- Comunicación por fibra óptica
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La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión de información de un lugar a otro mandando señales de luz a través de fibra óptica. La luz en forma de ondas electromagnéticas viajeras, es modulada para transmitir información. Desarrollado en la década de 1970. Los sistemas de comunicación de fibra óptica, han revolucionado la industria de las telecomunicaciones y han desempañado un papel importante en el advenimiento de la era información. Debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica, las fibras ópticas han sustituido en gran medida las comunicaciones mediante cables de cobre en las redes del mundo desarrollado.
El proceso de comunicación mediante fibra óptica implica los siguientes pasos: (1) Creación de la señal óptica mediante el uso de un transmisor. (2) Transmisión de la señal a o largo de la fibra, garantizando que la señal no sea demasiado débil o distorsionada. (3) Recepción de la señal, lo que consiste en la conversión de ésta a una señal eléctrica.
Contenido
Aplicaciones
La fibra óptica es usada por muchas compañías de telecomunicaciones para transmitir señales telefónicas, comunicación vía internet, y señales de televisión por cable. Debido a su mucha más baja atenuación e interferencia, la fibra óptica tiene grandes ventajas sobre el alambre de cobre. Por esto existente en larga distancia y aplicaciones de alta demanda. Sin embargo el desarrollo de infraestructura dentro de las ciudades es relativamente difícil y consume mucho tiempo, y los sistemas de fibra óptica son complicados y costosos de instalar y operar. Debido a estas dificultades, los sistemas de comunicación de fibra óptica han sido instalados principalmente en aplicaciones de larga distancia, donde pueden utilizar su capacidad de transmisión al máximo, compensando el alto costo. Desde el año 2002, los precios de las comunicaciones de fibra óptica se han reducido considerablemente. El precio para el despliegue de fibra hasta el hogar se ha convertido en la actualidad más rentable que el de desplegar una red basada en el cobre.
Desde 1990, cuando los sistemas de amplificación óptica se volvieron comerciales, la industria de telecomunicaciones ha establecido una amplia red de comunicación interurbana y transoceánica de esta fibra. En 2002, una red intercontinental de 250.000 km de comunicaciones por cable submarino, con una capacidad de 2,56 Tb/s fue completada, y aunque las capacidades especificas de una red son información privilegiada, los reportes de telecomunicaciones indican que la capacidad de redes se ha incrementado dramáticamente desde el 2002.
Tecnología
Los sistemas modernos de fibra óptica generalmente incluyen un transmisor óptico para convertir una señal eléctrica en una señal óptica para mandar dentro de la fibra óptica, un cable de fibra óptica contiene múltiples haces de fibras ópticas que se enruta a través de conductos subterráneos y edificios, varios tipos de amplificadores, y un receptor óptico para recuperar la señal como una señal eléctrica. La información contenida es típicamente comunicación digital generada por computadoras, telefonía digital, y compañías de cable.
Transmisores
Los transmisores ópticos más comúnmente utilizados son dispositivos semiconductores tales como diodos emisores de luz (LED's) y láser. La diferencia entre los diodos LED's y el láser es que los LED's producen una luz incoherente o hacia varias direcciones y el láser produce una luz coherente o fija. Para su uso en comunicaciones ópticas los transmisores ópticos semicondutores, deben ser diseñados para ser compactos, eficientes, y confiables, mientras se opera en un rango de longitud de onda óptima y directamente modulada en altas frecuencias.
En su forma más simple, un LED es una unión pn polarizada, emitiendo luz a través de emisiones espontáneas, un fenómeno conocido como electroluminiscencia. La luz emitida es incoherente con un ancho espectral relativamente amplio de 30-60 nm. La transmisión de luz LED es también ineficiente, con sólo el 1% de la potencia de entrada, o alrededor de 100 microwatts, finalmente convertido en la energía que se ha puesto en marcha junto a la fibra óptica. Sin embargo, debido a su diseño relativamente sencillo los LED's son muy útiles para aplicaciones de bajo costo.
Las comunicaciones LED's se producen principalmente a partir de GaAsp o GaAs. Debido a que los LED's GaAsp operan a una mayor longitud de onda que los LED's GaAs (1.3 micrómetros contra 0.81-0.87 micrómetros), de su espectro de salida es más ancha por un factor de alrededor de 1.7. El ancho de amplio espectro de LED causa una alta dispersión en la fibra, limitando considerablemente su tasa de bits de productos a distancia (una medida común de utilidad). Los LED's son adecuados principalmente para aplicaciones de red de área local con velocidades de 10-100 Mbit/s, y distancias de transmisión de unos pocos kilómetros. Los LED's se han desarrollado para usar varios posos cuánticos para emitir luz en diferentes longitudes de onda en un amplio espectro, y actualmente están en uso para el área local de multiplexado por división de longitud de onda.
Un láser semiconductor transmite luz a través de la emisión estimulada en vez de emisión espontánea, lo que resulta en una alta potencia de salida (~100 mW), así como otros beneficios de la luz coherente. La salida del láser es relativamente direccional, permitiendo un acoplamiento de alta eficiencia (~50%) en fibras monomodo. La anchura espectral estrecha permite altas tasas de bits, ya que reduce el efecto de dispersión cromática. Los lasers semiconductores pueden ser modulados directamente a altas frecuencias, debido a la recombinación de tiempo corto.
Los diodos láser son a menudo directamente modulados, que es la salida de luz controlada por una corriente aplicada directamente al dispositivo. Para tarifas de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia, una fuente de láser puede ser operada de onda continua y la luz modulada por un dispositivo externo como un modulador de electroabsorción.
Receptores
El principal componenete de un receptor óptico es una célula fotoeléctrica, que convierte la luz en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico. El fotodetector es típicamente un fotodiodo basado en semiconductores. Varios tipos de fotodiodos incluyen fotodiodos PN, fotodiodo PIN, y fotodiodos de avalancha. Los fotodetectores Metal-semiconductor-metal (MSM) también se utilizan debido a su idoneidad para la integración de circuitos regeneradores y multiplexores de longitud de onda.
Los convertidores ópticos eléctricos son normalmente al conjunto de un amplificador de transimpedancia y un amplificador de la limitación para producir una señal digital en el dominio eléctrico de la señal óptica de entrada, que podrá ser atenuada y distorcionada al pasar por el canal. Además de procesamiento de señales tales como la recuperación de reloj de datos (CDR) a cargo de un bucle de enganche de fase también puede ser aplicado antes de que los datos se transmitan.
Fibra
Una fibra óptica consiste en un núcleo, revestimiento y un buffer(una capa exterior de protección), 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 tienen un menor índice de refracción) son generalmente de gran vidrio de sílice, aunque puede ser de plástico también. En conexión de dos fibras ópticas se realiza el empalme de fusión o empalme mecánico y requiere de habilides especiales y la tecnología de interconexión debido a la precisión microscópica necesaria para alinear los núcleos de fibra.
Hay dos tipos de fibra óptica utilizada en comunicaciones, estas son la fibra óptica multimodo y la monomodo. La multimodo tiene un núcleo más grande (56.62 micras), permitiendo menos precisión, transmisores, receptores y conectores de menor costo. Sin embargo, la fibra multimodo introduce distorsión multimodo, que a menudo limita el ancho de banda y la longitud de enlace. Por otra parte, las fibras multimodo son generalmente caras y presentan mayor atenuación. El núcleo de una fibra monomodo es más pequeño (8-10 micras) y requiere componentes más costosos y métodos de interconexión, pero permitiendo enlaces de mayor rendimiento.
Amplificadores
La distancia de transmisión de un sistema de comunicación de fibra óptica ha sido tradicionalmente limitada por la atenuación de la fibra y por la distorsión de la fibra. Mediante el uso de repetidores opto-electrónicos, estos problemas han sido eliminados. Estos repetidores convierten la señal en una señal eléctrica, y luego usan un transmisor para enviar la señal de nuevo a una mayor intensidad que antes. Debido a la alta complejidad con la moderna division de longitud de onda de multiplexación de señales (como el hecho de que tenía que ser instalado una vez acada kilómetro 20), el coste de estos repetidores es muy elevado.
Un enfoque alternativo es usar un amplificador óptico, lo que amplifica la señal óptica directamente, sin tener que convertir la señal en el dominio electrónico. Es producida por el dopaje con una longitud de fibra con la rara-erbio tierra mineral y de bombeo con la luz de un láser con la longitud de onda de la señal de comunicaciones (típicamente 980 nm).
Multiplexación por longitud de onda
Multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es la práctica de la multiplicación de la capacidad disponible de una fibra óptica mediante la adición de nuevos canales, cada canal en una nueva longitud de onda de la luz. El ancho de banda de una fibra puede dividirse en tantos como 160 canales para apoyar a una velocidad de bits combinados en la gama de terabit por segundo. Esto requiere un multiplexor de división de longitud de onda en el equipo de transmisión y un demultiplexor(espectómetro) en el equipo receptor.
Ancho de banda producto de la distancia
Debido a que el efecto de la dispersión aumenta con la longitud de la fibra, un sistema de transmisión de fibra se caracteriza a menudo por su ancho de banda de productos a distancia, a menudo expresado en unidades de MHz Km. Este valor es un producto de ancho de banda y la distancia, porque hay un trade-off entre el ancho de banda de la señal y la distancia que puede ser transportado.
A través de una combinación de avances en la gestión de la dispersión, la longitud de onda de multiplexión por division y amplificadores ópticos, las fibras ópticas de hoy en día pueden llevar la información en torno a los 14 Terabits por segundo a más de 160 km de fibra.
Dispersión
Para la fibra óptica de vidrio moderna, la distancia máxima de transmisión no está limitada por la absorción de materiales directos, sino por varios tipos de dispersión, o la propagación de pulsos ópticos en su viaje a lo largo de la fibra. La dispersión de las fibras ópticas es causada por una variedad de factores. Dispersión intermodal, causada por las diferentes velocidades axiales de diferentes modos transversales, limitando el rendimiento de la fibra multimodo. Debido a que la fibra monomodo sólo admite un modo transversal, se elimina la dispersión intermodal.
En desempeño de la fibra monomodo es principalmente limitado por la dispersión cromática, que se produce porque el índice del vidrio varía ligeramente dependiendo de la longitud de onda de la luz. La dispersión de modo de polarización es otra fuente de limitación, se debe a que aunque la fibra monomodo puede sostener solamente un modo transversal, se puede llevar a este modo con dos polarizaciones.Este fenómeno se denomina birrefrigencia de fibra y puede ser contrarestada por la polarización, y el mantenimiento de la fibra.
Referencias
- Encyclopedia of Laser Physics and Technology
- Fiber-Optic Technologies by Vivek Alwayn
- Agrawal, Govind P. (2002). Fiber-optic communication systems. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-21571-6.
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