Fibra óptica – Conceptos Básicos

Hoy empezamos una serie de posts donde explicaremos algunos conceptos básicos del uso de la fibra óptica para la transmisión de datos.

A modo de resumen tocaremos, en sucesivas semanas, los siguientes temas:

• Terminología y conceptos básicos
• Limitaciones en el uso de la fibra tanto en capacidad como distancia
• Tipos de fibra y bandas de transmisión
• Tipos de fuentes de luz
• Degradación de la señal y su regeneración (las 3 ‘R’)
• PMD – Dispersión por modo de polarización
• Dispersión cromática
• Tipos de conectores ópticos
• ¿Qué es el optical budget?
• Amplificadores ópticos
• WDM – Multiplexación de longitud de onda
• CWDM vs DWDM
• Tabla de canales WDM (channel grid)
• DWDM pasivo vs activo
• Migración CWDM a DWDM

Terminología y conceptos básicos

Cables de fibra

Las partes básicas de un cable de fibra son:

• núcleo (core): es la parte central capaz de guiar las ondas de luz
• cubierta (clading): con un índice de refracción muy bajo (< 1%) recubre el core
• cubierta exterior (coating): por fuera de la cubierta interior tenenos un recubrimiento que cumple las funciones de aislar cada fibra en cables multifibra y reforzar el cable de cara a evitar torsiones y dobleces que provoquen pérdidas de señal (bending)

Decibels (dB)

Es una medida relativa, que expresa normalmente ganancia o pérdida de señal óptica. x dB son 10^-x/10 en una escala lineal. En este caso usamos una escala logarítmica para poder representar de forma más sencilla las variaciones que sufre una señal óptica al ser transmitida a través de la fibra.

3 dB de atenuación = 10^-.3 = 0.50, es decir, equivale a que la señal óptica ha reducido su nivel a la mitad

Decibels-milliwatt (dBm) : Decibel referenciado a un miliwat

En este caso se trata de una de una medida absoluta, no relativa. La usamos, por tanto, para medir las potencias de señal óptica transmitidas o recibidas.

x mW representan 10´log₁₀(x) en dBm o lo que es lo mismo y dBm repersentan 10^Y/10 en mW.

Algunos ejemplos: 0dBm=1mW, 3dBm = 2mW

Wavelength (l): longitud de onda en un medio particular

Se mide en nanómetros, 10^-9m (nm)

Las longitudes de onda comprendidas entre los 300nm (azul) y los 700nm (rojo) son visibles al ojo humano.

Los sistemas de transmisión de señal a través de fibra ópticas usan principalmente las longitudes de 850, 1310 y 1550nm por su menor atenuación. Estas longitudes son también denominadas Lambda

Frecuencia (n): número de veces que la onda se produce en un determinado intervalo de tiempo

Se mide en Tera Hercios, que equivale a 10¹² ciclos o repeticiones por segundo (Thz)

La relación entre la longitud de onda y la frecuencia depende de la velocidad de transmisión de la luz en el medio (c)

La velocidad de la luz en el vacío es c = 2.99792458 x 10⁸ m/s

La velocidad de la luz en una fibra monomodo es, lógicamente, inferior a la del vacio y aproximadamente 2.01 x 10⁸ m/s

La fórmula que relaciona todos estos conceptos es: c = l x n

BER (Bit Error Rate)

Es la tasa de error entendida como el cociente entre los bits recibidos y los bits recibidos con error. Normalmente se mide generando una secuencia de datos en un extremo del enlace, haciendo un bucle de estos datos en el extremo remoto y comparando en origen la secuencia recibida con la previamente transmitida. Cualquier diferencia es un error. En transmisiones por fibra óptica se suelen aceptar tasas de 10 ^-12, es decir, un bit erróneo por cada 10.000.000.000.000 bits recibidos.

Limitaciones en el uso de la fibra para la transmisión de señales ópticas

Aunque la fibra óptica es, con diferencia, el medio de transmisión que nos permite mayores velocidades y distancias, no está exento de algunos fenómenos que limitan tanto dicho caudal como las distancias a cubrir. Estos fenómenos son los siguientes:

Atenuación o pérdida de señal en dB/Km

Esta medida representa el nivel de reducción o pérdida de la señal luminosa al atravesar el medio físico del cable de fibra óptica. Su valor determina cuan bueno es un cable para la transmisión de señales ópticas y hasta qué distancia podemos iluminar dicho cable con una determinada fuente de luz para poder recibir la señal correctamente en el extremo opuesto del cable.

Dispersion del pulso del luz en ps/nm-km

La dispersión es la separación de la luz en sus diferentes colores o longitudes de onda. Existen dos tipos de dispersiones: la dispersión cromática y la dispersión por modo de polarización. Las veremos más en detalle en el siguiente post.

Optical Signal to Noise Ration (OSNR)

Es la relación o cociente entre la señal óptica y el nivel de ruido presentes en la recepción. Cuanto mayor es el cociente, más nivel de señal útil tendremos en relación al nivel de ruido (no señal) existente y que la acompaña.

Micro bending

Ocasionado normalmente por un defecto en el cable de fibra, la luz es distorsionada por algún defecto mecánico en la parte interior de la cubierta del cable.

Macro bending

En este caso el haz de luz llega a abandonar el core de la fibra y propagarse a través de la cubierta. Suele producirse por una instalación o manipulación deficiente de los cables de fibra.

Espectro óptico y bandas de transmisión

Espectro óptico

En la siguiente figura se muestra el espectro óptico de la señal luminosa. Los sistemas de transmisión utilizan la banda de infrarrojos, junto encima de la banda visible.

Concretamente hablamos de 3 ventanas: 850nm, 1310nm y 1550nm ya que son las bandas donde la atenuación de la fibra es menor. La ventana de 850nm (primera= se usa con fibras multimodo y las de 1310nm (segunda) y 1550nm (tercera) con fibras monomodo. En 1400nm tenemos un pico de atenuación (aka waterpeak) lo que hace su uso inviable.

De forma general la banda de 1310nm presenta una atenuación de 0,4 dB/Km mientras que la de 1550nm presenta una atenuación de 0,25 dB/Km. Por este motivo los sistemas de transmisión de larga distancia se ubican en esta ventana. Asimismo, los amplificadores ópticos (EFDA y RAMAN) sólo están disponibles en la banda de 1550nm.

Las fibras se diferencias básicamente entre multimodo y monomodo. La fibras multimodo tienen un núcleo o core mayor (50 o 62.5 micras de diámetro) lo que provoca que la señal óptica se propague en diferentes haces o ángulos llamados modos. Este hecho provoca una pérdida de señal efectiva por la interferencia de los diferentes haces con diferentes retardos.

Sin embargo, en las fibras monomodo la señal óptica se propaga en un único modo o haz. El diámetro del núcleo o core es típicamente de 9 micras (mucho más pequeño que en las fibras multimodo)

Tipos de fibra óptica

Tipos de fibras monomodo

• SMF-28(e) (standard, 1310 nm optimized, G.652). Es la más común y por este motivo la más económica. Fue introducida en 1986
• DSF (Dispersion Shifted, G.653). Se usa principalmente para la transmisión de una única longitued de onda en la ventana de 1550nm
• NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted, G.655). Se usa principalmente para sistemas WDM puesto que está optimizada para la transmisión de múltiples longitudes de onda en la ventna de 1550nm. Algunos ejemplos son las fibras TrueWave, FreeLight, LEAF, TeraLight desarrolladas a mediados de los 90 para permitir una mayor capcidad de datos y las fibras MetroCor, WideLight…

En el próximo post veremos los diferentes tipo de fuente de luz así como otros fenómenos que limitan la transmisión de datos como son la dispersión de modo de polarización y la dispersión cromática. Por último introduciremos el concepto de link budget.

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