiliza un servicio FTTN (fibra hasta el nodo) llamado U-verse con par trenzado hasta el hogar. Sus competidores MSO emplean FTTN con cable coaxial usando HFC . Todas las principales redes de acceso utilizan fibra en la mayor parte de la distancia entre la red del proveedor de servicios y el cliente.
La tecnología de red de acceso dominante a nivel mundial es EPON (red óptica pasiva Ethernet). En Europa, y entre las empresas de telecomunicaciones de los Estados Unidos, BPON (PON de banda ancha basada en ATM) y GPON (Gigabit PON) tenían sus raíces en las organizaciones de estándares FSAN (Red de acceso de servicio completo) y UIT-T bajo su control.
Comparación con la transmisión eléctrica [ editar ]
La elección entre fibra óptica y transmisión eléctrica (o de cobre ) para un sistema en particular se basa en una serie de compensaciones. La fibra óptica se elige generalmente para sistemas que requieren un mayor ancho de banda o que abarcan distancias más largas de las que puede admitir el cableado eléctrico.
Los principales beneficios de la fibra son su pérdida excepcionalmente baja (que permite largas distancias entre amplificadores / repetidores), su ausencia de corrientes de tierra y otras señales parásitas y problemas de potencia comunes a los recorridos largos de conductores eléctricos paralelos (debido a su dependencia de la luz en lugar de la electricidad para transmisión y la naturaleza dieléctrica de la fibra óptica), y su inherentemente alta capacidad de transporte de datos. Se necesitarían miles de enlaces eléctricos para reemplazar un solo cable de fibra de gran ancho de banda. Otro beneficio de las fibras es que incluso cuando se colocan uno al lado del otro en largas distancias, los cables de fibra no experimentan efectivamente diafonía , a diferencia de algunos tipos de líneas de transmisión eléctrica . La fibra se puede instalar en áreas con altainterferencia electromagnética (EMI), como junto a líneas de servicios públicos, líneas eléctricas y vías de ferrocarril. Los cables totalmente dieléctricos no metálicos también son ideales para áreas de alta incidencia de rayos.
A modo de comparación, si bien los sistemas de cobre de una sola línea con calidad de voz de más de un par de kilómetros requieren repetidores de señal en línea para un rendimiento satisfactorio, no es inusual que los sistemas ópticos superen los 100 kilómetros (62 millas), sin activos o procesamiento pasivo. Los cables de fibra monomodo suelen estar disponibles en longitudes de 12 km (7,5 millas), lo que minimiza el número de empalmes necesarios en un tramo de cable largo. La fibra multimodo está disponible en longitudes de hasta 4 km, aunque los estándares industriales solo exigen recorridos ininterrumpidos de 2 km.
En aplicaciones de corta distancia y ancho de banda relativamente bajo, a menudo se prefiere la transmisión eléctrica debido a su
- Menor costo de material, donde no se requieren grandes cantidades
- Menor costo de transmisores y receptores
- Capacidad para transportar energía eléctrica y señales (en cables diseñados apropiadamente)
- Facilidad de operación de transductores en modo lineal .
Las fibras ópticas son más difíciles y caras de empalmar que los conductores eléctricos. Y a potencias más altas, las fibras ópticas son susceptibles de fusionarse , lo que resulta en una destrucción catastrófica del núcleo de la fibra y daños a los componentes de transmisión. [53]
Debido a estos beneficios de la transmisión eléctrica, la comunicación óptica no es común en aplicaciones cortas de caja a caja, placa posterior o chip a chip; sin embargo, se han demostrado en el laboratorio sistemas ópticos en esas escalas.
En determinadas situaciones, la fibra puede utilizarse incluso para aplicaciones de poca distancia o ancho de banda bajo, debido a otras características importantes:
- Inmunidad a interferencias electromagnéticas, incluidos pulsos electromagnéticos nucleares .
- Alta resistencia eléctrica , lo que hace que sea seguro usarlo cerca de equipos de alto voltaje o entre áreas con diferentes potenciales de tierra .
- Peso más ligero: importante, por ejemplo, en aviones.
- Sin chispas: importante en entornos con gases inflamables o explosivos. [54]
- No irradia electromagnéticamente y es difícil de conectar sin interrumpir la señal, lo que es importante en entornos de alta seguridad.
- Tamaño de cable mucho más pequeño: importante donde el camino es limitado, como la conexión en red de un edificio existente, donde se pueden perforar canales más pequeños y se puede ahorrar espacio en los conductos y bandejas de cables existentes.
- Resistencia a la corrosión por medio de transmisión no metálico
Los cables de fibra óptica se pueden instalar en edificios con el mismo equipo que se utiliza para instalar cables de cobre y coaxiales, con algunas modificaciones debido al tamaño pequeño y la tensión de tracción y el radio de curvatura limitados de los cables ópticos. Los cables ópticos se pueden instalar típicamente en sistemas de conductos en tramos de 6000 metros o más dependiendo de la condición del conducto, la disposición del sistema de conductos y la técnica de instalación. Los cables más largos se pueden enrollar en un punto intermedio y tirar más adentro del sistema de conductos según sea necesario.
Normas que rigen [ editar ]
Para que varios fabricantes puedan desarrollar componentes que funcionen de manera compatible en los sistemas de comunicación de fibra óptica, se han desarrollado una serie de estándares. La Unión Internacional de Telecomunicaciones publica varios estándares relacionados con las características y el rendimiento de las fibras en sí, que incluyen
- UIT-T G.651 , "Características de un cable de fibra óptica de índice graduado multimodo de 50/125 μm"
- UIT-T G.652 , "Características de un cable de fibra óptica monomodo"
Otras normas especifican criterios de rendimiento para fibra, transmisores y receptores que se utilizarán juntos en sistemas conformes. Algunos de estos estándares son:
- 100 Gigabit Ethernet
- 10 Gigabit Ethernet
- Canal de fibra
- Gigabit Ethernet
- HIPPI
- Jerarquía Digital Síncrona
- Redes ópticas sincrónicas
- Red de transporte óptico (OTN)
TOSLINK es el formato más común de cable de audio digital que utiliza fibra óptica plástica para conectar fuentes digitales a receptores digitales .
Ver también [ editar ]
- Fibra oscura
- Fibra a la x
- Comunicación óptica en espacio libre
- Teoría de la información
- Cable de comunicaciones submarino
- Red óptica pasiva
- Multiplexación por división espacial
Referencias [ editar ]
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Lectura adicional [ editar ]
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Enlaces externos [ editar ]
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- Cómo funciona la fibra óptica (Howstuffworks.com)
- La revolución del láser y la fibra óptica
- Fibra óptica, de Hyperphysics en la Universidad Estatal de Georgia
- "Comprensión de las comunicaciones ópticas" Un libro rojo de IBM
- FTTx Primer julio de 2008
- Transmisión de fibra óptica en soluciones de seguridad y vigilancia
- Fibra óptica: comunicación por Internet, cable y teléfono
- Simulación de sistemas de transmisión óptica basados en fibra.
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