ANEXO 7 Elementos de la Red Óptica 7.pdf · Elementos de la Red Óptica A. 7. 1. Redes de Fibra...

ANEXO 7

Elementos de la Red Óptica

A. 7. 1. Redes de Fibra Óptica Por presentar las redes de fibra óptica un sorprendente desarrollo y avizorando nuevos sistemas con aún mayor futuro, deberemos prestarle una particular atención a sus elementos constitutivos. Los cables de fibra óptica y sus sistemas componentes son aprovechados en una gran variedad de redes de transporte y metropolitanas de telecomunicaciones, extendiéndose actualmente hasta las redes de acceso hasta el abonado. Se agrupa en este capítulo toda su temática, con elementos experimentados en uso, pero sin des-echar el análisis de los aun en desarrollo, ya que actualmente la red óptica está en continuo perfec-cionamiento y se debe conocer las directrices futuras. Se trata los tipos de fibras y cables ópticos empleado, esencialmente en telecomunicaciones e in-formática, haciendo una introducción a la teoría óptica. En esta incidencia particularizamos princi-pios técnicos de sus conectores y empalmes, los opto-transmisores, fotoreceptores, divisores, aco-pladores, filtros ópticos, etc. Comenzaremos analizando la fibra óptica en sus fundamentos de física óptica, para más adelante referirnos a los elementos constitutivos de una red óptica, estudiando las características sobresa-lientes de la transmisión óptica.

A. 7. 1. 2. Ventajas de las fibras ópticas Se puede estimar como un ejemplo, un valor de atenuación para un sistema de fibra óptica, debidos a la absorción de la luz por la fibra, conectores y empalmes, para la segunda ventana, de 1 dB /Km para fibras multimodo y de 0.4 dB /Km en fibras monomodo. En la práctica y para una línea óptica media, al valor obtenido se le debe añadir 1.5 dB, debido a la introducción de otras pérdidas intrínsecas. El operador de redes, encuentra en la fibra óptica especiales propiedades como medio de transmi-sión, lo que le permite obtener múltiples ventajas:

Gran ancho de banda = mayor rendimiento.

Bajas pérdidas = mayores distancias entre regeneradores de pulsos.

Exento a diafonía = alta calidad de transmisión.

Inmune a interferencias eléctricas = cercanía de transformadores eléctricos.

Exento de inducciones eléctricas = fibra dieléctrica sobre líneas de alta tensión

Imposibilidad de substracción de la información = seguridad de la información transmitida.

Resistente a las atmósferas corrosivas.

Inmune a descargas eléctricas.

Reducidos factores, espacio, diámetro y peso.

Materia prima no escasa, dióxido de silicio (SiO2).

Flexibilidad para el diseño.

Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014 2

El área de aplicación es sumamente extensa:

Redes de enlace de telecomunicaciones en banda ancha.

Redes de acceso en banda estrecha y ancha.

CATV.

LAN, MAN y WAN.

Cableados estructurados y en edificios inteligentes.

Cableados de aviones y buques.

Cables subfluviales y submarinos.

Aplicaciones médicas Las características comparativas de atenuación en función de la distancia, de las fibras ópticas, res-pecto a cables multipares trenzados y coaxiales se distinguen por la presentación de valores dife-renciados considerables (Fig. 1).

Fig. 1 - Atenuación en función de la longitud

Los operadores de redes, son partidarios de los cables de fibra óptica además de sus cualidades de transmisión, por ser estos livianos y delgados. Ello les proporciona amplias facilidades de instala-ción tanto en cañerías, como aéreos o para enterramiento directo. Además, muchas canalizaciones existentes están llenas por completo, al reemplazar varios cables multipares por un solo cable de fibra se liberan varios conductos evitando efectuar ampliaciones de las canalizaciones o la construcción de nueva cañerías. Un cable de cobre, de 1000 pares y de 1 kilómetro de longitud, pesa 8000 Kg, dos fibras ópticas pueden tener la misma capacidad de transmisión y únicamente pesan 100 Kg. Son además más manejables, requieren un transporte más económico y su instalación podrá ser manual. Por otra parte las fibras ópticas no podrán ser interferidas ni intervenidas en sus comunicaciones, por no portar corrientes eléctricas, y no ser influenciadas por corrientes electromagnéticas de redes eléctricas próximas, de alta tensión o de transporte. En valores de atenuación y longitudes, podremos comparar cables UTP de Categoría 5 respecto a fibras multimodo. El cable de cobre permite llegar a 155 Mb/s hasta 100 m, mientras que la fibra a 622 Mb/s hasta 800 m, ó a 155 Mb/s hasta 3 Km. Luego para estas velocidades después de los 100 m debe usarse fibra. Para distancias mayores a las indicadas es necesario emplear fibra monomodo.

Atenuación (dB)

50

20

10

5

2

1

0.5

0.2 0.1

fibra multimodo de índice gradual fibra monomodo 1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 Longitud (m)

cable con aislamiento de papel 0.65

con aislamiento de polietileno celular 0.65

cable coaxial de 4.4 mm

cable coaxial de 9.5 mm

ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA

3

A. 7. 1. 3. Propagación lumínica en la fibra óptica Desde hace mas de 100 años que se utilizan las ondas electromagnéticas para la transmisión de in-formaciones. Su utilidad se debe a que para propagarse no se requiere necesariamente de un con-ductor metálico. Se puede mediante estas ondas efectuar una transmisión con elevada velocidad tanto en la atmósfera (aire), como en la estratosfera (vacío) o en un medio dieléctrico, es decir no conductor de la electricidad como lo es un plástico o el vidrio.

La luz visible, ocupa una porción reducida del espectro total de las ondas electromagnéticas (Capí-

tulo 4). Se extiende desde los 380 nm (color violeta) hasta los 780 nm (color rojo), a la que se le

adiciona la zona de radiación ultravioleta, con longitudes de onda menores y la zona de radiación in-frarroja con longitudes de onda mayores. En las telecomunicaciones ópticas se emplean las longitudes de onda del infrarrojo, entre 800 y

1600 nm, a sea en entornos de 1m. Las ondas electromagnéticas y por ende las luminosas son ondas transversales, es decir que su campo magnético y eléctrico oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación. La propa-gación del sonido por el contrario tiene una propagación longitudinal, es decir que las oscilaciones se producen en la misma dirección de propagación. El concepto fundamental, es considerar a una onda como la excitación dada en una sustancia, con una propagación sin la necesaria implicancia de transporte de materia de esa sustancia.

En el vacío estas ondas se propagan con la velocidad de la luz c0 = 299 792.456 Km/s. Para la pro-

pagación en el aire se toma como aproximación el valor entero c0 = 300 000 Km/s.

Para estudiar las propiedades de transmisión en las fibras ópticas, se deben conocer las bases de la propagación óptica. La correcta propagación de un haz de luz en la fibra óptica se realiza si se cumplen las dos leyes fundamentales de la física óptica: La Ley de la reflexión y la Ley de refracción de Snell..

Estructura básica de una fibra óptica

Una fibra óptica (denominada coloquialmente pelo de fibra), está constituida por un núcleo central (core), de vidrio extremadamente puro constituido por dióxido de silicato SiO2, mas elementos dopantes, rodeada de una capa de vidrio SiO2, llamada revestimiento (cladding) y que tiene un valor de densidad distinto al del núcleo. Se tiene una fibra multimodo cuando el núcleo posee un diámetro entre 50 á 85 m y una fibra mo-

nomodo cuando toma diámetros entre 4 y 10 m. El revestimiento presenta para ambos casos un

diámetro de 125 m.

Estos elementos conductores del rayo de luz están recubiertos, para su protección mecáni-ca e identificación, por una capa de un material plástico, al que le llamamos recubrimiento primario (soft coating). Este elemento es del tipo adherente como capa de resina siliconada, nylon o acrilato, con 250 m de diámetro, que para fibras multimodo podrá llegar a 500 m.

El mismo, se coloca en la fabricación de la fibra óptica y que se eliminar para efectuar los empal-mes, quitándolo y limpiando luego la superficie de la fibra óptica, usando un líquido especial para esa operación. Este recubrimiento es generalmente del tipo doble, para absorber los esfuerzos transversales que generan las curvaturas, llamando al segundo, recubrimiento secundario (hard coating).

La ITU -T indica como norma, emplear solo diámetros de revestimiento en 125 m. Sin embargo se ha desarrollado, para fibras multimodo empleadas con bajas velocidades y en tramos cortos, núcle-

os de 100 m, con revestimientos de 140 m de diámetro.


Esta fibra, por sus dimensiones, es más fácil de operar con sus conectores, pero al ser una técnica no normalizada resulta más costosa (Fig. 2).

Fig. 2 - Vista en corte de los dos principales tipos de fibras Para diferenciar los distintos tipos de fibra óptica, se emplean diferentes colores para sus cubiertas.

COLOR DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

TIPO DE FIBRA CUBIERTA

Monomodo Amarillo

Monomodo de dispersión desplazada Rojo

Multimodo 50/125 (core/clad) Naranja

Multimodo 62.5/125 Carbón gris

Multimodo 85/125 Azul

Ley de la Reflexión Sea una superficie de separación entre dos sustancias, donde la sustancia 1 tiene una velocidad de

propagación de la luz de c1 y la sustancia 2 una velocidad de propagación c2. Cuando una onda

lumínica incide sobre esa superficie de separación, una fracción de la misma se refleja. La propor-ción de la luz reflejada depende del ángulo formado por el rayo de luz con la perpendicular a ese plano, entendiéndose por rayo de luz a la trayectoria descripta por la energía lumínica.

En esas condiciones, se cumple que el ángulo () del rayo incidente (i), es igual al ángulo () del ra-yo reflejado (r), respecto ambos a la normal al plano de separación de las distintas sustancias y que denominamos plano de reflexión (Fig. 3).

Fig. 3 - Ley de la Reflexión

=

i r

sustancia 1 (C1)

sustancia 2 (C2)

85 m

125 m

250 m

Fibra multimodo

8 m

125 m

250 m

Fibra monomodo

recubrimiento primario revestimiento núcleo


5

Como caso particular, cuando la proporción de la onda de luz reflejada, es igual a la proporción de la onda de luz incidente, se dice que se tiene reflexión total, para ese ángulo y para esa relación en-

tre las densidades C1 y C2. Este fenómeno lo estudiaremos algo más adelante.

Ley de Refracción de Snell De dos sustancias transparentes, se considera ópticalmente más densa, aquella que posee menor velocidad de propagación de la luz.

Si incidimos un rayo con un ángulo y para el caso que la sustancia desde donde el rayo incide, es

menos densa C1 (por ej: aire) a otra sustancia más densa C2 (por ej: vidrio ó agua), la trayectoria

cambia aproximándose a la normal, con un ángulo de refracción (Fig. 4).

Fig. 4 – Refracción de un rayo lumínico

En ese caso y para una sustancia isotópica, es decir que mantiene sus propiedades físicas en todas las direcciones, se cumple la relación dada por la Ley de refracción de Snell, expresada según las velocidades de propagación en cada una de las sustancias:

La relación del seno del ángulo incidente al ángulo refractado, tiene un valor constante llamado índi-ce de de refracción, entre el medio B de refracción y el medio A de incidencia. Si consideramos la

transición del aire, con una velocidad de la luz de C0, a una sustancia con velocidad de la luz de va-

lor C1, se tiene:

A tal relación la denominamos índice de refracción n1 para esa sustancia, considerando al índice de refracción del vacío n0 (aproximadamente igual al del aire), es igual a uno. Para dos sustancias diferentes, será:

sen C1

=

sen C2 [1]

sen C0

= = n1

sen C1

C0 C0 C1 = y C2 = n1 n2

sustancia 1 (C1)

sustancia 2 (C2)

[2]


Reemplazando [2] en [1], resulta la Ley de Snell, expresada según los índices de refracción de cada una de las sustancias:

Velocidad de Grupo Mientras que la luz en el vacío, se propaga con igual velocidad para diferentes longitudes de onda, en sustancias transparentes su velocidad de propagación es diferente para distintas longitudes de onda. Esta característica permite que se originen los efectos de dispersión. El índice de refracción n de una sustancia determinada, es decir la razón de la velocidad de la luz en el vacío, a la velocidad de la luz en esa sustancia, depende fundamentalmente de la correspon-diente longitud de onda aplicada. En el caso del cuarzo y con luz infrarroja, este índice decrece cuando se incrementa la longitud de onda. La magnitud n vale para ondas luminosas que se propagan con solamente con una única longitud de onda y con amplitud constante. Pero en este caso la onda no transmite información, ello solo se logra si se modula la misma. En transmisiones ópticas digitales la modulación se realiza por medio de pulsos luminosos. Estos pulsos son grupos de ondas luminosas de corta duración y de diferentes longitudes de onda. Luego las ondas integrantes no se propagarán a la misma velocidad. Por ello, se debe considerar la velo-

cidad del grupo, para lo cual se define el índice de refracción del grupo ng, la que está dada por la

relación:

La expresión dn /d es negativa, para la gama de longitudes de onda consideradas, luego el índice de refracción de grupo ng, resulta mayor que el índice de refracción n. Para calcular los tiempos de

propagación de señales ópticas, debe utilizarse únicamente el índice de refracción de grupo ng.

Se destaca que ng presenta un mínimo para las cercanías de 1300 nm de longitud de onda, es decir

que posibilitará las mayores velocidades de transmisión para esa sustancia. Las variaciones de n y

de ng, en función de una onda luminosa originan valores de , los que se pueden graficar (Fig. 5).

Los pulsos luminosos se propagan por la fibra con la velocidad de grupo Cg, que corresponde a la

relación entre la velocidad de la luz en el vacío C y el índice de refracción de grupo, en el núcleo ng

(el que a su vez es función de la longitud de onda ).

El tiempo (tg), que el grupo insume en el recorrido de una fibra óptica de longitud (L), será:

Cg = C / ng

dn

ng = n -

d

tg = L / Cg = ng (L / C) [3]

n2 C1

=

n1 C2 Ley de Snell


7

Fig. 5 - Índice de refracción n () y de grupo ng (), para 100% de SiO2

Ángulo Límite Vimos que un rayo se reflectaba desde una sustancia menos densa a una más densa aproximándo-se a la normal. Inversamente, si incidimos un rayo desde una sustancia más densa a una menos

densa se aleja de la norma. En ese caso, llegará a un valor de ángulo límite 0 en el cual el rayo re-

flejado se propagará sobre la superficie de separación.

Superado ese valor de ángulo 0, se obtendrán solamente rayos reflejados. Es decir que los rayos

incidentes no pasan, escapando a la sustancia menos densa, sino que se propagan solo en la sus-tancia más densa. A este fenómeno se le denomina reflexión total y en ese caso se cumple que:

como: sen = sen 90º = 1, resulta: Ejemplos de ángulos límites son:

Para vidrio con n1 = 1.5 y aire con n0 = 1 se tiene: sen 0 = 1 / 1.5 0.67 ≡ 0 42º

Para agua con n1 = 1.333 y aire, n0 = 1 resulta: sen 0 = 1 / 1.333 0.75 ≡ 0 49º

Apertura Numérica La reflexión total puede ocurrir únicamente, cuando un rayo luminoso incide desde una sustancia

ópticamente más densa (vidrio con n1 = 1.5), sobre otra menos densa (aire con n2 = 1) y no en el

caso inverso.

En una fibra óptica al disponerse un núcleo formado por un vidrio con índice de refracción n1 y ro-

deada de un revestimiento con un vidrio de densidad n2 y donde n1 tiene un valor levemente supe-

rior (10%) a n2, se aplica el fenómeno de reflexión total.

En ese caso, los rayos incidentes dentro del núcleo, no escapan a la sustancia menos densa, sino que se propagan rebotando siempre dentro del mismo (Fig. 6).

sen 0 n2

=

sen n1

600 800 1000 1200 1400 1600 nm ()

(n) 1.49

1.48

1.47

1.46

1.45

1.44

1.43

ng ()

Índices de refracción

n ()


Fig. 6 - Trayecto del rayo de luz en una fibra óptica Si se cumple la relación de ángulo límite, todos los pulsos de luz (Láser o infrarrojo) con ángulos

menores a (90º - 0), serán reflejados manteniéndose dentro del núcleo sin escape al exterior.

Para acoplar un rayo luminoso, desde el exterior al núcleo, se debe de cumplir que:

Con n0 del aire igual a uno, será: sen = n1·· cos 0 = n1 1- sen2 0

En reflexión total será: Luego resulta:

Al máximo ángulo de acoplamiento max se le denomina ángulo de aceptación de la fibra óptica y al

seno del ángulo de aceptación se le denomina apertura numérica (AN) de la fibra. La apertura numérica define el concepto de transmisión del rayo en la fibra. La rotación del ángulo

de aceptación máximo max define al cono de aceptancia (Fig. 7).

Fig. 7 - Cono de aceptancia

A. 7. 1. 3. 7. Óptica Ondulatoria

Dado que el diámetro del núcleo de una fibra óptica se halla típicamente entre 10 y 100 m, es decir algo mayor que la longitud de onda de la luz infrarroja transmitida por ese núcleo, aproximadamente

alrededor de 1 m, ocurren fenómenos de interferencias que solo se pueden describir mediante la ayuda de la física ondulatoria. En general se denomina interferencia, a la superposición de dos o más ondas y su combinación pa-ra formar una onda única. La interferencia típica se obtiene, solo cuando ambas tienen una misma longitud de onda y una diferencia de fase constante en el tiempo. Si en un determinado punto del espacio, ambas ondas presentan una diferencia de fase igual a un

múltiplo entero de , se produce una suma de sus amplitudes. En cambio, si esa diferencia de fase

es igual a un múltiplo entero de ½ , se produce una resta de sus amplitudes. En este caso, si am-bas amplitudes son iguales se produce una anulación total de las dos ondas.

n1 > n2

ángulo de aceptación

aire n0 = 1

núcleo n1

revestimiento n2

sen n1

=

sen (90º - 0) n0

n2

m

ax n1

n2

sen = n1 1- (n2 / n1)2

sen = n12 -- n2

2 = AN


9

A este tipo de ondas se le denominan ondas coherentes. Para la transmisión de luz por fibras ópti-cas fue necesario encontrar fuentes luminosas coherentes o sea las que emiten una luz lo más co-herente posible. La luz Láser (Light Amplification by Stimulatated Emission of Radiation), luz por radiación de emi-sión estimulada, puede ser altamente coherente tanto temporánea como espacialmente o ambos. La luz láser se produce tanto en luz visible como infrarroja y menos común en la región del espectro de electromagnético ultravioleta. Para ello, los átomos son excitados por la descarga eléctrica a través de un gas, o por la corriente a través de un diodo de estado sólido. Esta experiencia produce una transición del nivel de energía, de lo que resulta la emisión de un flujo de fotones. Algunos haces de tipo Láser, tienen la conformación de pulsos de luz, otros constituyen ondas con-tinuas. Los haces Láser pueden ser modulados por señales de muy ancho de banda. Las modula-ciones digitales ópticas utilizadas son de 8, 35 y 140 Mb/s. Los emisores Láser son diodos luminosos. Estos brindan emisión de luz forzada, lo que da la posibi-

lidad de contar con diferencias de fases constantes a igual . Con ello, aparecen interferencias en la fibra óptica, que producen la propagación de la luz por su núcleo, a determinados ángulos. Estos ángulos corresponden, a direcciones en las cuales las ondas asociadas al superponerse se refuerzan, como suma de amplitudes. A este fenómeno de interferencia se le denomina interferencia constructiva. Las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse por el núcleo de una fibra óptica, se denominan modos. También se las llama, ondas naturales o fundamentales. Estos modos de pro-pagación se pueden determinar matemáticamente, mediante las Ecuaciones de Maxwell. Las ondas fundamentales o modos, presentan superficies de ondas planas, por lo que se pueden

polarizar linealmente. De allí la denominación, LPvu., donde v y u son los índices modales.

Podríamos efectuar un ejercicio reflexivo. Porqué dos fuentes luminosas, dos lámparas incandes-centes que superponen sus rayos de luz, no presentan efectos de interferencia?. La respuesta se halla en el proceso de emisión de los filamentos incandescentes, que brindan luz incoherente. Debido a sus fenómenos espontáneos aleatorios de emisión, cada átomo de los filamentos, emite destellos luminosos de cortos trenes de onda, con duración de aproximadamente 10-8 s. Considerando la velocidad de la luz en 300.000.000 m/s, cada tren de onda tiene una longitud de unos 3 m. A esta longitud se la denomina longitud de coherencia. La superposición de los trenes de onda de tal longitud, no ocasiona interferencias, sino solo iluminación.

A. 7. 1. 4. Parámetros Ópticos La calidad de transmisión en una red óptica incumbe a los parámetros mensurables en las fibras ópticas constituyente. Los principales parámetros para el estudio de las redes ópticas son la atenuación y la respuesta de frecuencia de banda base que limita su ancho de banda de trabajo. Ambos factores deben considerar las propiedades de la fibra, la longitud del cable, el espaciamiento de regeneradores de pulsos, sus conexionados y empalmes. La atenuación y el ancho de banda, son producidos por fenómenos físicos tales como la absorción y la dispersión. La atenuación describe la las pérdidas de potencia lumínica a lo largo del trayecto descrito por la fibra óptica, mientras que la difracción constituye un actuación dispersiva (Fig. 8).


Señal de entrada Señal de salida

Atenuación

Dispersión

modo 1 modo 2 modo 3

Atenuación + Difracción

Fig. 8 - Efectos de atenuación y difracción

Veamos las causas que provocan el efecto de atenuación, para estudiar seguidamente los distintos casos de difracción. Debido a que los distintos efectos de difracción se anulan o minimizan por medio de la modificación de los perfiles de la fibra óptica, describiremos la evolución de los perfiles en su relación vincular.

A. 7. 1. 4. 1. Atenuación La pérdida de energía lumínica en líneas de fibra óptica, se expresa en valores de atenuación como unidades de dB /Km, dependiendo éstos de la longitud de onda de trabajo empleada o frecuencia moduladora (Fig. 9). La atenuación se podrá clasificar según tres grandes categorías: Pérdidas por factores intrínsecos a la fibra Atenuación Pérdidas por factores extrínsecos a la fibra

Modos fugados

Fig. 9 - Atenuación en función de la frecuencia moduladora

0.1 1 MHz 10 100 1 GHz 10 100 1 THz fr

fibra multimodo de índice gradual fibra monomodo

fibra multimodo de índice escalonado

cable con aislamiento de polietileno cable coaxial de 4.4 mm cable coaxial de 9.5 mm

Atenuación (dB / Km)

1000 100

10

1 0.1


11

A. 7. 1. 4. 2. Factores Intrínsecos a la fibra Las pérdidas de atenuación clasificadas, como debida a factores intrínsecos a la fibra, obedecen a la composición del vidrio y del rayo lumínico y los podemos clasificar a su vez, debido a la absorción y a la dispersión de los rayos. La absorción, se origina debido a los rayos infrarrojos (IR), a los rayos ultravioletas (UV). La difusión, se origina debido a la difusión de Rayleigh, de Mie y de Brillouin y Raman. a rayos infrarrojos (IR) Por absorción a rayos ultravioletas (UV) Factores intrínsecos difusión de Rayleigh

Por esparcimiento difusión de Brillouin y Raman

difusión de Mie.

Por absorción

a) En infrarrojo, limita el trabajo a altas longitudes de onda.

b) En ultravioleta, es despreciable para > 1 m

Por esparcimiento

a) Difusión de Rayleigh, se refiere a micro inhomogeneidades de orden menor a las longitu-

des de la onda transmitida, que provocan fluctuaciones de la corriente dieléctrica. Estas in-homogeneidades se deben a fluctuaciones de densidades, burbujas, fisuras y /o imperfec-ciones en la guía de onda. En este caso, cuando la luz se propaga se genera luz en otras direcciones, dispersión de la onda electromagnética, distintas a la propagación deseada, denominada Luz de Tyndall. Este es un fenómeno fundamental y no puede ser eliminado. El valor de la atenuación debido a esta e factor es proporcional al índice de refacción, la

temperatura absoluta y la longitud de onda empleada n8 T /

4

b) Difusión Mie, corresponde a inhomogeneidades del mismo orden de ,. Ocurre en el senti-do de propagación y no pueden separarse del efecto que produce en los modos de alto or-den. Este es un fenómeno no dependiente de la frecuencia. En fibras de mala calidad, causan principalmente retrodifusión, o sea que una pequeña porción de la potencia lumi-nosa se difunde en sentido hacia el emisor.

c) Difusión estimulada de Brillouin y Raman, se debe a la iteración entre el material y la señal

óptica no lineal presente, superado un cierto umbral de densidad de potencia óptica. Este fenómeno, limita la potencia a transmitir.

A. 7. 1. 4. 3. Factores Extrínsecos a la fibra Los factores de pérdidas clasificados con extrínsecos a la fibra, intervienen en la fabricación de la fi-bra y /o en su cableado. Ellos se pueden catalogar también, como debido a la absorción o al espar-cimiento. A su vez debido a la absorción se divide en por impurezas de iones metálicos o por radica-les OH, y debido al esparcimiento, en por microcurvaturas o por macrocurvaturas. a impurezas de iones metálicos Por absorción a radicales OH Factores extrínsecos microcurvaturas Por esparcimiento macrocurvaturas


Por absorción

b) Los radicales OH- absorben en distintas bandas la energía lumínica. Las bandas de mayor

absorción, que afecta a la propagación óptica, son las que corresponden a la longitud de

onda de 0.85 m, 1.39 m y 1.55 m. Por ejemplo, una concentración de 1 ppm (parte por

millón) de OH- , ocasiona una atenuación de 0.1 dB /Km a 800 nm, 1 dB /Km a 950 nm,

1.7 dB /Km a 1240 nm y 35 dB /Km a 1390 nm de ..

b) Pequeñas contaminaciones por impurezas de iones metálicos del cobre Cu, níquel Ni, hie-rro Fe, manganeso Mn, cobalto Co y cromo Cr, producen elevadas pérdidas de energía de

luz, en una fibra óptica de dióxido de silicato SiO2. Cada una de estas, afectando con dis-

tinta cuantía. Por ejemplo,1 ppm de Cu provoca una atenuación de varios dB /Km a 880

nm de .

Por esparcimiento

a Microcurvaturas (microbending). Se refiere a ejercer curvaturas de la fibra óptica, en un

tamaño de la guía de onda óptica (waveguide scattering) que causan transferencia de energía fuera de la misma.

b Macrocurvaturas. Similar al caso de microcurvaturas, las pérdidas se producen en valores

de torsión fuera de norma para esa fibra óptica. El aumento de atenuación es función de la curvatura que se somete a la fibra.

El radio de curvatura admisible especificado, para un cable de 48 fibras, es de 60 cm, lo que impide cualquier curvatura excesiva. Los riesgos se presentan en las cajas de empalmes, si no se cumplie-sen los correctos recorridos preestablecidos, que mantienen curvaturas superiores a unos 5 cm, pa-ra cada fibra.

Atenuación por modos fugados El acoplo normal ente modos, permite una distribución de equilibrio en un trayecto rectilíneo. La dis-persión de energía debida al acoplo nodal se denomina modos fugados. Al curvar una fibra óptica, la componente transversal del campo de propagación, resulta en un campo de fuga y modos fuga-dos. Se trata de ondas que se encuentran en la gama límite entre los modos guiados y los que no son capaces de propagarse. Parte de estos modos, circulan por el revestimiento a velocidad mayores y se pierden en un corto trayecto. A ese campo de fuga se le denomina flujo evanescente. El mismo está asociado a tales modos, con la consiguiente pérdida de potencia óptica. Este tema, es visto con mayor detenimiento, al tratarse seguidamente, el perfil gradual de las fibras multimodo.

Ventanas ópticas de transmisión Una ventana se corresponde a los menores valores de atenuación proporcionada por la fibra óptica, según el rango de longitudes de onda posibles de usar. Una longitud de la onda utilizada para un sistema dado, se debe referir siempre a la ventana correspondiente, empleada en la fibra óptica. Para la transmisión de luz por fibra óptica se utilizan, hasta el presente, tres rangos de frecuencias, aquellos en los que las fibras muestran menor absorción, son las bandas alrededor de 0.85, 1.30 y

1.55 m. Se encuentran por lo tanto en la zona infrarroja del espectro, la zona de luz visible está entre 0.4 y

0.7 m. Estas bandas, denominadas ventanas de transmisión de la fibra, se les llama respectiva-mente, de primera, segunda y tercera ventana.


13

VENTANAS ÓPTICAS

LONGITUD DE ONDA

(m) (10-6

m) LONGITUD DE ONDA

(nm) (10-9

m) FRECUENCIA

(THz) LUZ

0.400 - 0.700 400 - 700 750 - 429 visible

1º ventana 0.850 850 353 IR

2º ventana 1.310 1310 229 IR

1.400 1400 214 IR

3º ventana 1.550 1550 193 IR

1.600 1600 188 IR

Se está trabajando en laboratorios de investigación con ventanas, en bandas mayores a 1.6 m y

también entre 1.3 y 1.55. El pico de atenuación alrededor de los 1.4 m, se debe a valores de hidroxilo como residuos de agua dentro del vidrio, por ello se buscan fibras especiales y perfiles que eviten sus efectos. La primera ventana tiene la mayor atenuación, solo se la utiliza para fibras multimodo. Se adopta mayormente la tercera ventana, pues dispone del menor valor de atenuación, que se aplica en fi-bras monomodo para cubrir grandes distancias sin emplear repetidores. Para analizar los efectos de absorción que introduce cada tipo de fibra óptica se debe determinar el tipo y cantidad de iones de impureza o radicales que contiene. Se observará los bajos niveles de contaminación intervinientes, lo que indica el grado de pureza requerido para su fabricación. Graficando estas características, se podrá estudiar la relación de pérdidas por atenuación respecto a las distintas longitudes de onda (Fig. 10).

Fig. 10 - Factores contaminantes de atenuación

Los distintos factores de atenuación, como ser la absorción de rayos ultravioletas, la disper-sión de Rayleigh, los oxidrilos, la absorción de rayos infrarrojos, etc., para una fibra óptica dada, definen la atenuación total resultante y con ello las posibles ventanas de transmisión (Fig. 11).


Fig. 11 - Ventanas de transmisión óptica

Los valores de atenuación varían, para las distintas ventanas y entre los distintos tipos de fibra ópti-ca utilizados, como se muestra en la siguiente tabla:

VALORES DE ATENUACIÓN PARA DISTINTOS TIPOS FIBRAS (dB /Km)

TIPO DE FIBRA Núcleo

(mm)

Revestimiento

(mm)

Ventana

850 nm 1300 nm 1550 nm

Monomodo 5 85 - 125 2.3 - -

Monomodo 8.1 125 - 0.5 0.25

Multimodo 50 125 2.4 0.6 0.5

Multimodo 62.5 125 3.0 0.7 0.3

Multimodo 100 140 3.5 1.5 0.9

Para nuestra mejor comprensión, podremos ubicar tales longitudes de onda empleadas, dentro del espectro electromagnético. Las ondas inferiores, mas cortas, se emplean para distintos sistemas, eléctricos, de telecomunica-ciones y para tratamientos terapéuticos, mientras que las superiores corresponden al espectro ópti-co, es decir la radiación ultravioleta, la luz visible, los rayos X y los rayos gama (Ver Anexo X). Las ondas superiores del espectro óptico, son empleadas para tratamientos medicinales, mientras que el espectro útil para telecomunicaciones, se ubica restringido casi exclusivamente a un sector de las ondas de luz infrarroja.


15

DESCOMPOSICIÓN DEL ESPECTRO ÓPTICO

LUZ LONGITUD DE ONDA

m nm

Radiación ultravioleta 0.00075 - 0.100 0.75 - 100

Luz ultravioleta

Espectro

óptico

0.100 - 0.350 100 – 350

Violeta

Luz

visible

0.380 380

Azul 0.480 480

Verde 0.540 540

Amarillo 0.580 580

Naranja 0.620 620

Rojo 0.780 780

Luz infrarroja 0.800 - 1.600 800 – 1600

Radiación infrarroja 1.600 – 5000 1600 – 5000000

A. 7. 1. 5. Perfiles Se denomina perfil del índice de refracción de una fibra óptica, a la variación del índice de refracción en función de la distancia al eje de la fibra. Hemos visto que se dispone principalmente de dos tipos de fibras la multimodo y la monomodo, en el análisis de la marcha del rayo de luz observamos que se organizaba en dos índices de refracción,

n1 para el núcleo y n2 para el revestimiento.

Estos casos son los denominados de perfil tipo escalón, ya que el cambio de índices de refracción es abrupto. Existen otros distintos perfiles, que mejoran la calidad de propagación de los modos en la fibra. En forma general se dirá, que el perfil del índice de refracción de una fibra óptica, es el valor del índice de refracción n en función de su radio r. En la práctica interesan los perfiles exponenciales, es decir aquellos perfiles de índices de refrac-ción, que presentan una variación exponencial del radio. Los perfiles exponenciales, responden a la expresión:

para el núcleo (r < a)

para el revestimiento (r a)

donde:

n1 índice de refracción en el eje del núcleo (r = o)

r distancia del eje de la fibra, m

a radios del núcleo, m g exponente del perfil n2 índice de refracción del revestimiento

diferencia normalizada de índices de refracción = AN2 / 2 n21 = (n2

1 - n2

2) / 2 n21

n2(r) = n2

1 [ 1- 2 (r /a)g ]

n2(r) = n2

2 = cte


Casos particulares del valor de g son (Fig. 12): g = 1 : perfil triangular g = 2 : perfil gradual parabólico

g = : perfil escalonado

Fig. 12 - Perfiles de índices de refracción de fibras El índice de refracción es constante en el núcleo para el perfil escalonado, mientras que en el resto de los perfiles se incrementa en forma gradual. El perfil gradual de tipo parabólico es el más utiliza-do, por presentar muy buenas características técnicas para la conducción de la luz. Otra relación importante utilizada, es el parámetro estructural V:

A. 7. 1. 5. 1. Cantidad de Modos Llamamos ondas fundamentales o modos, a las ondas luminosas permitidas susceptibles de propa-garse por el núcleo de una fibra óptica. También vimos, que existen dos grandes grupos de fibras ópticas, las que propagan múltiples modos y las que admiten un solo modo. Seguidamente efectuamos un integral análisis de ambos grupos, sus parámetros y propiedades. Se toma en forma aproximada, la cantidad N de modos conducidos en el núcleo para un perfil ex-ponencial g como:

Para un índice escalonado se toma: N V2 / 2

Mientras que en un perfil gradual es: N V2 / 4

Sea una fibra óptica de perfil gradual, con:

2a = 50 m AN = 0.2

= 1 m

El parámetro estructural V es: V = 2 (a / ) AN = (2 50 / 2) 0.2 31.4

y la cantidad de modos es: N V2 / 4 = 31.42 / 4 247

2 a

V = AN [4]

-r a 0 a r

n(r)

n1 (núcleo) n1 (max).

n2 (revestimiento) transición n 1 / n 2

V2 g

N 2 (g + 2)


17

A este tipo de fibra óptica, que disponen de varios modos, se las denominan fibra multimodo. De la fórmula, vemos que si deseamos disminuir el número de modos se deberá reducir el diámetro de núcleo 2a y /o la amplitud numérica AN, y /o aumentar la longitud de onda. No es conveniente disminuir la AN, pues de ella depende el mejor acoplamiento del emisor a la fibra óptica. Disminuir el diámetro de la fibra, dificulta la operación y encarece los componentes de co-nexionado. Por otra parte, es dificultosa y costosa la fabricación de emisores y receptores para fre-cuencias muy elevada. Si en un conductor con perfil escalonado, el parámetro V se reduce hasta un valor inferior a 2.405

se puede obtener una fibra óptica con un solo modo, denominado modo fundamental LP01. El valor

2.405 se determina mediante el análisis de las Ecuaciones de Bessel. A este tipo de fibra óptica, que dispone de un solo modo, se le denomina fibra monomodo. A pesar de disponer estas fibras de un solo modo, existen en ella dos modos de polarización con ondas fun-damentales que oscilan en dirección perpendicular entre sí.

A. 7. 1. 6. Factores de dispersión Se entiende por dispersión al fenómeno por el cual, al inyectarse un determinado número de fotones (partículas asociadas a la energía electromagnética), en un extremo de una fibra óptica y en defini-do instante, los mismos se identificarán en el otro extremo en tiempos distintos. Los factores de la dispersión se pueden clasificar como modal y cromática, la que a su vez está compuesta por efec-tos del material y de guía de onda.

modal Dispersión del material cromática

de guía de onda Los factores adversos generadores de dispersión son contrarrestados modificando los perfiles de los índices de refracción. Al disminuir la dispersión, posibilitamos obtener alcances de la línea mayo-res. Evitamos con ello en muchos casos, la inclusión de regeneradores de pulsos. Las definiciones de cada uno de estos factores de dispersión, se exponen al considerar cada caso que estudiaremos en particular, para la fibra multimodo y para la fibra monomodo.

A. 7. 1. 6. 1. Dispersión en Fibra Multimodo Las fibra óptica multimodo usuales podrá tener perfil del tipo escalón o de índice gradual.

Perfil Escalón Sean las dimensiones de una fibra óptica multimodo con perfil escalón de:

Diámetro del núcleo 2a 100 m

Diámetro del revestimiento D 140 m

Índice de refracción del núcleo n1 1.48

Índice de refracción del revestimiento n2 1.46

La apertura numérica es: AN = sen = n12 - n2

2 0.242, luego 14º


La diferencia normalizada de índices de refracción es:

= AN2 / 2 n2

1 = 0.2422 / 2 1.48

2 0.0134% 1.34 %

El parámetro V, con = 850 nm es: V = (2a / ) AN = ( 100 / 0.85 ) 0.242 89.4

Luego resulta tener un número de nodos aproximado a N V2

/ 2 = 89.42 / 2 4000

Con estas características, en el extremo inicial, cada uno de los distintos modos es excitado con un ángulo diferente, luego tendrán trayectorias distintas y distintos tiempos de llegada al otro extremo (Fig. 13).

Fig. 13 - Trayectos de los modos de un rayo de luz en una fibra con perfil escalonado

La relación entre tiempos máximos y mínimos es del orden, de la diferencia normalizada de los índi-

ces de refracción ( 1%). Luego, sea una fibra, con las características dadas y de 1 Km de longi-

tud, la luz tarda unos 5 s en recorrerla (1 / 2 105). Entonces t 5 s · 1% = 50 ns

La distorsión producida en los distintos modos, por estas diferencias de tiempos, se denomina dis-torsión modal. La misma causa el ensanchamiento del pulso luminoso en su trayecto, ello constituye una desventa-ja en las telecomunicaciones ópticas, pues reduce la velocidad de transmisión o sea la cantidad de bits por unidad de tiempo y de su ancho de banda.

Perfil Gradual La dispersión modal en una fibra óptica multimodo se podrá reducir considerablemente, si se provee un perfil de índice gradual, donde el índice de refracción en el núcleo disminuye en forma parabóli-

ca, desde un valor máximo n1 en su eje, hasta un valor mínimo n2 en su límite con el recubrimiento.

Entonces, los rayos luminosos recorren la fibra óptica describiendo trayectorias onduladas helicoida-les. En el perfil de índice gradual, la fibra esta constituida como si tuviera capas concéntricas de distinto valor del índice de refracción. En ese caso, si bien los rayos que oscilan lejano al eje deben recorrer un camino más largo que el que realizan los rayos cercanos al eje, desarrollan una mayor velocidad, proporcional al menor índi-ce de refracción que tiene el material en los puntos más alejados del eje, y así se compensa en el tiempo el recorrido (Fig. 14).

Fig. 14 - Trayectos de los modos de un rayo de luz en una fibra con perfil gradual

índice de refracción del revestimiento n2

índice de refracción del núcleo n1

índice de refracción del

revestimiento n2

índice de refracción

del núcleo n1

Ordenes menores Órdenes mayores


19

Como resultado de esta compensación, desaparece las diferencias de tiempo en los recorridos. Se

obtienen para fibra óptica de 1 Km, tiempos de recorrido de 5 s y dispersiones solo algo mayores a 0.1 ns.

Para una fibra óptica con un perfil gradual, en la expresión de perfil exponencial se debe considerar g = 2. Fuesen las dimensiones de una fibra multimodo de perfil gradual:

Diámetro del núcleo 2 a 50 m

Diámetro del revestimiento D 125 m

Índice de refracción máximo del núcleo n1 1.46

Diferencia de índices de refracción 0.010 En tal fibra, se produce una exigua diferencia del tiempo de recorrido, algo mayor a 0.1 ns, medido

para una fibra de 1 Km y con un tiempo total de recorrido de 5 s. Esta diferencia del tiempo de recorrido, se produce por la dispersión del material y también por la denominada dispersión del perfil. El cálculo de la dispersión del material se verá en fibras monomo-do. La dispersión del perfil se origina, en virtud de que los índices de refracción varían en el núcleo y en el revestimiento de diferentes maneras con la longitud de onda.

En consecuencia varían, tanto la diferencia de índices de refracción, como el exponente del perfil

g, en función de la longitud de onda .

Como en este caso el índice de refracción n1, depende de la distancia r al eje del núcleo, también lo

será el ángulo de aceptación . Este ángulo es de suma importancia para el acoplamiento de la luz al núcleo. La apertura numérica vale en este caso:

Luego será:

Modos Fugados Existen otros tipos de modos, los que son en parte guiados y en parte reflejados. Estos modos, son muy amortiguados y con limitadas posibilidades de propagación, a los que se los denominan modos fugados. La dispersión por modos fugados, tiene su origen en que los modos de orden próximo intercambian energía con los modos colindantes, es decir que cada modo no está solo, sino que convive en un in-tercambio energético con los modos contiguos. Los modos de orden superior son atenuados en mayor grado. La variación del índice de refracción en el núcleo en función de su distancia al eje de la fibra, afecta a la transferencia entre los modos. Este acoplamiento de los modos de propagación, produce una distribución de equilibrio de energía modal en su desplazamiento. Desde el punto de vista cuántico, la energía emitida por un fotón de luz, se dispone en un campo plano de modo transversal a la dirección de propagación. Si este tra-yecto es rectilíneo, el campo se mantiene en forma plana actuando la fibra como guía de onda. En trayectos curvos, el campo transversal debería tomar en algunos puntos, velocidades superiores, para mantener el campo plano. Esto produce un desacople y fuga de energía fuera del núcleo circu-lando energía por el revestimiento, fenómeno que se denomina de modos fugados.

AN = sen = n1 2 1.46 2 (0.01) 0.206

máx 11.9º


De la componente transversal resulta en un campo de fuga denominado flujo evanescente asociado a ese modo, con la consiguiente pérdida de potencia óptica. Cuanto mayores son las longitudes de

onda, tanto más se incrementa la penetración del modo fundamental LP01, desde el núcleo al reves-

timiento. Como el revestimiento tiene un índice de refracción menor que el núcleo, resultando mayor la velo-

cidad total del modo fundamental, a esa longitud de onda ,. Dentro del ancho espectral se tendrá un promedio ponderado de las velocidades de propagación total, en el núcleo y en el reves-timiento.

A. 7. 1. 6. 2. Dispersión en Fibra Monomodo La dispersión modal la podemos eliminar totalmente dimensionando una fibra monomodo de mane-

ra que conduzca a un único modo, el modo fundamenta LP01 (Fig. 15).

Fig. 15 - Trayecto del rayo de luz en una fibra óptica monomodo

Sin embargo, sucede que este único fundamenta LP01, también se ensancha en el tiempo al atrave-

sar a este tipo de fibra, por causa del material constitutivo, denominándose a este efecto dispersión en el material. La dispersión del material, se refiere, a la luz que viaja por la fibra no es monocromática, lo que pro-duce el efecto de que cada componente de luz viaje a distintas velocidades, causando en la recep-ción un ensanchamiento del pulso. La dispersión del material Mo se calcula derivando al índice de refracción de grupo con respecto a la longitud de onda:

El índice de refracción de grupo presenta un mínimo para el vidrio de cuarzo en = 1300 nm, luego

su derivada se anula y Mo() toma un valor despreciable. Variando el dopado del vidrio, podemos

modificar Mo() a valores mínimos, tanto en fibras monomodo como en multimodo. Además, en una fibra óptica monomodo existe la llamada dispersión por guía de ondas, resultante

de la distribución de la luz del modo fundamental LP01 entre el núcleo y el revestimiento.

Esta dispersión por efecto de guía de onda, se debe a la minúscula estructura del núcleo de la fibra

monomodo, con diámetros del orden de 8 m, el cual produce que la energía óptica se propague no solo por el mismo, sino también por el revestimiento.

Cuanto mayor es la longitud de onda tanto mayor es la penetración, indicando la dispersión por

efecto de guía de onda como M1(). Debido a este efecto se especifica y emplea para las fibras

monomodo el diámetro del campo modal, núcleo mas parte del revestimiento, valores del orden de

9 1 m. Este diámetro modal es el que define la concentración de potencia transmitida.

1 dng () 1 d tg()

Mo() = de [3] resulta: [ps / nm Km] C d L d

índice de refracción del núcleo n1 > n2

índice de refracción del revestimiento n2


21

La combinación de ambas, dispersión en el material y dispersión por guía de ondas, se le denomina

dispersión cromática. La misma, tiene un valor: Mo() + M1() = M() (Fig. 16)

Fig. 16 - Composición de la dispersión cromática Al modificar el núcleo a monomodo se han obtenido reducidos valores de dispersión, consecuente-mente sería conveniente hacer mínima o nula la dispersión cromática, al valor de longitud de onda de trabajo. Al ser la dispersión cromática combinación de la dispersión del material y de la disper-

sión guía de onda, además al ser sus efectos opuestos, para el vidrio de cuarzo SiO2, en longitudes

de onda mayores a 1300 nm, podremos anular los mismos de acuerdo a la longitud de onda o sea de la ventana a utilizar. Esto se logra modificando los perfiles del núcleo y del revestimiento, resultando como veremos más adelante, los perfiles múltiples. Por tratarse primordialmente de las propiedades del material, esta dispersión se produce en general en todos los tipos de fibras. Sin embargo, la dispersión cromática resulta relativamente pequeña frente a la dispersión modal, para las longitudes de onda que van desde los 1200 nm a los 1600 nm. Las fibras ópticas monomodo, logran atenuaciones del orden de 10 veces menor, a las fibras ópti-cas multimodo. Si la dispersión fuese nula, el ancho de banda sería infinito. Ello no ocurre, pues aunque se anule la dispersión modal subsiste la dispersión cromática o intramodal. La acepción cromática indica irisa-ción de la luz, o sea descomposición en los distintos tonos de colores del arco iris. El tiempo de retardo como consecuencia de las atenuaciones debidas a las distintas causas de dis-persión, es función directa del apartamiento de la longitud de onda para la cual fue diseñada esa fi-bra óptica. Si la fibra se ha diseñado para 1300 nm, en esa longitud será mínimo el tiempo de retar-do. El ensanchamiento del pulso debido al fenómeno de la dispersión cromática en la fibra, se expresa como: Donde:

ensanchamiento del pulso óptico por dispersión L longitud total del cable Dc dispersión cromática

ancho espectral de la fuente del pulso

dispersión en el material

dispersión cromática

dispersión en la guía de ondas

1100 1300 1500 1800 nm

ps / nm Km

40

32

16

0

- 16

- 32

-40

Dispersión

= L Dc


La dispersión cromática es un parámetro característico de cada fibra, depende de la longi-tud de onda de trabajo y la del cable Dc = / L , de donde resultan sus unidades expre-sadas como: [ ps / (nm Km) ]

Diámetro del Campo de Modos En una fibra óptica monomodo no se define el diámetro del núcleo 2a, sino en cambio, el diámetro

del campo modal 2 w0. La distribución luminosa del campo principal o densidad de potencia lumíni-

ca, es de suma importancia para evaluar las pérdidas resultantes de acoplamientos, curvaturas y empalmes de la fibra. Para describir esta distribución se ha definido el concepto de amplitud del

campo de modos y el radio del campo de modos w0.

Se designa con w0 al radio para el cual la amplitud radial del campo, tenga un valor igual a:

1/e = 1 / 2.71828 de su máximo en el eje, aproximadamente 37% del mismo (Fig. 17):

Fig. 17 - Amplitud del campo de modos normalizada, en función del radio normalizado

El radio del campo w0 es una función directa de la longitud de onda. Si el radio del campo w0, está

referido al radio del núcleo a, es únicamente función del parámetro estructural V, el que depende a

su vez de la longitud de onda y de la apertura numérica AN (Ver [4] ). A fin de obtener una fibra óptica con perfil escalonado, de baja atenuación y por la cual las longitu-des de onda se propaguen únicamente en modo fundamental, es necesario reducir el diámetro del

campo 2 w0 hasta algo menos de 10 m. Una fibra óptica con estas características es una real fibra

óptica monomodo. Para ese caso debe cumplirse que el parámetro estructural valga:

V = 2.405 (1+2 /g )1/2

El valor de g a partir del cual la fibra óptica se comporta como monomodo, se denomina longitud de

onda de corte c, ( cutoff). La ITU-T define a c, como aquella donde la relación entre la potencia total y la potencia del modo fundamental es igual a 0.1 dB. Las fibra óptica monomodo se calculan

para una longitud de onda c, es decir para la cual el modo de segundo orden deja de propagarse.

Para este caso, en un perfil de índice abrupto (escalón), g tenderá a , resultando V = 2.405. Para una fibra óptica monomodo, en el rango de V entre 1.6 y 2.6, se puede utilizar la relación:

Amplitud del campo de modos normalizada

V = 1.5 2 3 1 1/e 0 1 2 3 radio normalizado = r /a

núcleo revestimiento

2.6

w0 a [5]

V


23

El rango de V indicado corresponde al rango de longitudes de onda, entre 1150 nm y 1875 nm, el que comprende a las usualmente empleadas de 1300 nm y 1550 nm. De esta relación se obtiene

que las fibras monomodo tengan diámetros cercanos a 9 m.

Perfil Múltiple

Vimos que en una fibra óptica monomodo, existen aún dos tipos de dispersión, la dispersión en el material y la dispersión por guía de ondas, además que la combinación de ambas se la denomina dispersión cromática.Variando la concentración de impurezas en el vidrio de cuarzo, se puede modificar la dispersión en el material a valores insignificantes. En cambio, la dispersión por guía de ondas se puede modificar variando la estructura del perfil de índice de refracción. En un perfil escalonado estándar, se anula la sumatoria de ambas

dispersiones en las cercanías de en 1300 nm. Para desplazar esta anulación de las dispersiones a otras longitudes de onda, es necesario modificar la dispersión por guía de onda. Por lo tanto, se debe de actuar sobre la estructura del perfil del núcleo y del revestimiento de la fibra óptica. Se llega así a estructuras de perfiles de índice de refracción múltiple, también llamados perfi-les segmentados. En estas fibras, se podrá obtener perfiles de fibras con dispersión nula desplazada más allá de los 1550 nm, son las fibras ópticas denominadas de dispersión desplazada. También se obtienen fibras que aprestan valores mínimos de dispersión entre 1300 y 1550 nm, son las fibras denominadas de dispersión aplanada o dispersión compensada (Fig. 18).

Fig. 18 – Diferentes dispersiones cromáticas según longitud de onda

Perfiles múltiples, de las fibras monomodo más comunes, son del tipo mostrados en la Fig. 19: Sin desplazamiento de la dispersión

19(a) perfil escalonado simple (simple step index ó matched cladding)

19(b) perfil escalonado con índice de refracción rebajado en el revestimiento (depressed cladding)

8

6

4

2

0

-2

-4

-6

-8

1300 1400 1500 1600 1700 nm

Dispersión cromática (ps / nm Km)

perfil escalonado estándar dispersión desplazada o de Shifter

dispersión aplanada o flattened

Fig. 19(a) Fig. 19(b)


Con desplazamiento de la dispersión (dispersión corrida) o de Shifter

19(c) perfil segmentado con núcleo triangular (segmented core)

19(d) perfil triangular (triangular profile)

19(e) perfil segmentado con doble escalón del índice de refracción en el revestimiento (double clad)

Con dispersión plana o flattened

19(f) perfil segmentado con cuatro escalones en el revestimiento (quadruple clad)

19(g) perfil W (double clad)

Distintas clases de perfiles del tipo segmentado, del tipo de dispersión desplazada o de Shifter, con

núcleo triangular, similar al de la figura 19(c), se emplean en Telefónica de Argentina, para longitudes de

onda de 1550 nm. Para estos perfiles, Telefónica de Argentina, establecen ciertos requisitos de control:

Longitud de onda de dispersión cero (0) entre 1525 y 1575 nm.

Valor de máxima dispersión cromática de 3.5 ps / (nm Km) en el rango de 1550 n 25 nm.

Máxima pendiente de la dispersión cromática 0.085 ps / (nm Km) para la longitud de onda de

dispersión cero 0. De tal forma se obtiene una fibra de alto rendimiento al trabajar en tercera ventana para transmisión en redes interurbanas. Pudiéndose laborar no obstante, en segunda ventana, para redes urbanas. En lo que respecta a la respuesta de frecuencia en banda base, se puede advertir que la dispersión de modos y la dispersión cromática, producen cuestiones a recalcar:

Dispersión de modos:

Para las fibras más largas, mayor será la distorsión.

Para mayor apertura numérica, es mayor la cantidad de modos afectados.

Son originados por defectos de la interfaz núcleo-revestimiento.

Son debidos a defectos en el interfaz del empalme.

Dispersión cromática

Dispersión del material: la luz no monocromática, ensancha el pulso.

Dispersión de guía de onda,: efecto mayor en fibra óptica monomodo.

Fig. 19(c) Fig. 19(d) Fig. 19(e)

Fig. 19(f) Fig. 19(g)


25

A. 7. 2. Fabricación de las fibras ópticas Las fibras de sílice /sílice dopado están constituidas por silicio en un 80 al 90% y por lo menos con un 10% de un óxido de dopaje. La incorporación del dopaje en variables concentraciones, permite el control del índice de refracción. Los dopantes comúnmente utilizados son óxido de germanio GeO2, de fósforo (P2O5), de boro G2O3) o de flúor (SiF4). Para obtener materiales de tan elevada pureza, se establece una reacción de compuestos en esta-do gaseoso, obteniendo un elemento madre llamado preforma. La preforma consiste en un cilindro que tiene un diámetro que oscila desde pocos milímetros hasta unos 20 mm y una longitud desde un metro a metro y medio. Se han empleado varios sistemas de fabricación, pero básicamente se recurrió a dos metodologías, de crisol y de preforma. Para grandes producciones y uso en telecomunicaciones se emplea solo el método de preforma. Para medicina, aeronáutica, redes de edificios o computadoras de corto alcan-ce, se suele utilizar el primer método. Para la fabricación de la preforma se emplean variados procedimientos:

- OVD, Outside Vapor Deposition (Corning Glass Works), - VAD, Vapor Phase Axial Deposition (NTT de Japón). - MCVD, Modified Chemical Vapor Deposition (Laboratorios Bell de USA), - PCVD, Plasma Chemical Vapor Deposition (Philips),

A. 7. 2. 1. OVD (Outside Vapor Deposition) Este método se efectúan en dos etapas, creación de la preforma y estirado de la preforma. En el denominado OVD (Outside Vapor Deposition), se efectúa la deposición sobre la superficie ex-terna de una varilla en rotación. Parte de una varilla de cerámica o grafito de un metro de longitud, la que recibe el nombre de sustrato y sobre la cual se depositan las sustancias dopantes, por ejem-

plo: metales halogenados de silicio SiCl4, de germanio GeCl4, de boro BCl3, y de fósforo PCl3, etc.

Se le suministra oxígeno O2 al quemador por lo cual estos compuestos se convierten en óxido, de

SiCl4 se obtiene SiO2, de GeCl4 se forma GeO2. y de POCl el P2O3, que van a constituir la fibra ópti-

ca. El quemador permanece fijo, mientras la varilla se traslada en vaivén y rota, por lo que la corriente de gases de reacción recorre la misma. Estos gases van depositando elementos dopantes sobre la superficie de la varilla, formando una capa uniforme a lo largo de ella (Fig. 20).

Fig. 20 – Depósito de dopantes del método OVD - Corning Glass Works

Variando la cantidad de sustancia dopante a la sustancia básica SiO2, se obtiene los distintos perfi-

les deseados, monomodo o multimodo. Una vez realizada la deposición de extrae la varilla de grafi-to, quedando un tubo hueco que es la preforma. Seguidamente, se incrementa la temperatura de la llama y somete la varilla a una temperatura de entre 1400 ºC á 1600 ºC, lo que hace que el tubo se contraiga "colapsado" y se transforme en una varilla de vidrio maciza.


Mientras se realiza esta operación, se inyectan alrededor de la varilla, gases secos, consistentes en oxigeno, helio y cloro. El helio penetra en el material, originalmente poroso, extrayendo los gases extraños, al mismo tiempo que el cloro remueve los vapores de agua. Posteriormente, esta varilla es llevada a una torre de estirado. El proceso de sinterización, estirado, se realiza en un horno de grafito a una temperatura de 2000 ºC. En una longitud de cuatro metros se controla la fuerza de tracción vertical según el valor del diámetro normado. Al mismo tiempo que se estira, se la pasa por un baño de acrilato para protegerla del medio ambiente y se la enrolla en un tambor horizontal (Fig. 21).

Fig. 21 - Proceso en torre de estirado Luego de este proceso se pasa a la máquina de cableado para la formación de los mismos.

A. 7. 2. 2. VAD (Vapor Phase Axial Deposition) En el método, deposición axial en fase de vapor VAD (Vapor Phase Axial Deposition), se efectúa la deposición de finas partículas de vidrio sintetizadas en la fase de vapor. Se parte de una varilla de grafito, uno de cuyos extremos se coloca dentro de un horno donde me-diante un grupo de quemadores se va logrando la deposición del material sobre la varilla. Se hace crecer así, una preforma en sentido axial. Al ser el crecimiento en el sentido de su eje, el método resulta ser continuo, para lo cual se desplaza la preforma manteniendo constante la distan-cia entre el quemador y la preforma. El proceso de colapsado y estiramiento es similar al método anterior OVD (Fig. 22).

Preforma

Horno eléctrico de grafito

Detección del diámetro de la fibra

Recubrimiento

primario

Detección del diámetro del

recubrimiento Cabestrante

Cabestrante Tensiómetro

Circuito de realimentación


27

Fig. 22 - Método VAD - NTT de Japón

A. 7. 2. 3. MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) El procedimiento, deposición de vapor químico modificado MCVD (Modified Chemical Vapor Deposi-tion), consiste en la deposición de vidrio por sustancias dopantes sobre la superficie interior de un tubo de silicio de 3 cm. de diámetro y un metro de longitud, el tiene un movimiento de rotación. Para producir esta deposición, se le suministra al tubo una temperatura de 1600 ºC, por medio de un quemador de gas que se desplaza en forma longitudinal. Simultáneamente, por uno de los ex-tremos ingresa una corriente de gases de reacción impulsado por una bomba de de vacío. Los elementos de reacción son gases de fósforo, tetracloruro de silicio y tetracloruro de germanio, los que se depositan en forma uniforme sobre la cara interna del tubo. Una vez depositadas las capas para el perfil elegido, se aumenta la temperatura de la llama, hasta lograr que el tubo se colapse. La varilla resultante integra el tubo primitivo empleado para efectuar el revestimiento (Fig. 23).

Fig. 23 - Método MCVD - Laboratorios Bell, de USA

El proceso de estirado es similar al empleado en el método OVD.

Varilla de alineación

Preforma transparente

Calentador de anillo Preforma porosa Partículas vítreas Soplete oxihidrógeno

Materias primas

SiCl4 + GeCl4 + PCl3

Materias primas

SiCl4 + BBr3

Vaporizador de gases

Tubo de silicio en rotación Vidrio sintético

Escape

Llama oxigeno hidrógeno

Movimiento de la llama


A. 7. 2. 4. PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition) El procedimiento, deposición de vapor químico activado por plasma PCVD, (Plasma Chemical Va-

por Deposition) es similar al anterior, como deposición sobre la superficie interior de un tubo de vi-

drio de cuarzo en rotación. El tubo se calienta a 1300 ºC y se introduce en una cavidad resonante de microondas. La energía es suministrada desde adentro con una llama de plasma. El estirado es similar al empleado para el procedimiento OVD. Este método presenta la ventaja de ser más rápido respecto al MCVD, visto con figura 22. Se logran atenuaciones menores a 0.2 dB /Km en 1550 nm y ancho de banda superiores a los 2 GHz Km en 1300 nm, con baja dispersión menor a 3.5 ps/(nm Km) entre 1290 nm y 1330 nm

A. 7. 3. Tipos y conformación de los cables ópticos Un cable de fibra óptica podrá estar conformado tanto por un solo par de fibras o por un número considerable de ellas. Se han creado cables de hasta 4000 fibras ópticas para uso medicinal. En re-des de telecomunicaciones se han instalado cables de hasta 2000 fibras ópticas. Para ello se utili-zan distintas configuraciones de cables. Las fibras ópticas por sus características de atenuación o rotura por flexión, torsión o alargamiento, se deben proteger debidamente ante las solicitaciones de tracción, doblado o compresión. También se debe preservar al contacto con gases o líquidos que contaminen y degeneren, a largo plazo, el material de la fibra. Se proveen cables para instalación aérea, subterránea, interiores de edificios, de enterrado directo y submarina. Su conformación podrá, según las exigencias del proyecto, poseer varias capas de dis-tintos materiales, con diferentes funciones. Un gran grupo lo representan los cables dieléctricos, para instalar, ya sean enterrados, aéreos o engrampados, en proximidades de instalaciones de energía eléctrica, incluso montados en redes de alta tensión. Estos están constituidos totalmente por elementos no metálicos, en donde al no disponer de ele-mentos conductores de electricidad, no permitirá la inducción de potenciales eléctricos y la creación de diferencias de potencial que provoquen arcos eléctricos internos, pudiendo dañar su constitución física o destruir al cable. Tanto los elementos de tracción, capas y tubos aislantes, compuestos de relleno, cubiertas y blinda-jes serán del tipo dieléctrico. Otro grupo podrá estar constituido, tanto por elementos metálicos como dieléctricos. Sus propieda-des mecánicas son similares a la de los cables dieléctricos, pero su costo resultará ser menor. Enumeramos algunos de los elementos utilizados, comenzando desde su eje interior:

Miembro central para la tracción y protección al doblado del cable.

Vainas de protección para alojamiento de las fibras ópticas, tubos de relleno, separadores de plástico, cintas de envoltura de Mylar, hilos de rasgado, etc.

Compuestos de relleno hidrófugo de petrolato.

Cubierta de polietileno interior de baja densidad y exterior de alta densidad, o policloruro de vinilo PVC si se trata de cables para interior de edificios.

Armaduras y blindajes de láminas de acero corrugado o hilos de acero.


29

A. 7. 3. 1. Miembros centrales para la tracción

El cable dispone de un elemento central que actúa mecánicamente a los fines de evitar dobleces y absorber los esfuerzos de tracción en su instalación. El tendido en conductos debido al rozamiento sobre los mismos, crea fuerzas en la tracción que se incrementa linealmente con la longitud y expo-nencialmente en las curvas. Se emplean para ello, cables de acero, nylon, acero y nylon, hilos de fibra de aramida, hilado sinté-tico (Kevlar), etc. La fibra de aramida tiene una relación entre el peso y la resistencia mecánica tres veces superior al de hilos de acero. Estos elementos, podrán estar recubiertos de una capa de po-lietileno PE, polivinilo de cloruro PVC, etc, según su aplicación.

A. 7. 3. 2. Fibras ópticas

Como ya se analizó anteriormente, las fibras están constituidas en sí por un núcleo (core) y un re-vestimiento (cladding), de SiO2 más elementos dopantes.

Los dopantes son, dióxido de germanio GeO2 ó pentóxido de fósforo P2O5 para obtener un índice de

refracción alto para el núcleo, u óxidos como el trióxido de boro B2O3, para obtener un índice de re-

fracción bajo para el revestimiento. Una protección como recubrimiento (coating), está constituido por una capa externa de silicona o de acrilato. Ejemplos del índice de refracción son:

núcleo 1.48 revestimiento 1.46 recubrimiento 1,52

ANCHO DE BANDA EN FIBRAS MULTIMODO

Fibra Ancho de Banda

(MHz-Km)

50/125 (core/clad) 1500 – 1800

62.5/125 600 – 1000

85/125 800l

100/140 500

Un apartado especial lo constituyen las fibras ópticas de plástico transparente. Disponen de valores típicos de atenuación de 100 dB /Km a una longitud de onda de 600 nm. Utiliza conectores con 15 dB /Km. Se han logrado valores de atenuación de 15 á 20 dB /Km y productos ancho de banda - longitud de onda de 100 MHz Km. Se fabrican sobre la base de polietileno o metacrilato de polimeti-

lo. Sus dimensiones son de 1000 /1200 m.

A. 7. 3. 3. Recubrimientos de protección

El recubrimiento primario dispuesto sobre la fibra óptica, como protección a manipuleos operativos, consiste en una delgada capa de goma siliconada o acrilato. Generalmente esta capa toma diáme-

tros de 250 m, para monofibras monomodo podrá llegar a los 500 m. Este recubrimiento no es suficiente protección a la fibra, contra los esfuerzos transversales y a la absorción de las tensiones de tracción. Por ello se la proveen recubrimientos dobles, como prima-rios y secundarios. Se podrá diferenciar los cables por emplear vainas de protección de la fibra del tipo, suelta, huecas, rellenas o sólidas. La protección denominada suelta (loose), consiste en tubos huecos de 2 mm de diámetro, donde las fibras se mueven libres. De esta forma son independientes de las fuerzas o solicitaciones en su ins-talación.


Las vainas están constituidas por dos capas, una interior de bajo coeficiente de rozamiento a la fibra y otra exterior, a los fines de protección mecánica, de alto módulo elástico, por ejemplo, nylon, po-liéster o poliamida. El recubrimiento holgado puede albergar una (monofibra) o varias (multifibra), variando el diámetro exterior en cada caso (Fig. 24).

Fig. 24 - Protección suelta (loose)

La protección usando vainas rellenas con gel, permite al material de la fibra mayor preservación al contacto con gases o líquidos. El agua que pudiese penetrar por alguna fisura de la cubierta, si se congelase debido a su aumento de volumen podrá crear microcurvaturas e incluso la rotura de la fi-bra. Asimismo, la permanencia de aguas impuras deteriora en periodos largos al material protector e incluso a la misma fibra óptica. Se utilizan vainas o tubos plásticos de 0.90 mm., los que se rellena de un material de bajo módulo elástico. El material de los tubos podrán ser del tipo, polietileno (PE), policloruro de vinilo (PVC) o plásticos fluorados (FEC). La protección mediante capas sólidas, tiene la ventaja de reducir el diámetro de cable, pero se debe cuidar que las tracciones no se transmitan a las fibras. Esta protección, denominada sistema ajusta-do o adherente (tight) consistente en la aplicación de varias capas superpuestas, de materiales de distintos módulos elásticos. Sobre el revestimiento, la primera capa interna como recubrimiento pri-mario, es de material con bajo módulo elástico como ser resina acrílica y sirven a los fines de amor-tiguador (muffle) a las tensiones transversales. Las capas externas de recubrimiento secundario, son de material con alto módulo elástico como ser goma siliconada y nylon, que sirven a los fines de absorber las tensiones transversales y axiales de tracción. El recubrimiento secundario ajustado tiene un diámetro exterior de 0.9 ± 0.2 mm. El cable de fibra se completa con una capa de fibras de aramida para absorber las tensiones de tracción y una cubierta de material ignifugo (Fig. 25).

Fig. 25 - Protección en sistema adherente (tight) Se emplean otras conformaciones de cables, como de cintas o de grupos. En las protecciones se-cundarias por grupos, se podrán alojar 1, 2, 8 ó 16 fibras. La cantidad de fibras en un cable de fibra suelta, esta dado por la cantidad de tubos protectores en el cable y la cantidad de fibras por tubo. Un cable podrá llevar, por ejemplo 2, 4, 6, 8, hasta 16 tu-bos, luego se tendrá cables con 2, 4, 8, 16, 24, 48, 64, 96 y 128 fibras (Norma Europea), o múltiplos de 6, obteniendo capacidades de 2, 6, 12, 48, 72, y 144 fibras (Norma de USA).

Fibra óptica, núcleo y revestimiento Recubrimiento primario (acrílato)

Recubrimiento secundario (goma siliconada)

Recubrimiento secundario (nylon)

MONOFIBRA Fibra óptica con recubrimiento primario (acrilato) Tubo como recubrimiento secundario (polietileno)

MULTIFIBRA


31

A. 7. 3. 4. Configuraciones del armado de los cables El armado de los cables de fibra, puede tomar distintas estructuras de cableado (Fig. 26): Cables en una capa.

Cables de dos capas.

Cables por grupos.

Cable de cintas, se constituye en varias cintas de fibra óptica superpuestas. Dispone el elemento de tracción ubicado en la periferia del cable.

Fig. 26 - Cableados por capas, grupos o cintas

También se disponen de cables formados en una capa sobre soporte ranurado (slotted core cable),

en estos las fibras ópticas se alojan en ranuras practicadas en forma helicoidal sobre un elemento central portante, el que a su vez constituye el elemento resistente a la tracción mecánica (Fig. 27).

Fig. 27 - Estructuras de soporte ranurado

Ranurado

Elemento de tracción

Vaina protectora

Gel de relleno

Fibra Óptica

Hilos de aramida

Cubierta externa

De una capa De dos capas

Por grupos De cintas


Otros cables son los diseñados para su instalación conjunto con líneas de transporte de energía eléctrica: Cable de energía con conductores de fibra óptica, las fibras se ubican en los intersticios entre cada una de las fases de los conductores metálicos. Cables dieléctricos, son los compuestos integralmente con materiales no metálicos, por lo que se podrán instalar, enterrados bajo líneas de alta tensión o montados directamente en las mismas to-rres de soporte aéreo. Muchas veces se suspenden debajo del hilo de guarda (de tierra) en las to-rres de las líneas de alta tensión. En algunos casos, incluso como núcleo central de la armadura de cables de acero de estos cables de guarda. El método empleando estas líneas es de suma utilidad para países con una abrupta orografía, donde enterrar los cables para las redes de interurbanas es impracticable por ser su instalación sumamente costosa.

A. 7. 3. 5. Compuestos de relleno El trenzado de las vainas protectoras sobre el elemento de tracción, confiere espacios libres entre ellas que permite absorber las solicitaciones de los esfuerzos mecánicos aplicados sobre el cable. Para asegurar la hermeticidad del cable, estos intersticios libres se rellenan bajo presión, con un compuesto inicuo, hidrófugo de petrolato o polibutano. Los espacios libres dentro y /o fuera de la protección secundaria podrán ser rellenados con fibras de Keylar o aramida, permitiendo absorber los esfuerzos longitudinales y transversales. También se usan elementos plásticos ciegos, que ocupan espacios de vainas sin fibras, al solo efecto de man-tener la conformación geométrica normal del cable. Recientemente, se han introducido el cable libre de gel. En el mismo se ha incorporado un material expandible ante la presencia de agua, con la ventaja de evitar la circulación libre de agua por su in-terior. Estos cables se proveen compuestos de tubos sueltos conteniendo los pelos de fibra, sin usar gel que constituye un malestar al operar en los empalmes. Además el gel, significa un mayor costo debido al tiempo que se insumía en la limpieza retirando el gel y en su restitución una vez obrado el empalme.

A. 7. 3. 6. Trenzados La formación de los cables, se realiza mediante el trenzado de las vainas, enrollándolas helicoidal-mente y en distintas capas, sobre el elemento de tracción. Existe dos sentidos de trenzado, de paso constante S o Z, y el trenzado S-Z. En el trenzado en hélice de paso constante, se mantiene el sen-tido de arrollamiento y con ángulo constante respecto al eje longitudinal. En el trenzado S-Z se cambia el sentido de trenzado luego de una determinada cantidad de vueltas, describiendo primero la forma S y luego la forma Z (Fig. 28).

Fig. 28 - Distintos sentidos de trenzado El arrollamiento en hélice, similar al comúnmente empleado en los cables multipares, no permite efectuar sangrías sin tener que intervenir en cada fibra. Por esta razón se ha ideado el arrollamiento tipo S - Z, que permite desenrollar fácilmente una fibra para efectuar una derivación o rehacer em-palmes en medio de un ramal existente, sin necesidad de intervenir las fibras.

sentido S sentido Z

sentido S-Z


33

A. 7. 3. 7. Cubiertas Según el tipo de red llevará distintos tipos de cubiertas, tipo PAL, consistente en una cinta longitudi-nal de aluminio fundida a una cubierta de polietileno, de PVC que no propaguen la llama, para ca-bles internos de edificios, etc. En cables aéreos expuestos a los rayos ultravioletas que descomponen el material de polietileno, se emplean aditivos de carbón negro (2.5%). Se emplea poliamida contra termitas u hormigas. En cables monofibra, la fibra óptica lleva un recubrimiento primario, un recubrimiento secundario de 0.9 mm, una capa de fibras de aramida y por último una cubierta de material ignífugo coloreado (ro-jo o amarillo), totalizando un diámetro externo de 3 mm.

A. 7. 3. 8. Armaduras y blindajes Los cables submarinos o de enterrado directo para zonas con roedores, se proveen con armaduras o blindajes externos de protección. Son realizados con capas de polietileno, envolturas de flejes de acero, o mallas tejidas de hilos de acero e hilos internos de aramida (Kevlar). También se emplean flejes longitudinales corrugados o capas de láminas de acero corrugadas para posibilitar su flexibilidad, recubiertas con capas de polietileno.

A. 7. 3. 9. Códigos de colores Las fibras ópticas se numeran empleando un código de colores combinado, de la protección prima-ria (de la fibra) y de la protección secundaria (tubo protector). Con esta combinación de colores se permite individualizar cada fibra dentro de un cable. Asimismo, se sigue el procedimiento de ordenamiento de las fibras a lo largo de una ruta de cables ópticos, utilizando estos códigos de colores como guía para efectuar las derivaciones y los empal-mes. Las normas europeas indican tanto para la fibra como para el tubo:

1 verde (VE) 5 gris (GR) 2 rojo (RO) 6 violeta (VI) 3 azul (AZ) 7 marrón (MA) 4 amarillo (AM) 8 anaranjado (AN)

Por ejemplo, sea un cable con 2 fibras por tubo, 4 tubos activos y 2 de relleno, se repite en pares los colores de los tubos:

COLOR DEL-TUBO

COLOR DE LA FIBRA

FIBRA Nº

VE VE 1

VE RO 2

RO AZ 3

RO AM 4

AZ GR 5

AZ VI 6

AM MA 7

AM AN 8

En forma similar repitiendo colores de a cuatro, ocho, o más, se podrán numerar el total de las fibras de los cables hasta 144 fibra óptica o mayores.


A. 7. 3. 10. Nomenclatura para la designación de los cables Las características deL cable y de las fibras se designan por: A – D F (ZN) 2Y .x2 E 10/125 . F ---- LG

trenzado en capas dispersión (ps / nm x Km) longitud de onda (nm) diámetros de fibra óptica (µm) / revestimiento (µm) fibra monomodo cantidad vainas / cantidad de fibra por vaina tipo de cubierta y elementos de tracción no metálicos tipo de relleno tipo de cable, interior, exterior, etc.

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS NORMA EUROPEA

A. 7. 4. Manipulación de los cables ópticos El vidrio es químicamente, un líquido de silicio de alta viscosidad a temperatura ambiente. Por ello los iones del agua, en forma de hidróxidos, reaccionan químicamente con el vidrio y producen su corrosión. Este efecto se acentúa con su contacto en el transcurso del tiempo. Debido a esta particularidad, la superficie del revestimiento, la protección del recubrimiento primario y secundario, los intersticios del cable y las cubiertas deberán estar diseñados para permitir una alta protección a la introducción y accionar del agua. Para ello, se pueden rellenar estos, con un compuesto de gel blando, hidrófugo basado en aceites de baja viscosidad, con gel de sílice de dispersión uniforme y completa. El recubrimiento sobre la fibra óptica, podrá ser de una sola capa o del tipo multicapa ajustado, am-bas sobre la base de siliconas o acrilatos. Su finalidad será de protección al agua y al manipuleo de las operaciones, además minimizar las pérdidas por microcurvaturas. Se deberá cuidar en la tracción de la fibra, de no producir tensiones internas o defectos en la super-ficie del revestimiento, que produzca con el envejecimiento fisuras de la fibra. Un empalme de fibra protegido podrá soportar hasta 0.850 Kg. de tracción causando elongaciones no comprometidas, es decir no modificando sus valores de atenuación. El mecanismo de fractura en una fibra óptica se produce en un punto bien definido, justo en el punto más débil, donde se encuentre la imperfección mayor. Se entiende por imperfección una rajadura o hendidura submicroscópica.

Nº fibras Nº tubos Ǿ tubo

(mm)

Ǿ elemento

tracción

Ǿ cable

(mm)

Ǿ cubierta

(mm)

Peso

(Kg/Km) 8 4+2 res. 2.0 2.6 9.2 13.7 153

16 4+2 res. 2.5 2.6 9.2 13.7 153

24 6 2.5 2.6 9.2 13.7 153

32 4+2 res. 2.8 2.9 10.1 14.6 185

48 6 2.8 2.9 10.1 14.6 185

64 8 2.8 2.9 11.8 15.3 220


35

Tal imperfección crece con el tiempo, debido a distintos factores simultáneos:

Tensión aplicada.

Humedad.

Imperfección. La humedad afecta tanto a la fibra desnuda como a la fibra con recubrimiento primario, mientras que un compuesto de relleno podrá evitar el accionar de una eventual imperfección. Para describir la cinemática del crecimiento de las imperfecciones, diremos que la función matemá-tica que la gobierna es según una ley exponencial. Se podrá expresar como primera aproximación, que la velocidad de crecimiento de la imperfección (V), está en relación directa a la profundidad inicial de la imperfección, condiciones de las tempera-turas y del ambiente (A), al factor de intensidad de tensión (K), a una constante de corrosión (n): La manipulación de la fibra óptica en cajas de empalme, pedestales, terminales de distribución, y cajas de conexionado, adiciona una alta probabilidad de ser afectada a esfuerzos de corte. Esto se incrementa con la afectación adicional de altas temperaturas y humedad. Se ha normado un radio de curvatura mínimo admisible de 10 veces el diámetro externo del cable, aunque la fibra individual tiene un radio mínimo de flexión de 5 mm.

A. 7. 5. Conversión electro-óptica Para la transmisión de señales lumínicas a través de un tramo de red de fibra óptica, se requiere un emisor en un extremo de la misma y un receptor en el otro extremo, que conviertan las señales eléctricas en ópticas y viceversa. En el extremo emisor, las distintas señales de telecomunicaciones se multiplexan para poder ser transmitidas por una sola fibra óptica. Esta señal compuesta para mejorar su transmisión se codifica, luego se convierte de señal eléctrica a lumínica eléctrica y emite mediante un LED o Láser. En el extremo receptor esta señal óptica me-diante un conversor óptico/eléctrico PIN ó APD se lleva a variaciones de señal eléctrica. Como la señal llega distorsionada se reconstruye electrónicamente a través de un ecualizador y un regenerador, posteriormente se decodifica y demultiplexa, recuperando las señales eléctricas indivi-duales originales (Fig. 29).

Fig. 29 - Sistema de transmisión óptico Se logran por medio de equipos regeneradores ópticos intermedios, enlaces mayores en distancias, que permiten los alcances de los emisores y las sensibilidades de los receptores. Los conversores electro-ópticos están constituidos por semiconductores. Los mismos, se obtiene sobre la base de combinaciones de elementos químicos, por ej. InGaAsP/InP. Estos semiconducto-res poseen dos bandas de energía, la de valencia y la de conducción, separadas por una distancia dada.

Multiplexor Codificador Conversor E/O

Equipo Terminal

Decodificador Ecualizador Regenerador Demultiplexor

Equipo Terminal

Conversor E/O

V = A Kn


Un semiconductor en el cual la conducción está en su mayor parte a cargo de electrones (portado-res de carga negativa), se denomina semiconductor n. Mientras que un semiconductor en el cual la conducción está en su mayor parte a cargo de huecos o lagunas (portadores de carga positiva), se denomina semiconductor p. La unión de una capa de semiconductor P y otra N, o sea una juntura PN, conforma un diodo PN. Un fotón que incide sobre el semiconductor cede su energía a un electrón en la banda de valencia, el que pasa a la banda de conducción, de mayor energía, dejando en la banda de valencia un espa-cio vacío llamado hueco, se ha creado una carga eléctrica. El fotón desaparece, se trata del proceso de absorción. El proceso de absorción se realiza en un fotorreceptor,. Los electrones pueden volver espontáneamente a la banda de valencia, si la banda de conducción está ocupada en exceso de su equilibrio. En este caso el semiconductor puede emitir un fotón, por cada electrón en exceso. Este proceso de emisión espontánea o luminiscencia se produce en un diodo emisor de luz LED. En cambio, se trata de emisión estimulada, cuando fotones existentes en el semiconductor excitan a los portadores de carga, para obtener una recombinación irradiante de fotones. Es el caso del pro-ceso de emisión estimulada dado en los diodos Láser. La radiación emitida tiene idéntica longitud de onda y fase, que la radiación excitadora. Estos tres procesos se podrán desarrollar simultáneamente. Si hacemos predominar alguno de ellos podremos aprovecharlo técnicamente. En un sistema óptico, el emisor debe transmitir con un valor de potencia constante y el fotorreceptor captar la señal con un valor de sensibilidad admisible mínima, para lograr una señal fiable. Los valo-res de potencia y sensibilidad suelen darse en la unidad dBm y se calcula por la expresión:

(dBm) = 10 log P (mW)

Así un emisor de una potencia de 1 mW tiene un equivalente de 0 dBM, y uno de 1 w un equiva-lente de -30 dBm. Un emisor LED tiene una potencia típica entre -10 y -25 dBm y un emisor Láser entre 0 y -13 dBm, mientras que la sensibilidad, o sea la potencia mínima admisible, de un fotorre-ceptor LED es de -20 á -35 dBm y para un fotorreceptor Láser de -20 á -45 dBm.

A. 7. 6. Emisores Ópticos El funcionamiento de los emisores óticos se basa en el proceso físico de los semiconductores. En un semiconductor tipo P, la conductividad se debe esencialmente a los huecos, mientras que en uno tipo N a los electrones. Si se superponen estos dos tipos de materiales, se obtiene un diodo de unión P-N, y si a este diodo se le aplica una tensión eléctrica de signo adecuado, se obtiene una co-rriente de electrones desde la región MN hacia la región P y una corriente de huecos en sentido opuesto. En tal situación, si un electrón y un hueco se encuentran en la región intermedia, se podrán recombinar emitiendo un fotón de luz a una frecuencia determinada. Para irradiar fotones por medio de emisión espontánea o estimulada, es necesario entregar portado-res de carga en exceso, al semiconductor de la capa P. Igual proceso se logra, inyectando huecos en la capa N. La retroalimentación que se logra representa la emisión de luz en diodos del tipo LED (Light Emitting Diode). Si se aplica un fuerte campo eléctrico a través de la unión PN, de un diodo Láser, aumentamos la energía del electrón, se forma un par electrón-hueco. Los fotones resultantes de estas recombina-ciones, a su vez pueden ser absorbidos y formar nuevos pares electrón.-hueco, y recombinarse en choques sucesivos. Cuando la estimulación de emisión por radiación logra un cierto nivel, se produ-ce el efecto de avalancha, produciendo la amplificación de luz Láser (Light Amplification by Stimula-ted Emission of Radiation).


37

En un diodo Láser, una corriente de gran intensidad provoca un gran exceso de portadores de carga en la banda de conducción, que posibilita la emisión estimulada. Esta avalancha de fotones es guiada por un resonador óptico conformado por dos espejos planos paralelos semitransparentes. Los fotones que chocan contra el primer espejo (opaco), son reflejados, mientras que los que cho-can contra el segundo espejo (semitransparente) parte pueden pasar y parte ser reflejados. Debido a la enorme densidad de electrones excitados se producen sucesivos choques. El electrón que reci-be un impacto emite dos fotones idénticos, que irradian en la misma dirección y fase. La luz emitida es reflejada dentro de esta cavidad, repetidas veces en forma errática, cediendo una emisión de fotones muy superior que la absorción y proyectando un haz de luz muy densa y co-herente fuera de la cavidad, la que denominamos rayo Láser. Este proceso se denomina de retroalimentación positiva. La cavidad resonadora descripta toma el nombre de Fabry-Perot, al igual que este tipo de Láser emitido. Solamente las longitudes de onda, que coincidan con la curva de ganancia del material en la cavidad, serán amplificadas. El resultado es una serie de estrechas longitudes de onda, llamadas modos multilongitudinales. Se han desarrollado resonadores, que mediante una grilla corrugada ubicada sobre el extremo de la cavidad resonante, limita la emisión a una sola frecuencia. Esta grilla crea múltiples reflexiones y su geometría permite que solo una frecuencia pueda oscilar. Una aplicación de este tipo de resonador se encuentra en el Láser de realimentación distribuida DFB (Distributed Feedbach). Estos, emiten prácticamente una única longitud de onda, por lo que se los denominan diodos Láser de modo mo-nolongitudinal. La realimentación se produce por la perturbación periódica geométrica a lo largo de la cavidad re-sonante. En el emisor DFB las ranuras de la grilla se ubican en la zona activa, mientras que en el Láser del reflector con ranuras distribuidas de Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector), las ranuras se encuentra fuera de ella. Las curvas características, de potencia lumínica entregada a corriente aplicada en un diodo, dife-rencia los comportamientos de LED y diodos Láser L D. Las características de entrada salida de un LED son totalmente lineal, mientras que en un transmisor Láser no lo es, por ello se requiere una mayor estabilización del punto de trabajo (Fig. 30).

Fig. 30 - Curvas características LED y Láser

Los emisores podrán tener disímiles conformaciones de acuerdo a la tecnología y uso empleado. La emisión de luz se puede realizar, por superficie o por borde, tanto en un LED como en un Láser.

A. 7. 6. 1. Diodo LED En los sistemas que utilizan diodos LED, la transmisión de un pulso de luz, que equivale a un bit, genera múltiples rayos de luz pues se trata de luz no coherente, se dice que cada rayo tiene un mo-do, los múltiples modos producen el efecto de dispersión.

Potencia lumínica

Diodo Láser

Diodo LED

Umbral Corriente en el diodo


Debido a esto se produce un cierto ancho espectral. En el caso de Láser, los diodos emiten luz co-herente, hay un solo rayo y la fibra se comporta como una guía de onda, la onda se propaga sin dispersión. El uso de LED de Borde para las LAN que emplean fibras ópticas reduce los costos, pero también limita la velocidad a unos 400 - 600 Mb/s. Su máxima velocidad es actualmente de 622 Mb/s (OC-12), en modo ATM. Por sobre esa velocidad es necesario emplear emisores Láser, que permiten enviar pulsos más cortos (Fig. 31).

Fig. 31 - Diodo LED de Borde En las LAN menores a 2 Km. se usan emisores LED de primera o segunda ventana, mientras que los emisores Láser y las fibras ópticas monomodo, en tercera ventana se emplean en MAN, hasta 160 Km. Se ahorran de esta forma, regeneradores de pulsos, aunque se empleen emisores de ma-yor costo. Los diodos emisores de luz LED, se caracterizan por ser emisores de gran ancho espectral. Por ello, se los utilizan en trayectos ópticos de unos pocos kilómetros, como ser accesos de abonados locales o aplicaciones intraoficinas. Su ancho espectral aumenta proporcionalmente con la longitud de onda y fuertemente a elevadas longitudes de onda (Fig. 32).

Fig. 32 - Ancho de banda espectral de un LED Un diodo LED de emisión por superficie, también llamado de Burrus, para longitud de onda de 800 á 850 nm, está formado por la estructura cúbica de un cristal semiconductor. Sobre un sustrato de GaAs con dopado N se hace crecer en forma epitaxial (ley de crecimiento orientada), una doble hetereoestructura de tres capas de AlGaAs de diferentes espesores y dopa-dos. En la base una capa aislante de Al2O3 limita el flujo de corriente a un contacto P. La luz infrarroja emitida hacia arriba se acopla a la fibra óptica (Fig.33).

Disipador

Radiación de borde

Zona N

Zona activa Zona P

disipador

Potencia óptica

Longitud de onda

40 nm

0


39

Fig. 33 - Diodo LED de doble heteroestructura Los diodos LED para longitud de onda de 1300 á 1550 nm, se emplea un semiconductor cuaternario InGaAsP sobre substrato de InP. La conformación de un diodo Láser LD (LASER Diode), podrá ser de una gran variedad y tipos, por ejemplo el GaAlAs/GaAs para longitud de onda de 800 á 900 nm ó el GalnAsP/InP para longitud de onda de 1300 á 1600 nm (Fig. 34).

Fig. 34 - Diodo emisor Láser Según fuese el ancho espectral requerido para el emisor óptico se pueden utilizar tres tipos diferen-tes de fuentes, diodos LED, Láser de modo multilongitudinal MMUL o láser de modo monolongitudi-nal MMOL.

A. 7. 6. 2. Diodo Láser Multilongitudinal Los diodos Láser de modo multilongitudinal MMUL (Mode Multilongitudinal Laser) se caracterizan por emitir en longitudes de onda discreta y tener un ancho espectral menor que los LED, es decir emiten un cono de radiación mas estrecho. Por ello, en un trayecto presentan menor dispersión cromática. Se los utiliza esencialmente en aplicaciones de tipo urbano, hasta unos 20 Km sin necesidad de re-generación de la señal (Fig. 35).

Fibra de 50 µm

Contacto N

Canal de ataque

GaAlAs 10 µm – N

GaAlAs 2 µm – P Zona de emisión primaria


Fig. 35 - Espectro óptico de un Láser MMUL

A. 7. 6. 3. Diodo Láser Monolongitudinal Los diodos Láser de modo monolongitudinal MMOL (Mode Monolongitudinal Laser) son caracteriza-dos por emitir en una única longitud de onda. Presentan un ancho espectral muy pequeño y en con-secuencia son prácticamente insensibles a la dispersión cromática en el trayecto. Se los utiliza fun-damentalmente en redes de larga distancia (Fig. 36).

Fig. 36 - Espectro óptico de un Láser MMOL

A. 7. 6. 4. Diodos Láser VCSEL El VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) emplea un método similar al de los discos com-pactos (CD), razón por la cual es muy económico para su fabricación. Los emisores Láser VCSEL de primera ventana resultan competitivos frente a los emisores Láser utilizándose por ejemplo en redes Fast Ethernet, como en la 100Base-FX. Los diodos Láser VCSEL actúan primariamente hasta el presente en primera ventana, por ello, para las redes del tipo 1000Base-LX, de segunda ventana, se debe emplear técnicas mucho más costo-sas como el Láser Fabry-Perot. Un valor característico de los diodos emisores de luz, es el tiempo de conmutación. Se refiere al lapso de tiempo de emisión después del cese de la corriente. Su valor determina el tiempo de reac-ción del diodo. Es del orden de nanosegundos, que corresponde a un ancho de banda en la gama de 100 MHz.


41

VALORES CARACTERÍSTICOS DE LOS DIODOS

LED LÁSER

Longitud de onda 1300 / 1550 nm 1300 / 1550 nm

Ancho espectral 100 nm 3 á 5 nm

Semiconductor InGaAsP/InP InGaAsP/InP

Tiempo de conmutación 5 á 20 ns < 1 ns

Longitud 1 á 5 Km 35 Km

Velocidad de transmisión 50 á 200 Mb/s 1.2 Gb/s

Para uso en redes troncales de fibra óptica para telecomunicaciones de larga distancia, se ha dise-ñado un diodo Láser a 2.5 Gb/s, que cubre ambas ventanas de transmisión, 1310 nm y 1550 nm y es apto para sistemas SONET / SDH.

A. 7. 6. 5. Circuito de polarización Los emisores Láser requieren disponer de una corriente de polarización para el control de la potencia de salida a fin de mantenerla constante. Para ese cometido un detector APD ó PIN se coloca en la cara trasera del Láser. Se compara la señal digital de salida con el promedio a largo plazo y se modifica la corrien-te de polarización para mantener la potencia de salida constante (Fig. 37).

Fig. 37 - Control de la potencia de salida

A. 7. 7. Fotorreceptores Ópticos Vimos que en un fotorreceptor, constituido por un semiconductor incide un fotón este es absorbido y un electrón es excitado para moverse libremente. El espacio vacío que deja al moverse se denomi-na hueco, que también puede moverse libremente, se ha establecido un potencial eléctrico formado por un par electrón-hueco. Como elementos fotorreceptores óptico, se utilizan fotodiodos del tipo PIN o fotodiodos de avalan-cha APD. En su fabricación se emplean principalmente silicio (apto por debajo de 1000 nm) y ger-manio (para longitud de ondas mayores). En rangos entre 1300 y 1600 nm se emplean compuestos de indio, galio, arsénico y potasio, InGaAs ó InGaAsP.

Diodo Láser contactos

Fibra óptica Lente

Lente Diodo APD contactos


A. 7. 7. 1. Fotodiodo tipo PIN En semiconductores de juntura con bajo coeficiente de absorción se incrementa la zona de absor-ción para la radiación intercalando entre el semiconductor n y el p, una capa de semiconductor no dopado, denominada zona intrínseca i. A esta juntura se la denomina fotodiodo PIN. El fotorreceptor de juntura tipo PIN polarizado en tensión inversa genera electrones de acuerdo a los fotones que absorbe. La relación entre los electrones y fotones se denomina rendimiento cuánti-co. El valor de este rendimiento, la carga de los electrones y la energía de los fotones nos indica la sensibilidad del fotorreceptor expresado en Amper / Watt. La luz infrarroja incide sobre el diodo a través de una zona p, esta superficie se recubre con una ca-pa de Si3N4 para evitar pérdidas por reflexión (Fig. 38).

Fig. 38 - Corte esquemático de un diodo PIN Se puede aumentar la sensibilidad de los fotodiodos PIN agregando un transistor de efecto de cam-po FET (Field Effect Transistor). Con la combinación PIN-FET se alcanzan sensibilidades muy ele-vadas. El fotodiodo PIN se usa en 1ª y 2ª ventana

A. 7. 7. 2. Fotodiodo de avalancha APD Si en una juntura PN los portadores de carga negativa (electrones), son acelerados en un campo eléctrico de alta diferencia de potencial (3·105 V/cm en la juntura), estos adquieren velocidades tan altas que por efecto de choques ionizan a otros portadores de carga. Se forman, otros pares hueco-electrón en proceso de multiplicación por efecto de avalancha. La sensibilidad global del fotorreceptor por avalancha es superior al fotorreceptor del tipo PIN.

SENSIBILIDAD vs. VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN

VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN

560 Mb/s 140 Mb/s 34 Mb/s

PIN -37 dBm -45.5 dBm -49 dBm

APD -42 dBm -49 dBm -56 dBm

El fotodiodo PIN tiene menor ancho de banda de recepción, menor superficie de detección, menor

ganancia y menor corriente de umbral respecto al de avalancha APD. (Fig. 39).

Diagrama de bandas de energía

Juntura PIN

Si3N4

Al N+ N- N- N- P+ Al


43

Fig. 39 - Fotorreceptor del tipo APD El bajo costo de los fotodiodos PIN representa la principal ventaja respecto a los fotodiodos APD. Las pérdidas de retorno mínimas para los receptores ópticos son fijadas en 60 dB.

A. 7. 8. Parámetros del conexionado óptico El conexionado óptico se podrá realizar, mediante distintos métodos, empalmes ópticos permanen-tes: por fusión o por empalme óptico mecánico, o del tipo transitorio con conectores ópticos. Otros dispositivos de conexionado son los acopladores, divisores, atenuadores, filtros, cajas de conexio-nado, paneles de distribución, etc. La unión de los distintos tramos de un enlace, puede introducir pérdidas de inserción en sus em-palmes. Estas pérdidas deben ser mantenidas dentro de reducidos límites debido a la extensión de la línea y evitar el uso de regeneradores de señal. Las pérdidas podrán catalogarse como intrínse-cas o extrínsecas. Las intrínsecas dependen de las características de las dos fibras en el punto de conexión, mientras que las extrínsecas se deben a imperfecciones en la realización del empalme.

A. 7. 8. 1. Pérdidas intrínsecas

Entre las pérdidas intrínsecas más importantes se pueden citar (Fig. 40): a) Excentricidad núcleo/ revestimiento b) Elipticidad del núcleo

Fig. 40 - Fotorreceptor del tipo APD c) Diferencias del diámetro del núcleo, respecto al valor nominal.

d) Diferencias del diámetro del revestimiento, respecto al valor nominal.

Contactos Detector APD Lente Fibra óptica

Δy

Δx

(Δx2 + Δy2)1/2

Ec = Ǿ núcleo

%

x y

2 (x + y)

E = x + y %


e) Reflexión de Flesnel. Las pérdidas por reflexiones Flesnel, se originan en los espacios libres que separan dos terminaciones, por ser deferente el índice de refracción respecto al del núcleo de la fibra. Para eliminar estas pérdidas se deben efectuar empalmes permanentes, utilizar materiales

de acoplamiento o proveer una separación entre las terminaciones de fibras del orden de 10-8

cm. Este último procedimiento se denomina unión FC (Fiber Contact).

f) Diferencia entre los valores de los índices de refracción (y por ende de la apertura numérica).

g) Diferencias entre los perfiles de las dos fibras ópticas.

A. 7. 8. 2. Pérdidas extrínsecas

Esta serie de pérdidas se refiere a factores constructivos:

a) Corrimiento transversal (axial) de los núcleos y/o revestimientos (Fig. 41). Otras pérdidas se re-

fieren a la calidad inapropiada de las superficies de acoplamiento de las fibras, entendida la calidad

inapropiada como (Fig. 42): b) Separación entre las terminaciones de las fibras c) Desalineación angular o Tilt

Fig. 41 - Fotorreceptor del tipo APD

a) No ortogonalidad respecto al eje longitudinal.

Fig. 42 - Fotorreceptor del tipo APD

eje de la fibra

corrimiento

separación s

b) No planaridad de una o ambas superficies.

c) Superficie no terminada a espejo, con rugosidad superficial o limpieza indebida.

desalineación


45

Las pérdidas introducidas en dB, debidas a los diferentes inconvenientes de acoplamiento entre fi-

bras, se corresponden a los diámetros del núcleo de: 60 m, 80 m y 100 m, las que son represen-

tadas por curvas según (Fig. 43):

a) corrimiento axial “u”, expresado en m

b) separación “s”, expresado en m

c) desalineación anular “α”, expresado en grados

Fig. 43 – Comparación de pérdidas por acoplamiento entre fibras Las diferencias de núcleos podrán consistir a su vez en excentricidad del núcleo y revestimiento respecto al recubrimiento.

Pérdidas por corrimiento

axial u (m)

Pérdidas por

separación s (m)

Pérdidas por desalineación

angular α (en grados)


Como es de mayor importancia la alineación de los núcleos respecto a la alineación de los diáme-tros exteriores, actualmente las máquinas de empalmar regulan los corrimientos, separación y el alineamiento. Luego del proceso de empalme, miden y seleccionan la mayor transferencia de energ-ía, para posteriormente proceder a efectuar el empalme. De tal forma se evita el proceso de investigación previo.

A. 7. 9. Procesos del conexionado óptico La red óptica esta conformada por distintos elementos de conexionados y de acoplamiento, cada uno con su proceso particular de montaje.

A. 7. 9. 1. Empalme óptico por fusión Los empalmes de las fibras ópticas permanentes del tipo por fusión, se realizan calentando hasta el punto de fusión los extremos de las fibras, mediante una descarga de arco voltaico y ejecutando luego una adecuada tracción entre las fibras hasta restablecer sus características primitivas. La temperatura de fusión depende del material de las fibras. Para fibras ópticas de alto contenido de sílice se requiere temperaturas de 2000 ºC. Los valores típicos de tensión varían entre 3000 V y 7000 V, con corrientes de descarga entre 10 mA y 20 mA. Los pasos del procedimiento de empalme son en primer término la preparación de la fibra:

1) Quitar la protección secundaria, capa de nylon. 2) Limpiar mediante una gasa y líquido especial a ese fin, la superficie de la fibra. 3) Marcar el corte de la fibra y doblar por medio de la herramienta conforme. 4) Insertar el conjunto, tubo de poliolefina, de bajo punto de fusión y tubo termoretráctil.

Los pasos seguidos son del empalme propiamente dicho:

1) Posesionar los extremos de las fibras. 2) Efectuar la alineación en los planos horizontal y luego vertical. 3) Realizar el acercamiento de ambos extremos. 4) Ejecutar la prefusión. 5) Ejecutar la fusión y unión. 6) Proceder al estiramiento de la fusión.

Los pasos siguientes son referidos a la protección del empalme:

1) Desplazar el conjunto de manguitos plásticos sobre el sector de fusión. 2) Colocar una varilla de acero inoxidable, como protección mecánico a la flexión. 3) Contraer el manguito plástico termoretráctil, por calentamiento. 4) Prueba y verificación del valor de atenuación del empalme.

Las actuales máquinas de empalmar las fibras ópticas, son verdaderas computadoras programadas que efectúan todos los pasos requeridos sin casi la intervención del operario. La limpieza de los ex-tremos de las fibras a empalmar y su preciso corte, son fundamentales a la obtención de un buen empalme. En el proceso automático, solo requiere posesionar los extremos de las fibras en la máquina de em-palmar, la que realiza la aproximación y presión axial entre las dos fibras, el centrado horizontal y vertical satisfactorio, la prefusión, la fusión, el estirado y la medición de la atenuación resultante. Las sucesivas mediciones se realizan produciendo fugas lumínicas por microcurvatura en la entrada y salida de la fibra, desde donde se toma los valores de la señal (Fig. 44).


47

Fig. 44 - Empalme de fibra óptica En los empalmes por fusión se deben obtener una atenuación menor a 0.2 dB. Con las últimas técnicas de empalme se obtienen atenuaciones menores a 0.1 dB. Cada una de estas operaciones de empalme se realiza en menos de 5 minutos.

A. 7. 9. 2. Empalme óptico por medio capilar La técnica de empalme óptico por medio capilar se basa en el empleo de un tubo de vidrio en cuyos extremos se introducen las extremidades de las fibras que se desean unir. El tubo es de dimensio-nes capilares apropiadas a las fibras y el cual lleva un orificio transversal en su parte central, por donde se introduce un material adhesivo transparente, con características de adaptación al índice de refracción de las fibras. Las extremidades del capilar están conificadas, a fin de facilitar la introducción de las fibras. Una vez ejecutada la operación de empalme, se protege al mismo mediante una manguita termoretráctil de seguridad. Se obtuvieron valores de atenuaciones de 0.25 dB para fibras ópticas multimodo de índice escalón y de 0.21 dB para fibras de índice gradual. Otro método similar con está técnica, es utilizar un capilar de pirex cuyo punto de ablandamiento es más baja que la del cuarzo. Se introduce por uno de sus extremos una fibra con adhesivo y se ca-lienta el conjunto hasta que el tubo colapsa. Por el otro extremo del capilar se introduce la otra fibra sellándola con material epoxi. Luego se cierra en un tubo metálico de protección. Esta técnica ha dado pérdidas del orden de 0.2 á 0.3 dB, con fibras de perfil gradual (Fig. 45).

Fig. 45 - Empalme capilar Pirex

A. 7. 9. 3. Empalme óptico de surco Distintas técnicas de empalme permanente, se refieren a los procedimientos por surcos en V, que permiten el alineamiento eficiente de las fibras. Este método, es utilizado en cintas multifibras. Los empalmes se logran incidiendo las fibras, debidamente preparadas, en hendiduras de prealineación, las que luego se presionan introduciéndolas en los surcos, una tapa garantiza la estabilidad mecá-nica. Se utiliza glicerina como adaptador de índice de refracción. Su utilización, debido a ser un empalme permanente, se reduce a situaciones provisionales de emergencia en espera de efectuar un empalme definitivo por fusión. Sus pérdidas por inserción son inferiores a 0.5 dB, pero debido a su poca precisión se emplea solo en fibras multimodo.

Tubo exterior

Tubo interior

Fibra óptica

Refuerzo mecánico

Aspecto final

Capilar colapsado

Fibra óptica Fibra óptica


Se ha diseñado métodos de empalmes por fusión para su empleo en cables planos de cintas con hasta cinco fibras. Estos empalmes reensambrables son de promisorio futuro, permiten empalmar en una sola operación hasta cinco fibras, además sirven de alojamiento y protección al los mismos. En estos métodos, el pulido de las fibras y la fusión se realiza en una sola operación (Fig. 46a).

Fig. 46a - Empalme reensambrable para cable plano de 5 fibras Otras técnicas se realizan con implementos que empalman cables planos de cintas hasta 13 ó ma-yor cantidad de fibras (Fig. 46b).

Fig. 46b - Empalmes múltiple para cable óptico de cintas Los métodos descriptos anteriormente con tubos capilares, se podrán mejorar con la variante de combinar este implemento con el empleo de la alineación tipo surco en V, elementos que estarán dispuestos en las caras internas de los tubos.

A. 7. 9. 4. Empalme óptico mediante conectores La conexión entre fibras ópticas se realiza preferentemente por empalme de fusión, sin embargo pa-ra empalmes por reparaciones provisorias o en redes poco extensas, se podrá utilizar empalmes mecánicos mediante conectores. El procedimiento para estos empalmes mecánicos se realiza cortados los extremos de las fibras en planos perfectamente normales, puliéndolos y limpiándolos, luego se acoplan en elementos de ali-neación que los anclan sin permitir su desplazamiento. También podrán ser introducidos en un orifi-cio concéntrico de una pieza de vidrio, cerámica o piedra preciosa y adherirla a ésta para mantener-la en su lugar. En los empalmes mecánicos, el desplazamiento longitudinal entre los extremos de las fibras, produ-ce pérdidas por refracción en el pasaje vidrio-aire, para prevenir este efecto se usa un gel conductor de la luz con índice de refracción apropiada, que evita al haz de luz el cambio de medio de transmi-sión. Así se introducen mínimas pérdidas y además se reserva de daños a las caras de las fibras. Sin embargo, es de mayor importancia el desplazamiento transversal de las fibras, pues podrá in-troducir altas pérdidas al solo desplazarse una micra de su diámetro, sobremanera en una fibra mo-nomodo que su núcleo dispone de 10 micras o menos.

Surcos donde se realizan los empalmes

Sujeción de la cinta Cinta de 13 fibras

Fibras descubiertas

Surcos para las fibras

cubierta

Sustrato con múltiples surcos V


49

Distintos métodos se emplean para realizar los empalmes mecánicos, que se clasifican como:

De cilindro con rubí.

De tres o de cuatro cilindros o esferas.

De ranuras acanaladas en forma de V, para monofibra o multifibra.

De convergencia del haz mediante lentes. El dispositivo para el empalme con rubí se compone de un cilindro hueco o férula (ferrule), donde en uno de sus extremos se ha insertado una piedra de rubí con una perforación concéntrica de diáme-tro interior igual al de la fibra. La fibra se introduce en el cilindro ajustándola mediante un protector que sirve de adaptador y es fijada con un adhesivo epoxi de índice de refracción similar al de la fibra (Fig. 47).

Fig. 47 - Conector de rubí y conector de lente El procedimiento más crítico, de estos empalmes, se refiere al método de alineación de ambas fi-bras. Para ello se utilizan tres o cuatro esferas, o cilindros, que obligan a las fibras ópticas a un po-sicionamiento y enfrentamiento perfecto (Fig. 48).

Fig. 48 - Conector de tres esferas Aunque estos empalmes tienen el carácter de permanente, algunas de ellas técnicas permiten la re-inserción mediante herramientas especiales. Otros disponen un adhesivo epoxi con un tiempo de curado suficiente para permitir "sintonizar" la máxima transferencia de potencia luz, mediante rota-ción de las fibras. Una técnica también difundida, es la del empleo de un tubito de vidrio capilar, que ya hemos consi-derado anteriormente como empalme definitivo. Los empalmes ópticos mecánicos, presentan una pérdida de inserción promedio de 0.15 dB á 0.30 dB para fibras multimodo y de 0.35 dB á 0.40 dB para fibras monomodo. Las pérdidas de retorno son en general de alto valor.

fibra óptica 0.155

2.155

rubí de reloj

adhesivo fibra desnuda vaina de acero

inoxidable adhesivo

CONECTOR A RUBÍ DE RELOJ

cubierta de la fibra

lente

epoxy transparente extremo de la fibra

CONECTOR USANDO LENTES


PÉRDIDAS DE RETORNO EN EMPALME ÓPTICO

Elemento Pérdida de retorno

Empalme mecánico con corte transversal en instalación aérea

45 dB

Empalme mecánico con corte oblicuo en instalación aérea

63 dB

Empalme mecánico con corte transversal, instalación subterránea

50 dB

Empalme mecánico con corte oblicuo, instalación subterránea

68 dB

A. 7. 9. 5. Conectores Ópticos Las uniones mediante conectores, se realizan en la central de conmutación, para las terminaciones de red óptica OLT (Optical Line Termination), en los puntos de derivación de la red, en los nodos remotos como unidad óptica de la red ONU (Optical Network Unit) y en el domicilio del abonado pa-ra las terminaciones de red ONT (Optical Network Termination) Los conectores tienen la ventaja de ser desmontables e intercambiar la conexión cuando se requie-ra. Sus pérdidas suelen ser de 0.30 á 1 dB. Las pérdidas por inserción IL (Insertion Loss) típica es de 0.20 dB, máximo de 0.40 dB, para la generalidad de los conectores, mientras que las pérdidas de retorno RL (Retorn Loss), varían para cada conector de 50 á 70 dB. Sus características deberán ser: insensibles a la temperatura, polvo ambiente y mantener la misma atenuación luego de un gran número de desconexiones. Las terminaciones en los OLT, se realizan mediante empales por fusión a chicotes de cables mono-fibra de hasta 5 m de longitud, denominados pig tail, los que ya disponen de un conector en su otro extremo. También se usan chicotes de fibras del tipo parch cord para conexionados puente, o para efectuar mediciones de pruebas. Estos chicotes, disponen en ambos extremos de conectores ya instalados en fábrica. Los pig tail se proveen en diámetros de 0.9 mm y 3 mm, mientras que los parch cord solo en diámetros de 3 mm. Los conectores, para poder efectuar la unión de dos tramos de fibras en una red, emplean dos dife-rentes piezas, un conectador adaptador macho (plug), para fijar cada extremo de las fibras a conec-tar y de un acoplador que guía el enfrentamiento y fija el posicionamiento. Cada conector está cons-tituido básicamente por un casquillo cilíndrico (ferrule), con un capilar central de diámetro apropiado a la fibra y con una carcasa conformada por piezas soporte del casquillo, que a su vez proporciona un montaje antirrotación de la fibra. Los distintos tipos de conectores se diferencian principalmente, por el tipo de la carcasa exterior, si el plug es cónico o cilíndrico y si el acoplamiento es a bayoneta o rosca. Son cinco los tipos domi-nantes en el mercado, el SMA 906, Biconic, Conector ST, FC y D4 (Fig. 49).

Fig. 49 - Conectores comunes en el mercado

SMA 906

BICONIC

Conector ST

Conector FC

Conector D4


51

Describiremos sucintamente algunos de los distintos tipos de conectores empleados, según su apa-rición histórica. A fines de los años 1970, la firma Amphenol Co. De USA, introdujo el conector tipo SMA. Su nom-bre derivaba de la designación dada al Sub Miniatura-A (SMA), como conector empleado para ca-bles coaxiales. Consistía de un casquillo cilíndrico de sujeción, llamado ferrule, de 3 mm de diáme-tro en el Tipo 905 y de 3.2 mm en el Tipo 906. Este casquillo fue fabricado en plástico, zinc, alumi-nio, acero o cerámica, según su clase y costo. Su acoplamiento se efectuaba mediante una unión a rosca que actúa sobre dos férulas (sujeciones) independientemente de la fibra, que la mantiene flotante (Fig. 50).

Fig. 50 - Conector SMA (Amphenol Co) El conector Bicónico fue diseñado por AT&T. Un ferrule en forma de cono trucado y una manga hembra que lo aloja dan el nombre de bicónico. Los materiales de fabricación son vidrio, plástico o acero. Los actuales conectores Bicónicos no permiten hacer girar las fibras, lo que evita fallas de conectividad (Fig. 51).

Fig. 51 - Conector Bicónico (ATT) En el año 1985 la AT&T introdujo el conector ST, más pequeño, de mejor rendimiento y de menor costo. Fabricado con un ferrule cilíndrico de 2.5 mm de diámetro en plástico, acero, vidrio o cerámi-ca, encaja en una manga ranurada. Un mecanismo de bayoneta mantiene un ajustado acoplamiento (Fig. 52).

Fig. 52 - Conector ST (ATT)

Tubo protector

Cubierta del cable

Elemento de fuerza

Fibra óptica

Adaptador

Ferrule primario

Cuerpo de ensamblaje

Recubrimiento

macho fibra descubierta fibra revestida

adaptador de alineación elemento de protección

Acople

Manga de acople

Ranura de alineación

Llave de alineación

Capucha

Manga de ajuste

Cubeta de inserción

Cubierta

Férula

Enchufe


Desarrollado por NTT de Japón, el FC es un conector de alto rendimiento. Con un ferrule de 2.5 mm en cerámica con una manga en acero. La fibra desnuda se inserta en un agujero dispuesto en el centro del ferrule, se cementa y pule. Como en el conector ST la manga ranurada permite el acoplamiento, con un muelle flotante que asegura su conexión sin producir esfuerzos sobre la fibra óptica. Su ajuste se termina mediante una combinación de bayoneta y rosca. Consta de un acoplador al que se lo inserta los adaptadores ter-minales (Fig. 53).

Fig. 53 - Conector FC (NTT) Desarrollado por NEC, el D4 es un conector de robusta retención. La empresa 3M ha simplificado el diseño del conector, obteniendo un elemento de alta retención. Con formato rectangular este conec-tor tiene un mecanismo de push - pull (tira y afloja) de fácil inserción y alta repetitividad. La construcción del ferrule en una cerámica especial, asegura una baja atenuación. En equipos Siemens el tipo DIN, de engarzado a rosca. Los distintos tipos de conectores utilizados en terminaciones de red, se distinguen igualmente según el tipo de corte y contacto realizado en las fibras ópticas. La nomenclatura que define al conector utilizado, combina el tipo de mecanismo de sujeción y la técnica de corte utilizada. Se diferencian los tipos de contacto:

NC (Non Contact) sin contacto entre caras,

PC (Physical Contact) contacto físico con corte perpendicular,

SPC (Super Physical Contact) con super pulido,

UPC (Ultra Physical Contact) ultra pulido,

APC (Angle Physical Contact) en corte oblicuo.

Después del pulido realizado según el método PC ó SPC, el plano de corte del conector, presentará una estructura como la indicada en Fig. 54a, mientras que para el método UPC se presenta como muestra el detalle de la Fig. 54b.

Fig. 54a - Método PC ó SPC

plásticos

fibra óptica

férula de alta precisión

manga hendida

alojamiento


53

Fig. 54b - Método UPC En el método APC, un corte oblicuo permite que la potencia del haz reflejado sea lanzada en una di-rección tal que no pueda ser guiada nuevamente por el núcleo, hacia el emisor. Se obtiene una pre-ferible alta pérdida de retorno, aunque se incremente algo la pérdida por inserción. Para aplicar este método, entre el plano de corte y el plano perpendicular al eje del núcleo se proporciona un ángulo de 8º.

PÉRDIDAS SEGÚN TIPO DE CONTACTO ESTABLECIDO

Pérdidas Por inserción De retorno

NC < 1 dB 12 dB

PC < 0.4 dB > 50 dB

APC 8º < 0.5 dB > 60 dB

También con respecto a los métodos SPC y UPC, se obtienen mejores valores de pérdidas de re-torno:

PÉRDIDAS DE RETORNO MÍNIMAS Y MEDIA PARA CONECTORES ÓPTICOS

Conector Pérdida de Retorno mínima

Pérdida de Retorno media

FC/SPC 40 dB 43 dB

FC/UPC 50 dB 54 dB

FC/APC 60 dB 75 dB

En Telefónica de Argentina se ha normalizado el conector tipo FC /PC para su uso con fibras mo-nomodo de dispersión estándar o de dispersión desplazada que operen en armarios para repartición u otros sistemas de distribución que admitan el acceso de estos cables. También se emplean en Telefónica de Argentina el tipo SC /UPC y SC /APC. El sistema SC, de la NTT, tiene un anclaje mecánico (Fig. 55).

Fig. 55 - Conector SC de la NTT

acoplador

carcasa del conector

resorte

receptáculo

férula

kevlar

anillo de sujeción

cable de fibra


A. 7. 10. Dispositivos activos y pasivos de la red óptica La red óptica además de sus cables y empalmes comprende diversos elementos con distintas fun-ciones como ser, divisores de señal, atenuadores, filtros, regeneradotes, protecciones, etc.

A. 7. 10. 6. Divisores Ópticos Los divisores ópticos (splitter), son dispositivos de derivación que se emplean para bifurcar la señal en forma uniforme, tantas veces según tipo de divisor empleado 1:2, 1:3, 1:4, 1:8 y 1:16. El principio de trabajo se basa en dividir la señal o iluminarla sobre un espejo desde el cual se refle-ja la cantidad de fibras deseadas. En las operaciones de las redes CATV, para pruebas o repara-ciones, es critica la dilatación de sus tiempos, al proceder a desacoplar un divisor óptico, abriendo una salida a ramal. Esta situación representa ser la peor condición en el total de pérdidas de una red, ello se tendrá en cuenta en la selección de los divisores, a fin de minimizar estos tiempos. La carcaza externa tiene como máximo: Para 1:2, 1:3 y 1:4 = 90 mm x Ø 4 mm

Para 1:8 y 1:16 = 105 mm x 10 mm x 7 mm Las pérdidas por inserción máxima corresponden a cada tipo de divisor especificado

PÉRDIDAS POR INSERCIÓN MÁXIMA DEL DIVISOR

Tipo Atenuación máxima (dB)

1x2 4

1x3 6

1x4 7.5

1x8 11

1x16 14.5

Existen dos configuraciones posibles para la conexión de las entradas y salidas de los splitters, por medio de conectores o por empalme de fusión (Fig. 56).

Fig. 56 - Conexionado de los splitters en relación 1x4 Se fija como característica de especificación los siguientes valores, medidos en 1260 nm á 1360 nm y 1480 nm á 1580 nm: pérdidas de retorno mínimas para cualquier puerta mayor a 50 dB, las direc-tividad mínima entre cualquier puerta de salida de 50 dB y las variaciones de las pérdidas de inser-ción no mayor a 0.3 dB. Las tecnologías y materiales deberán garantizar una invariabilidad de sus características para un uso de 20 años.

Conexión de Splitter FC/APC

Distribuidor en Central

conectores FC/UPC


55

A. 7. 10. 7. Acopladores Ópticos Los acopladores ópticos permiten distribuir una cierta información de entrada entre dos salidas en una proporción predeterminada. Las salidas son conectadas a derivaciones o ramales que podrán alimentar terminales u otros dis-positivos. En cada salida se obtiene la misma información de entrada. Dado que cada división se realiza por medios ópticos pasivos, cada señal de salida tendrá un valor de atenuación de acuerdo a una pro-porción predefinida y de acuerdo al valor de acoplamiento que posee el dispositivo. El acoplador posee una caja hermética de protección, cuyas dimensiones son de 90 mm x Ø 4 mm. Las fibras ópticas que parten del acoplador deberán tener por lo menos una longitud de 1.50 m. Los acopladores se identifican y proveen según su relación de acoplamiento.

TIPOS DE ACOPLADORES

Acoplador % Potencia de Salida - Puerta 1

% Potencia de Salida - Puerta 2

5/95 5% 95%

10/90 10% 90%

15/85 15% 85%

20/80 20% 80%

25/75 25% 75%

30/70 30% 70%

35/65 35% 65%

40/60 40% 60%

45/55 45% 55%

Se fija como característica de especificación valores similares a los dados para los divisores ópticos. Medidos en 1260 nm á 1360 nm y 1480 nm á 1580 nm deben presentar:

Pérdidas de retorno mínimas para cualquier puerta mayor a 50 dB.

Directividad mínima entre cualquier puerta de salida de 50 dB.

Variaciones de las pérdidas de inserción no mayor a 0.3 dB. Las tecnologías y materiales deberán garantizar una invariabilidad de sus características para un uso de 20 años (Fig. 57).

Fig. 57 - Principio de un acoplador óptico Las pérdidas por inserción máxima, son especificadas según su relación de acoplamiento.

Compuerta 1 Compuerta 2

Compuerta 3


PÉRDIDAS DE INSERCIÓN DE LOS ACOPLADORES

Acoplador Atenuación máxima (db)

Puerta 1 Atenuación máxima (db)

Puerta 2

5/95 15.5 0.6

10/90 11.3 0.9

15/85 9.2 1.1

20/80 7.9 1.4

25/75 6.9 1.7

30/70 6.1 2.1

35/65 5.4 2.4

40/60 4.8 2.8

45/55 4.1 3.2-

A. 7. 10. 8. Atenuadores Ópticos Un atenuador óptico es un dispositivo pasivo que se intercala en la red óptica con el objeto de redu-cir la potencia óptica que ingresa al fotodetector del receptor. Los atenuadores mayormente utilizados son del tipo SC y FC. Esta designación la da el tipo de co-nector utilizado para un extremo y el tipo de acoplador del otro extremo, tanto fueren SC/APC ó FC /APC. También son designados por la atenuación introducida, por ejemplo el 01/SC tiene una ate-nuación de 1 dB, mientras que el 20/FC tiene una atenuación de 20 dB. La pérdida de retorno míni-ma admitida es > 50 dB.

A. 7. 10. 9. Filtros de medios Los filtros de medios son necesarios en los equipos que utilizan cables de par trenzado telefónico de tipo 3, para adaptar los conectores del cable. Se utilizan por ejemplo, para efectuar la conexión entre una placa adaptadora Token Ring y conector estándar tipo RJ-45 / RJ-11. Permiten reducir asimismo, los ruidos de línea.

A. 7. 10. 10. Cajas de distribución Las cajas de distribución para abonados podrán tener variadas capacidades, desde 4 fibras ópticas hasta 100 o mayores (Fig. 58).

Fig. 58 - Cajas de abonados para 4 fibras ópticas

A. 7. 10. 11. Cajas de empalmes

Se emplearán cajas de empalme ópticas dispuestas con reparticiones que permiten organizar y dar holgura a los cables, con el espacio necesario que respete las curvaturas admisibles y el alojamien-to cómodo de los empalmes.

PC

al multi-plexor

4 Fibras ópticas

conector


57

Para obtener amplias capacidades de empalmes, de hasta un máximo de 144 fibras, las fibras y los empalmes se organizan en placas dispuestas en varias capas rebatibles (Fig. 59).

Fig. 59 - Caja de empalmes de fibras ópticas

A. 7. 10. 12. Paneles de conexiones Se utilizan paneles de conexión para organizar los cableados, tanto para las redes LAN, edificios con cables estructurados, en edificios inteligentes, como en oficinas centrales nodos remotos, por ejemplo el cableado que se conecta a un concentrador de una red interna (Fig. 60).

Fig. 60 - Panel de conexiones de cableados

A. 7. 10. 13. Equipo regenerador remoto Un nodo regenerador remoto, consta esencialmente de un equipo transmisor regenerador, el que incluye la conversión electro-óptica y del proceso de interconexión a la planta externa. Este sistema podrá estar alojado en un recinto erigido o en un gabinete tipo pedestal (Figs. 61 y 62).

cable monofibra al equipo

cable multifibra desde el plantel

exterior

bandeja de conectores

bandeja de empalmes

cubierta


Fig. 61 - Nodo regenerador remoto

Fig. 62 - Regenerador de señal en pedestal

A. 7. 11. Métodos de instalación Los cables de fibra óptica, al igual que los cables de conductores de cobre pareados, se emplean en rutas interurbanas y urbanas. Generalmente son instalados, para los enlaces locales de acceso y entre oficinas, en canalizacio-nes, para los enlaces interurbanos en enterrado directo y en enlaces internacionales como cables subfluviales o submarinos, aunque según los requerimientos del diseño podrán adoptarse el método mas conveniente, incluso como instalación aérea sobre rutas de postes. Según su función y el sector de red donde actúe, se podrán requerir distintas capacidades de fibras y técnicas de transmisión. Por ejemplo:

Enlace interurbano, utiliza de 32 fibras á 144 fibras, en tercera ventana (1550 nm).

Enlace urbano, utilizar de 64 á 128 fibras ópticas, en tercera ventana (1550 nm).

Acceso, utilizar 64 fibras ópticas, en segunda (1300 nm) y tercer ventana (1550 nm).

Pasaje de cables

Regenerador de señal

Caja de empalmes de fibra óptica

Transmisor Receptor

Equipo electro-óptico

Gabinete de in-terconexión

a plantel exterior

-- -- -- --


59

El tráfico de transmisión estimado a sustentar definirá la cantidad de fibra óptica a proveer. Sus valores de atenuación y dispersión máxima, serán adoptados según fuesen tipos de redes ur-banas, interurbanas o internacionales y los tramos a cubrir. El tendido de los cables de fibra óptica en un área urbana es muy simple, ello se debe al reducido peso y diámetro de los cables ópticos, pudiéndose efectuar en muchos casos en forma manual sin intervención de alguna máquina tiracable. Se ubica a lo sumo un operario por cámara de registro y procede a jalar el cable en forma manual, pudiéndose así cubrir longitudes de varios kilómetros. En las canalizaciones se emplean subductos, para aumentar la capacidad de las cañerías, colocan-do monoductos en el interior de los conductos existentes. Estos monoductos son de PVC y tienen 33 mm de diámetro, para una cañería existente de 87 mm. También se emplean triductos planos para adicionar a las cañerías en construcción o para la insta-lación en enterrado directo. Para el tendido de cables de fibra óptica en rutas interurbanas, aunque se hallan construido canali-zación con subductos o se hallan instalado tritubos enterrados, será dificultosa su instalación debido al las extensas extensiones a cubrir entre empalmes. Esto se salva empleando distintos métodos de tendido, ya fuese mediante la ayuda de aire compri-mido o agua a presión. El método de agua es mas efectivo en tiempo de colocación, no obstante trae aparejado el inconveniente de obtener, transportar y recuperar el agua operativa. El ámbito de su uso definirá su constitución de armado y estructura física como sus cubiertas y blin-dajes especiales. La elección del tipo y modelo de cable, se procede teniendo en cuenta el uso y destino de la red a construir:

Cable dúplex para corta distancia (Fig. 63a).

Para la red subfluvial o submarinos, cables con blindajes reforzados (Fig. 63b).

En la red aérea cables autosuspendidos de cubierta en forma 8, o para devanar (Fig. 63c).

En canalizaciones subterráneas (Figs. 63d).

Para la red enterrada en zonas con roedores blindajes con alambres de acero.

Para la red interna de edificios se emplean cubiertas de PVC, totalmente dieléctrica si será in-fluenciada por perturbaciones en cercanía de fuentes electromagnéticas.

Fig. 63a - Cable dúplex para corta distancia (Pirelli)

Hilos de aramida

Recubrimiento tight Cubierta PVC ó PAL

Recubrimiento secundario

Fibra óptica

Aramida


Fig. 63b – Instalación subfluvial

Fig. 63c – Instalación de cable aéreo devanado

Fig. 63d – Instalación de cable subterráneo

subsuelo

agua

cable cable enterrado

Arado de enterramiento

cabrestante

Carrete de cable


61

Para la instalación en cañería subterránea, se pueden adoptar varias técnicas. Se emplean equipos para el pasaje de la fibra óptica, los que son activados por corrientes de aire comprimido (Fig. 64).y en otros casos por agua a presión (Fig. 65). Este último método tiene el inconveniente del transporte del agua y además resumir el agua residual

Fig. 64 - Instalación en cañería subterránea mediante aire comprimido

Fig. 65 - Método de instalación por medio de agua a presión Las cajas para empalmes ópticos se podrán ubicarán en postes siguiendo el método de empalmar a la altura del suelo y luego posicionarlas sobre el poste. Se provee cable enrollado para eventuales aperturas posteriores. También se podrán instalar ase-guradas sobre el alambre suspensor (Fig. 66).

Fig. 66 - Método de instalación de cajas ópticas en ruta aérea

compresor compresor compresor

caja de empalmes

grapas

Caja de empalme suspendida

grapas

Soporte cable

> 0.80 m

cintillo de plástico


En las cámaras de registro subterráneas, los cables de fibra óptica serán ubicados en el diedro su-perior formado por las paredes y el techo, a fin de protegerlo del manipuleo habitual de otros cables. Se recomienda en general, dar una vuelta en exceso, con el recorrido del cable dentro de la cáma-ra, para futuras aperturas (Fig. 67)

Fig. 67 - Instalación de cable óptico en cámara subterránea

A. 7. 12. Conmutación óptica Dadas las características de las fibras ópticas al presentar un formidable ancho de banda potencial, casi 30 000 GHz, y de su uso generalizado para redes de transporte y de acceso, se plantea la con-veniencia de emplear tanto conmutación óptica en las centrales, como en las mismas redes. Generalmente, los nodos de conmutación al vincular enlaces entre centrales o a troncales de ali-mentación en la red de acceso, emplean señales electrónicas, por lo que las señales ópticas para ser conmutadas, deben primero efectuar la conversión óptoelectrónica, mediante la mutación fotón a electrón (Fig. 68).

Fig. 68 - Regenerador de señal óptica en anillo óptico

fibra LED regenerador de fotodiodo fibra óptica óptica señal eléctrica

tubo plástico abierto longitudinal

chapa de Identificación

Abrazaderas plásticas

banda roja cable FO manguito termocontraible

Banda roja


63

Para los canales de fibra óptica se emplea una variante de la Multiplexación por división de frecuen-cia FDM, que se denomina Multiplexación por división de longitud de onda WDM. Sean dos fibras que llegan juntas a un prisma o reja de difracción donde las distintas bandas de cada una de las fi-bras se combinan en una misma fibra que comparte el total de las bandas transmitidas hasta un punto distante, en donde mediante otro prisma o reja de difracción, las bandas de distintas longitud de onda son nuevamente divididas en otras dos fibras (Fig. 69).

Fig. 69 - Multiplexación por longitud de onda

En el ejemplo de la figura 32, solo los bits de la fibra 1 van a la fibra 3 y los de la fibra 2 a la fibra 4, sin embargo se pueden construir sistemas WDM conmutados. En estos sistemas, mediante disposi-tivos acopladores que dispongan de muchas fibras de entrada y muchas fibras de salida, mediante filtros se podrá seleccionar la correspondencia entre cada una de las fibras de entrada y cada una de las fibras de salida. El acoplador trabaja como una estrella pasiva, donde cada luz de cada fibra de entrada ilumina toda la estrella de fibras de salida. Si la luz de una fibra de entada está a una longitud de onda de 1.50206 micrones se requiere un filtro con esa característica en la fibra deseada de salida. Para ello se dispone en cada una de las fibras de salida, un filtro ajustable el que pueda variar dinámicamente la gama de longitudes de onda. Tales filtros ajustables se pueden construir mediante la utilización de interferómetros de Fabry - Perot o de Mach-Zehnder. En las futuras redes, serán totalmente ópticos, por un lado los enlaces entre centrales y por otro la-do, los anillos de acceso de alto tráfico, los troncales de la red de acceso hasta unidades ópticas de distribución y en muchos casos, la línea de acceso llegando hasta la casa del abonado. Luego, las señales deben pasar de señal óptica a electrónica, sufrir el proceso de con-mutación y nuevamente deben realizar de conversión de señal electrónica a óptica. Sin embargo, esto se hace innecesario, si se emplea la conmutación por fotones, conservando la continuidad óptica extremo a extremo. Se evitaría además de la doble conversión la limitación del ancho de banda de los medios electrónicos. La diferencia con respecto al método de MDF, es que con WDM la multiplexación es totalmente óptica, por lo tanto altamente confiable. La razón por la cual la WDM se ha hecho tan rápidamente popular, es debido a que en la actualidad es imposible lograr mayor rapidez de conversión entre el medio eléctrico y el medio óptico, solo se puede operar en la fibra con la energía de solo algunos GHz. Puesto que el ancho de banda, en una sola banda de fibra llega a los 25000 GHz, existe un gran potencial para multiplexar muchos canales juntos. Se prevén las siguientes necesidades de conmutación óptica:

Reenrutadores ópticos de tráfico en la red de enlace. Al aumentar la velocidad en la red de acce-so, se incrementa también la velocidad en la red de transporte, con lo cual pronto se podrá llegar a utilizar mas de 50 Gb/s en estas redes. En esta situación se hace critica la rotura de una fibra. La solución es el reencaminamiento en la misma red. En ciertos sectores de la red de acceso se hace también imprescindible su uso.

Módulos multiplexores y demultiplexores ópticos. La inserción o extracción de tramas de alta ve-locidad se podrá realizar directamente en forma óptica.

Conexión entre distintas redes ópticas de acceso pasivas. Un acoplador y/o divisor óptico estrella podrán asignar una o varias longitudes de onda de recepción a ramales de distribución. Se per-mitirá así encaminar y difundir la señal portadora y determinar a que usuario se dirige la longitud de onda deseada.

fibra compartida

fibra 1

fibra 3

fibra 4

fibra 2


Conmutadores de paquetes ópticos. Al igual que en las redes eléctricas se podrá asociar a cada paquete de fotones una cabecera de identificación o asignar una longitud de onda diferente y construir así nodos de conmutación ópticos.

Distintos tipos de conmutación óptica se podrán emplear:

Conmutación de haz. Es el equivalente de conmutación espacial eléctrico. Establece un camino óptico, independiente de los anchos de banda y formatos de modulación, entre las fibras de en-trada y de salida.

Conmutación de impulso. Podrá ser conmutación temporal o espacial, aplicable a trenes de se-ñales ópticas con modulación digital binaria de amplitud.

Conmutación de longitudes de onda. Consiste en el encaminamiento de señales ópticas en fun-ción de las longitudes de onda, mediante técnicas de transmisión coherente.

Son varios los métodos ideados como sistemas de conmutación óptica:

Conmutador mecánico. Podrán utilizar prismas, espejos o fibras ópticas móviles. Una sola fibra óptica entrante se podrá conectar a varias fibras salientes o viceversa mediante lentes de índice gradual giratorios. Un ejemplo es el conmutador 1 x 2 utilizado en cables submarinos, el que consiste en un elemento mecánico accionado por medios magnéticos. Su limitación reside en que la velocidad de conmutación es del orden de los milisegundos.

Conmutador monolítico pasivo. El principio de conmutación se basa en modificar el índice de re-fracción del material que constituye el conmutador, de manera que la luz de la rama entrante se acople a alguna de las dos posibles salidas. Luego el conmutador se establece, según un con-junto de conmutadores elementales. La forma de modificar el índice de refracción dependerá del material que sirve de guía de onda óptica del conmutador.

Conmutador con elementos regenerativos. Parten del mismo principio que los conmutadores monolíticos pasivos y se introduce el agregado de elementos regenerativos. En este caso se atemperan los efectos de pérdida de inserción y diafonía dados en tal conmutador, pero introdu-ce ruidos de emisión que obliga al uso de filtros ópticos a su salida.

Conmutador de longitudes de onda. Constan de un acoplador en estrella de nxn, entradas - sali-das, donde a cada entrada se le asigna una longitud de onda diferente y asocia a cada salida un filtro sintonizable, que extrae la señal deseada. El principal inconveniente radica en obtener filtros de alto margen de sintonía. Este conmutador óptico introduce muy bajas pérdidas por inserción.

Conmutador temporal - espectral Cada fibra de entrada transporta células multiplexadas tanto en el tiempo como en longitud de onda. El conmutador consiste en un conjunto de elementos de conmutación temporal y espectral, que respectivamente intercambian la posición temporal de las celdas o cambian la longitud de onda de las mismas.

Diversos son los estudios llevados a cabo para lograr la conmutación óptica, por ejemplo, conmuta-ción en el tiempo, en división de frecuencia, en el espacio libre o en guías de ondas. Los futuros componentes de una red ATM, podrán contener conmutación en el tiempo que exceda los 100 Gb/s, por lo que necesariamente deberá ser óptica. Por otra parte, la luz coherente tiene un ancho de banda de mas de 200 THz, lo que supone poder multiplexar cientos de canales en división de frecuencia, en bandas de varios GHz. Así como, los trayectos podrán ser conmutados en el espacio libre (free - space) mediante espejos, prismas o filtros ópticos de polarización, o en el medio estructurado de guías de onda, como lo es una fibra óptica. Esto hará posible disfrutar de redes que dispongan de elevadas capacidades, para el manejo de ultra altas velocidades de transmisión.


65

A. 7. 12. 1. Conmutadores ópticos inteligentes En las redes ópticas se ha hecho perentorio la disposición de conmutadores ópticos a escala co-mercial. Vimos que tales dispositivos permiten derivar una señal digital luminosa de una red a otra, sin necesidad de convertirla en señal eléctrica, que es lo que se hizo hasta ahora. La transmisión óptica de extremo a extremo agiliza notablemente el transporte de las señales. Las grandes redes de telecomunicaciones están formadas actualmente por miles de kilómetros de cables de fibra óptica: por donde circulan las señales digitales de datos y voz a gran velocidad: has-ta 1 Terabit por segundo o sea un billón de bits cada segundo, 1012. Estas señales no son más que haces de luz que se encienden y se apagan constantemente con-forme sean un 1 ó un 0 digital. Con los nuevos sistemas, es posible transmitir cada uno de estos haces luminosos a unos 6000 kilómetros de distancia sin regeneración eléctrica, gracias a la excep-cional transparencia de las fibras ópticas actuales, que permite que la señal casi no se degrade con la distancia recorrida. El principal prodigio de los últimos años ha sido, sin embargo, que cada haz luminoso puede des-componerse en distintas longitudes de onda, con lo cual por el interior de una fibra pasa un haz con 16, 32, 64 o más señales distintas, gracias a la técnica conocida como multiplexación densa por la división de la longitud de onda DWDM. Este aumento brutal de la velocidad y la capacidad de las fi-bras ópticas, es lo que permite decir que el costo del transporte de una señal digital de un sitio a otro es casi nulo. El problema se plantea cuando alguna de las señales tiene que cambiar de red. En cada uno de es-tos cambios la señal óptica se tiene que transformar en señal eléctrica, encaminarla a través de los routers y volverla a convertir en señal óptica ya dentro de la red deseada. Al haber aumentado la ve-locidad y el número de longitudes de onda de cada haz óptico, la conversión o multiplexación de las señales se ha convertido en un proceso muy complejo. El resultado es que las señales recorren ca-da tramo de la red en un instante y después se deben detener para esperar el proceso de su enca-minamiento, con lo que la velocidad de transmisión total se restringe. Los primeros conmutadores ópticos han permitido eliminar ese cuello de botella. Se trató de un apa-rato de múltiples espejos que desviaba cada longitud de onda y la ponía dentro de otra red sin transformarla. Hace algunos años que los laboratorios están desarrollando conmutadores ópticos. Existen actualmente diversas tecnologías, las más prometedoras han sido las correspondientes a sistemas electromecánicos con microespejos MEMS (Micro Electromechanical System), en el cual unos pequeños elementos espejados dirigen cada una de las longitudes de onda de un haz de luz, de una fibra a otra. Una señal electrónica controla el ángulo de cada espejo y así pasa el haz de un punto a otro. Otro sistema, aun más innovador es el conmutador MEMS difractivo. Entre las compañías más avanzadas se encuentran Lucent, Nortel, Corbis y Ciena, Alcatel, Sie-mens, Cisco, Agilent, NEC, Fujitsu y Pirelli. La firma Lucent, introdujo primeramente el Wavestar Lambdarouter, una cajita de 2,5 centímetros de lado que soportara hasta 256 entradas y salidas. La compañía indicó que es 16 veces más rápido que los routers tradicionales, que convierten la señal óptica en eléctrica y después otra vez a óptica. Nortel, dispuso su X-1000 capaz de conmutar hasta 1.152 pares de puertos, le siguió Corvis, otro de los pioneros en el campo de la fotónica. Este tipo de conmutación óptica ha sido el primer paso. El objetivo es que haya redes IP (Protocolo de Internet) totalmente ópticas de extremo a extremo. Esto significa que el conmutador deberá ser tan inteligente como para dirigir cada paquete de datos a su red, sin convertir la señal, y en tiempo real. Los espejos, o el sistema que se emplee, deberán cambiar de inclinación continuamente. Todo un reto de la micromecánica y de la fotónica. La flexibilidad que tienen las grandes matrices de conmutación de las redes de transporte es muy pequeña.


Se ha avanzado en la velocidad y en la capacidad de las grandes redes troncales de telecomunica-ciones o backbone, pero se trata básicamente de redes que transportan siempre los datos de la misma manera. Si el transportista quiere hacer cambios en la red, hay que modificar los programas de soporte de estas matrices de conmutación. Ahora se requiere, además de velocidad y capacidad, flexibilidad para, en función de las necesida-des, pasar de una red troncal a otra de menor capacidad. El fuerte ritmo innovador de la fotónica, el doble que la microelectrónica, hace pensar que en pocos años, habrá routers ópticos totalmente in-teligentes.

A. 7. 12. 2. Conmutadores MEMS difractivos Durante los últimos años, el MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) ha surgido como una tecno-logía eficaz en la industria de las telecomunicaciones, como dispositivos para el uso como conmu-tadores. El llamado dispositivo MEMS difractivo, también está jugando un papel significativo en las redes ópticas. Mientras ambos, el MEMS difractivo y el MEMS por inclinación de espejo, están basados en la tecnología de micro-estructura de silicón, los dispositivos de MEMS difractivo, operan en un prin-cipio fundamentalmente diferente, y tiene únicas ventajas de performance, comparado a sus primos, MEMS por inclinación de espejo. Un dispositivo difractivo de MEMS es esencialmente una difracción dinámica por enrejado, empleado en aplicaciones de telecomunicaciones. Como resultado de la naturaleza de la onda de luz, la difracción es la desviación de luz alrededor de un borde, o extendiendo de luz a través de una abertura pequeña. Una difracción de reja, es dada en una serie de ranuras paralelas o aberturas que actúan para separar la luz incidente en haces dis-tintos (Fig. 70) y que seguidamente interfieren unas con otras.

Fig. 70 - Diagrama de la difracción de reja Para que la interferencia sea significativa, el periodo de las ranuras (aberturas), debe está en el or-den de longitud de onda de la luz incidente. En un enrejando reflexivo, el haz óptico se refleja en múltiples haces u orden de difracción, con ángulos que dependen del periodo de la grilla y la longi-tud de onda incidente. A la incidencia normal, la ecuación de la grilla describe los ángulos de difracción con el periodo de la grilla. La cantidad de luz defractada varía con la interferencia del haz defractado y es determinado por la altura h de la grilla. Si la altura es equivalente a un cuarto de la longitud de onda, las ondas refleja-das interfieren destructivamente y toda la luz es defractada (ninguna luz es especularmente refleja-da). Alternativamente, si la altura es equivalente a una longitud de onda, las olas reflejadas interfie-ren constructivamente y la grilla actúa como un espejo.

Orden de difracción Orden -1 Orden 0 Orden +1

Plano de la onda microcromática

incidente

Reja difractiva

Onda incidente onda reflejada Onda defractada


67

Elemento MEMS difractivo Un elemento difractivo MEMS, es un componente óptico con eficacia de difracción ajustable. Esta conducta es lograda construyendo una grilla de micro-estructura donde la altura de la ranura puede ajustarse arriba-abajo. La figura 71 muestra un modelo de un MEMS de difracción con grilla.

Fig. 71- MEMS de difracción con grilla. El dispositivo consiste típicamente en filas paralelas de cinta reflexiva que está separado de una oblea de silicón por un fino hueco de aire. Cuando no actúa, las cintas están bajo tensión alta, per-maneciendo tensionadas en relación a la superficie de la oblea de silicón, en respuesta a un voltaje que se aplica entre el electrodo superior a la cinta y a la oblea de silicón como electrodo inferior. Cuando se aplica menos tensión a los electrodos, actúa la atracción electrostática entre la oblea de silicón y la cinta suspendida, deflectando la cinta que se extiende hacia abajo. Actuando alternativamente, como cintas "activas", se crea una difracción reflectiva de reja progra-mable. Cuando se incrementa el voltaje a una cinta activa, esta región del conjunto empieza al de-flactar luz en el predominante difracción de primer orden solicitando que se atenúa la luz, que resul-ta especulamente reflectada. El aumento intensivo del voltaje causa la atenuación incremental hasta que la desviación de la cinta alcanza una distancia equivalente a un cuarto de la longitud de onda de la luz incidente. A estas al-turas la luz reflectada alcanza su máxima atenuación. Ajustando la desviación de la cinta entre el cero y un cuarto de longitud de onda, la potencia de la luz en los reflejaron y primer ordenes, puede ser controlado en una manera complementaria. El dispositivo MEMS difractivo es construido depositando capas de cinta sobre una capa sacrificada de la oblea de silicón. La capa sacrificatoria es isotropicamente grabada debajo de las capas de la cinta para liberar las cintas y formar el hueco de aire. El espesor de la capa sacrificada debe ser optimizado para el rango de la longitud de onda operado. Las cintas se reproducen varios miles de veces fotolitográficamente, para formar el conjunto de elementos de difracción. La combinación de luz masiva, deflexión pequeña, y grandes fuerzas producen una extremadamen-te rápida velocidad de conmutación para las cintas espejo. El control de la intensidad de luz de de-fractada puede ser analógico (control variable de nivel de luz) o digital (conmutación de luz on ú off). Sin embargo, el ángulo de desviación del haz es determinado por la fotolitografía y es fijado en la fabricación de la oblea. En comparación, el espejo de inclinación de los dispositivos MEMS conmuta a velocidades más bajas, tiene control de amplificación binario y proporcione ángulos de deflexión variables. Mucha de la invención en el campo difractivo de MEMS se hizo en la Universidad del Stanford por el Prof. David Bloom y su equipo a principio de los años de 1990. La comercialización inicial de la tec-nología de MEMS difractivo, fue dada para las aplicaciones de imágenes. Se ha obtenido un con-traste sumamente alto (>1000:1), para sistemas de TV de alta definición, con un conjunto lineal de 1080 elementos de MEMS difractivo.

Grilla

Electrodo común

(plano de tierra)

cinta tensa (tensión alta)

cinta desplazada

(tensión baja)


En telecomunicaciones, los canales DWDM emergieron de una fibra óptica espacialmente dispersa, donde las longitudes de onda discretas se proyectaran dentro de un conjunto MEMS difractivo, tal que cada canal llega en una situación diferente al conjunto. El signo de DWDM se manipula enton-ces (atenuado, ecualizado, conmutado, etc.), aplicando voltajes programados a las cintas activas. La luz defractada es separada de la luz especular, y la porción de la especular es colectada, recom-binada y enfocada hacia atrás, en la fibra óptica. La capacidad dinámica y la velocidad afrontada por la tecnología del MEMS difractivo posibilita al-gunas aplicaciones importantes en gestión de redes ópticas. La red de conmutación y control requieren conmutadores de gran velocidad y atenuadores varia-bles. Con un tiempo de respuesta superior, la grilla del MEMS difractivo es significativamente más rápido que otros dispositivo de tecnologías MEMS tal como espejos inclinantes. Los ecualizadores de ganancia dinámicos resuelven el problema de equilibrio de potencia inherente a los amplificadores ópticos, introduciendo una función de corrección de atenuación que es la inver-sa del perfil de ganancia EDFA. Esta función de corrección sigue la forma del perfil de ganancia EDFA y puede llevarse a cabo a través del uso del MEMS difractivo. Las variaciones de potencia en redes ópticas también pueden ser causadas por cambios en la con-mutación y el enrutado. Estos problemas son muy significativos para módulos ópticos add/ drop re-configurables. Asimismo, la tecnología del MEMS difractivo puede ser extendido a aplicaciones que requieren completa selectividad de la longitud de onda.

A. 7. 13. Método FFBG como OADM En las redes ópticas metropolitanas, la tendencia es disponer de sistemas WDM de la más alta ca-pacidad de canales, que acomode a considerables canales digitales. Ello incrementa la demanda por multiplexores y demultiplexores ópticos con alta performance. Al demandar más capacidad en las redes centros, se incrementa también la demanda en la red bor-de. Al mismo tiempo, la provisión de banda ancha es avecinada, cada vez más cerca de la casa del abonado. Para ello, es indispensable, impulsar la disminución de costos de la red óptica de acceso. Uno de los medios para obtener redes de acceso más asequibles, es proveer multiplexores ópticos de adición extracción OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) más efectivos, como lo son los OADM reconfigurables. Los nuevos OADM reconfigurables, permiten incorporar y adquirir canales desde una línea troncal sin requerir su pasaje óptico a eléctrico y sin interferir en los canales principales. El método de, reja de Bragg fusionada en fibra FFBG (Fused Fiber Bragg Grating), permite operar como enrutador, multiplexor y demultiplexor óptico, cumpliendo con ese cometido. Muchos investigadores trabajaron a mediados de la década de 1990 con la denominada, retícula de fibra Bragg FBG (Fiber Bragg Grating), sin embargo el grupo de Arroyo Optics tuvo la idea de con-feccionar primero un acoplador óptico especial y luego comprender en éste a la retícula Bragg. Así, un grupo de especialistas asociados, han desarrollado el FFBG, en 1998, con la finalidad de admi-nistrar la cantidad de longitud de ondas establecidas en una red WDM.≥

El acoplador se confeccionó juntando dos fibras de 125 m de diámetro, formando un solo cuerpo

de 250 m, fusionándolo luego y estrechándolo hasta obtener un perfil de 10 m. Se obtuvo una cavidad acopladora con >40 dB de aislamiento, luego no hubo esencialmente trans-ferencia de energía. El segundo paso fue, llevar la retícula de Bragg al perfil del acoplador. La retí-cula de Bragg, es un muy buen filtro óptico, que mediante retroreflexión filtra una longitud de onda específica y deja pasar el resto de las longitudes de onda. El último paso fue, abrazar el acoplador así implementado, con un circulador óptico, con lo que se

pudo extraer la luz refractada y obtener así un filtro add /drop óptico (Fig.72).


69

Puerto de Entrada Puerto de Salida Express

Puerto Add Puerto Drop

1 2 3 4 2 3 4

1 Región fusionada

1

Puerto de Entrada Puerto de Salida Express

Puerto Add Puerto Drop

1 Región fusionada

Fig. 72 - Multiplexor FFBG de 4 canales

Extracción de señal óptica Ancho de banda BW (bandwidth) de cada canal = 0.4 nm

Para 1 = de 1540.0 a 1541.0 nm

Para 2 = de 1540.8 a 1541.8 nm

Para 3 = de 1541.6 a 1542.6 nm

Para 4 = de 1542.4 a 1543.4 nm

Si en el Puerto de Entrada (arriba izquierda en la figura), tenemos cuatro longitudes de onda, 1, 2,

3 y 4 y asumimos que el retículo Bragg de fibra, es resonante a 1, las señales asociadas con las

2, 3 y 4 atraviesan la región fusionada y salen por el Puerto de Salida como señales express

(arriba derecha). Mientras que las señales asociadas con la 1, son filtradas y enrutadas no hacia la entrada de la fibra sino con salida por el Puerto de Extraer, como señales drop (abajo izquierda). Esa es la función esencial para extraer señales.

Si ahora tenemos otras señales operando en esa 1, a tal 1 la podremos introducir nuevamente mediante el Puerto de Agregar, como señales add (abajo derecha) y esta se reflejará en el Puerto de Salida, de señales express (arriba derecha), del FFBG. Luego, ya tenemos nuestro multiplexor Add/Drop totalmente óptico (Fig. 73).

Fig. 73 - Inserción de señal óptica en Multiplexor FFBG

Sumado a estas cualidades se dispone de una amplia gama de cualidades de trabajo, no solo para las condiciones ambientales de una central local, 10 á 55 ºC, sino extremas como ser desde -40 á 85 ºC. Ello posibilita su operación para terminales remotos ubicados en indistinta calle o domicilio de abonado. Además, como las señales nunca dejan la fibra, la perdida por inserción típicamente de 0.2 dB so-bre cualquier puerto add, drop o express, no depende de las condiciones del medio ambiente. Lue-go con tan baja pérdida, se puede conectar varias unidades FFBG en serie, entonces en la primera

unidad se puede extraer (drop) la 1, en la segunda unidad 2, etc. Ensamblando varias unidades, tendremos un demultiplexor y en idéntica forma un multiplexor óptico.


Para este ejemplo de cuatro canales, el mux/ demux tiene una pérdida total por inserción menor a 1 dB y para ocho canales <2dB. En el mercado hay básicamente dos tipos de filtros FFBG, para baja cantidad de canales basados en unidades en cascada, como las nombradas, mientras que para alta cantidad de canales y a fin de evitar altas pérdidas, se establece un dispositivo llamado AWG (Arra-yed WaveGuides). Asimismo, varios fabricates optan por otras soluciones alcanzando más de 64 canales.

A. 7. 13. 1. Multiplexor óptico de inserción extracción (OADM) Hemos distinguido en varios puntos tratados anteriormente la aplicación del múltiplexor-óptico-de-inserción-extracción OADM (Optical Add Drop Multiplexer). En resumidas cuentas el mismo, permite seleccionar solo el tráfico necesario y procesar electrónica u ópticamente solamente ese tráfico, para lograr su inserción o extracción en canales secundarios, mientras el tráfico restante atraviesa el procedimiento sin ser procesado. Ello deriva en el consiguiente ahorro de costos de operación, brindando al cliente la posibilidad de abonar solo el canal y el tiempo en que lo usa. Partiendo de los mismos principios, se han dispuesto también OADM reconfigurables y divisores de canales, mientras que en lo referente a conmutación, actualmente el FFBG se permite acoplando métodos electromagnéticos.

A. 7. 14. Amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) El amplificador de fibra dopada con erbio EDFA (Erbium Doped Fiber Amplicator), es un dispositivo completamente óptico y podrá ser empleado tanto en redes analógicas como digitales. El elemento erbio es un metal trivalente del grupo de las tierras raras, definidos así por sus dificultades de aisla-miento desde el mineral base. La tecnología de amplificación óptica EDFA, permite proveer mayor cantidad de canales y mayor velocidad en bits, sobre una escala superior de sistemas y amplias longitudes de enlaces DWDM., pudiendo alcanzar con equipos específicos hasta 6000 Km Se emplea alta potencia para canales en redes de larga distancia y para la red metro. El EDFA opera independientemente de las velocidades desde 10 Mb/s a 40 Gb/s y del formato de los datos. La amplificación fotónica como, fibra dopada con erbio EDF (Erbium Doped Fiber), parte del átomo de erbio excitado por una señal de luz (fotón) de alta potencia a una dada longitud de on-da, que cae bruscamente a su estado primitivo. En ese caso cuando la señal lumínica (fotón), aproximadamente en 1550 nm, se encuentra con un átomo de erbio crea una corriente fotónica, a esa misma longitud de onda. Típicamente, por cada átomo de erbio surgen 20 fotones iguales. La EDF es el medio que permite la amplificación del ED-FA. Se obtiene ganancias ópticas, cuando se bombea a la EDF con potencia lumínica de 980 nm o de 1480 nm. Al instante que el estado de alta energía excitada cae, se producen fotones adicionales, con la misma fase y longitud de onda que los fotones que han atravesado el EDFA. El erbio transfiere energía desde la bomba, a una corta longitud de fibra, de aproximadamente 10 m para la banda C y arriba de 100 m para la banda L, en el rango 1528 nm a 1610 nm. Las bandas ópticas indicadas son normadas como ventanas DWDM. La longitud de onda de 850 nm, no posee nombre de banda y solo se la menciona por su valor, ya que por lo general no se utili-za en comunicaciones de larga distancia por su gran atenuación. Se utiliza mayormente en redes LAN de fibra óptica.


71

monitor de entrada bomba de control monitor de salida

conector

aislador WDM amplificador EDF aislador

VENTANAS ÓPTICA DWDM

Banda Longitud de onda

O (Original) 1260 - 1360 nm

E (Extendida) 1360 - 1460 nm

S (Corta) 1460 - 1530 nm

C (Convencional) 1530 - 1565 nm

L (Larga) 1565 - 1625 nm

U (Ultra larga) 1625 - 1675 nm

Numerosos canales fluyen a través del EDFA, el tema es lograr que cada uno de estos canales ten-ga igual ganancia, ello se obtiene mediante filtros constituidos por delgadas láminas. Estos filtros también posibilitan la operación de adicionar o extraer canales desde el amplificador. El EDFA trabaja con una fibra dopada que tiene una transición Láser en la ventana deseada, con extensión típica de 3 m, que se intercala al paso de la señal por medio de aisladores ópticos. Un esquema básico de EDFA consiste de la fibra dopada, un bombeo Láser, un WDM, aisladores y un acoplador de derivación. Los aisladores están establecidos bajo un principio óptico magnético, que mantiene la propagación en un solo sentido. Además, previenen que la señal amplificada se re-fleje, incrementando el ruido en decremento de la eficiencia. Estos están formados por lentes coli-madores, prismas polarizados y un rotor de Faraday. El acoplador derivador permite que una pe-queña señal, se emplee para monitoreo y poder efectuar realimentaciones. Típicamente se compone de tres secciones de bombeo, cada una con su propia bobina de fibra óptica. La primera, sobre el lado del transmisor, emplea una o más bombas de 980 nm, para impul-sar la potencia óptica. La segunda y tercera sección, impulsa bombas típicas de 1480 nm, que am-plifica las señales haciendo que la potencia óptica permita la transmisión a largas distancias. Un controlador analiza el nivel de la señal de salida y determina el nivel de la señal de bombeo. Un aislador provee la protección de señales espurias que puedan retornar al EDFA causando interfe-rencias. El resto de la señal pasa a través del aislador hacia el bobinado de fibra dopada en erbio EDF de salida, que es luego combinada en un acoplador WDM. Pasa luego a otra derivación de ve-rificación del nivel de salida y a otro aislador protector (Fig. 74).

Fig. 74 - Esquema típico EDFA Los rayos de luz Láser, a 980 nm y 1480 nm, se insertan por medio de un acoplador dicródico, que oficia de divisor de haz, en el interior de la fibra dopada, se combina con la potencia óptica de bom-beo de electrones de erbio, desde un WDM. Los electrones absorben fotones y pasan a un estado de energía metaestable, desde donde se produce una emisión estimulada de energía. El resultado del bombeo en el ámbito de la fibra dopada es la excitación de los átomos de erbio que liberan su energía almacenada como ondas adicionales que se adicionan a la señal débil circundante de 1550 nm. El bombeo se limita en el otro extremo por un filtro de bloqueo de longitud de onda correspon-diente al Láser externo.


El proceso se repite mediante realimentación EDFA en cascada a lo largo de todo el recorrido, de modo que la señal de 1550 nm resulte cada vez mayor, contrarrestando las pérdidas introducidas en el trayecto óptico. La aplicación de un tándem EDFA permite disponer líneas de larga distancia en longitud mayor a 6000 Km (Fig. 75).

Fig. 75 - Diseño de una configuración práctica de un EDFA Los amplificadores ópticos permiten mejorar la ganancia en un trayecto o un aumento del factor compartimiento de un diodo Láser en los sistemas de distribución. Básicamente se distinguen tres tipos de amplificadores ópticos. 1. Amplificadores de potencia o postamplificadores, elevan la potencia lado transmisor (Tx).

2. Amplificadores de distribución en la línea, que compensan las pérdidas de la fibra, a fin de obte-ner mayores alcances de los tramos.

3. Preamplificadores, cuya función es mejorar la sensibilidad de los receptores ópticos (Rx). Los EDFA son una necesidad en cuanto se utilicen moduladores ya que estos disponen de una rela-tiva baja potencia de salida cerca de +7 dBm. El EDFA puede realimentar este valor en +20 dBm (100 mW). Con EDFA se pueden obtener ganancias de 20 á 40 dB, es decir de 100 a 1000 veces. La potencia de salida puede superar los 100 mW. Todos valores superiores a los obtenidos mediante Láser estándares. La figura de ruido típica es de 3.5 dB y la relación de la señal de portadora del canal al ruido C/N (Canal/Noise), corresponde a 57 dB. Esta tecnología, tienen la capacidad de amplificar al mismo tiempo longitudes de onda de una ban-da pasante ancha. Este atributo permite el manejo de 4, 8 ó mas longitudes de onda estrechamente espaciadas en la ventana de 1550 nm. Por ejemplo, en el caso de 8 longitudes de onda, cada una a 2.5 Gb/s en la gama de 1550 nm a 1560 nm, proporcionan una capacidad de 20 Gb/s. Esto no solo aumenta la capacidad de transmisión total de una fibra sino permite se adicionen canales individua-les a medida que lo requiera el crecimiento de la demanda, esto incrementa la flexibilidad de una red óptica. Los sistemas multiplexación por división de densidad de longitud de onda DWDM (Density Wave-lenght Division Multiplexing), además permiten agregar o retirar canales de 2.5 Gb/s sin tener que multiplexar a 10 Gb/s. El amplificador tipo PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier), permite que señales de 1310 nm sean amplificadas a +16 dBm (40 mW) o más también. Este amplificador

tiene un relativo estrecho pero adecuado ancho de banda, operando en el rango de 1305 nm 5 nm. También tiene buen rendimiento con multicanales análogos, tal como para señales de CATV.

A. 7. 14. 1. Amplificador Raman En un amplificador Raman la misma transmisión sobre la fibra sirve de amplificación. La ganancia ocurre debido a la dispersión por un medio (la fibra), de fotones de una cierta frecuencia (de bom-beo), dentro de fotones de otra frecuencia (de la señal), con el resultado de la emisión de un cuanto de energía (cuantum) o vibración (un fotón).

Fibra Dopada en Er3

LASER de bombeo

Multiplexor

λ

Pot. entrada Pot. salida


73

Puesto que este fenómeno no es un proceso lineal, se requiere para producir suficiente ganancia lumínica una alta potencia de bombeo, típicamente que exceda los 700 mW. Ya que la propia transmisión en la fibra sirve como un medio de ganancia, ésta es distribuida a lo largo de la longitud de la fibra óptica con una ganancia proporcional al nivel de potencia de bombeo. Para tomar ventaja de esta ganancia distribuida, esta potencia de bombeo, es impelida como retorno a lo largo de la longitud de la fibra óptica, es decir en sentido contrario a la señal transmitida. De esto resultara más alta ganancia sobre el extremo del enlace, precisamente donde la potencia de la señal sería más baja (Fig. 76).

Fig. 76 - Distribución de ganancia en un amplificador Raman

En una WDM, con sistema de EDFA, se emplea amplificadores Raman, para combinar la potencia de bombeo dentro de la fibra de transmisión. El uso del bombeo de retorno, en el amplificador Ra-man no hace variar la WDM, pero la longitud de onda Raman complementa la amplificación EDFA. En el EDFA la banda de bombeo es fijada en la región de los 980 ó 1480 nm. Una alta ganancia de ancho de banda puede ser alcanzada, combinando múltiples bombas Láser a diferentes longitud de onda , cubriendo un rango de 30 nm o más.

A. 7. 14. 2. Configuraciones de la red EDFA Una red EDFA podrá tener dos distintas configuraciones. En simple bombeo EDFA utiliza un único bombeo Laser, sobre el lado de la fibra dopada, hacia el lado de la central. La versión dual emplea bombeo Laser en ambos extremos. El WDM se emplea para combinar la señal de 1550 nm con la energía bombeada y acoplar ésta, dentro del amplificador. Tiene dos canales a longitud de onda de 980/1550 nm y de 1480/1550 nm. El WDM se ubica en la entrada o en la salida del amplificador EDFA, dependiendo si el bombeo es respectivamente, hacia atrás o hacia delante (Fig. 77).

Fig. 77 – Aislador integrado a aplicaciones especificas

Raman no

Raman si

Km

Potencia dBm

Aislador / Derivador

para Bombeo hacia delante

Aislador / WDM

para Bombeo hacia atrás

Inyectado Vertido

Señal Señal

Aislador / WDM / Derivador


Aislador / WDM / Derivador/ Fotodetector


Verti-

do Inyectado Fotodetector Sondeo

Señal Señal


A. 7. 15. Fibras optimizadas Con más de 70 millones de Km de fibras instaladas en todo el mundo, constituye el segmento mas largo de la planta de cables. El crecimiento de las capacidades de las fibras y el explotar estas ins-talaciones existentes, se obtendrá mediante el uso de las técnicas DWDM y de fibra óptica con me-nor pérdidas. Para ello periódicamente se desarrollan fibras optimadas. Se han difundido fibras monomodo clasifi-cadas como de: a) dispersión no desplazada (dispersion not shifted fiber), b) de dispersión despla-zada (dispersion shifted fiber), c) de dispersión nivelada (dispersion flattened fiber), d) dispersión desplazada y modificada, o e) dispersión no cero.

a) La fibra de dispersión no desplazada en = 1310 nm, introducida en 1983, fue la primer fibra monomodo empleada comercialmente. La atenuación típica fue de 0.35 dB/Km.

b) La fibra de dispersión desplazada en = 1550 nm, introducida en 1985, al igual que la de dis-persión cero permiten pérdidas menores. La atenuación típica fue de 0.21 dB/Km. Sin embar-go, al coincidir la longitud de onda de dispersión cero, en la banda pasante EDFA, que se considera óptima para los sistemas DWDM, deberán emplearse técnicas que consideren es-tos efectos.

c) La fibra de dispersión nivelada, fue desarrollada por Philips en 1988, para utilizar en las longi-

tudes de onda de 1310 nm y 1550 nm, con baja dispersión para toda la gama de longitudes de onda de 1300 á 1600 nm. Sin embargo tiende a tener mayores pérdidas comparativas a otros tipos de fibras, por lo que se emplea solo para ciertas aplicaciones. Presenta atenuación de 0.45 dB a1310 nm y 0.28 dB a 1550 nm, con una dispersión de 3.5 psec/nm Km a ambas 1310 y 1550 nm.

d) La fibra de dispersión desplazada y modificada, ha sido introducida en 1994 para la transmi-

sión de una longitud de onda (dispersión cero a 1561 nm) a través de distancias transoceáni-cas. Los efectos FWM (Four Wave Mixing), generados en sistemas DWDM limitan su uso, cuando se desee emplear sistemas con varias longitudes de onda.

e) La fibra con dispersión no cero, fue presentada por AT&T en 1994 para su normalización. Ha

sido diseñada para emplear la dispersión cromática de forma tal que suprima la generación de efectos FWM. Así se podrán diseñar rutas mayores a 1000 Km con canales de 2.5 Gb/s y dis-tancias de 300 Km para 10 Gb/s, sin usar compensación de dispersión.

Debido a la constante variación de las técnicas y sus precios, se deberá analizar detenidamente la fibra óptica a emplear, en su combinación con la técnica que brinde las mejores y mayores posibili-dades. En general se han utilizado una fibra en el sentido de emisión y una fibra en el sentido de recepción. Es decir, que se requiere un par de fibras para constituir un enlace, salvo que se utilice dos longitu-

des de onda, por ejemplo 1 para emisión y 2 para recepción, sobre una fibra. Según su tipo, multimodo, monomodo o monomodo de perfil especial, la fibra podrá transportar la señal satisfactoriamente en longitudes del orden de los cientos de metros o llegar hasta valores su-periores a los 200 Km, sin la necesidad de utilizar regenerador de señal. La velocidad de transmisión es normalmente de 140 Mb/s, pudiendo llegar a 10 Gb/s. Se espera en un futuro cercano alcanzar el orden de los 100 Gb/s.

A. 7. 16. Distribuidor digital DCS en el anillo óptico El sistema, distribuidor digital DCS (Digital Cross Connect System), fue diseñado originalmente co-mo una simple caja que organizaba el tráfico concentrado de una central, cuando el tráfico asincró-nico aún reglaba la red.


75

La primera evolución se produjo en el DCS, cuando se adoptó la interfaz eléctrica SONET, para or-ganizar el tráfico de bajada, al prevalecer el tráfico de transporte SONET. La segunda evolución aconteció, cuando se concedió la actual categoría de nodo en el anillo. Para comprender la funcionalidad del DCS en anillo, es necesario conocer el rol que este juega, en el mismo. El DCS fue concebido como un dispositivo donde se podía integrar múltiples elementos discretos de red, en un sistema. Desde esta visión inicial, han emergido tres tipos primarios de DCS. Actualmente, están diferenciados por su tipo de matriz. Estas matrices permiten básicamente, vincular dos señales, una para el DCS de banda angosta y otra para el DCS de banda ancha.

A. 7. 16. 1. DCS de banda angosta El DCS de banda angosta NDCS (Narrow DCS), utiliza una matriz que permite al operador de la red disponer velocidad DS1 (1.5 Mb/s) y llevar funciones DS0 (64 Kb/s), por ejemplo en la red de res-paldo, para pruebas, etc. La NDCS, permite ahorrar procedimientos y costos, actuando sobre los elementos asociados a un conmutador de borde de la red, en funciones de niveles DS0.

A. 7. 16. 2. DCS de banda ancha El DCS de banda ancha WDCS (Wide DCS), utiliza un nivel DS1 ó matriz SONET VT1.5. Esto per-mite funciones de servicios ventajosas, en conexiones DS1 ó VT1.5, disponiendo velocidades DS3 (44.7 Mb/s) y aún más altas. El WDCS se desenvuelve sobre los bordes de la red, frecuentemente en conjunto con las NDCS, así como también puede trabajar en el centro de la red, algunas veces en conjunto con una BDCS. Los WDCS con matriz de nivel DS1, es emplazada para proveer servi-cios de línea alquilada T1 (1.5 Mb/s).

A. 7. 16. 3. DCS de banda muy ancha El DCS de banda muy ancha BDCS (Broadband DCS), utiliza un nivel de matriz DS3 ó STS-1 (51.8 Mb/s). Esto permite disponer aún mayores anchos de banda, con nivel de funcionalidad que labora en tan altas velocidad como OC-48 (2.5 Gb/s) y OC-192 (10 Gb/s). De esta forma se posibilita re-mozar la parte central de la red, provistas con multiplexores Add /Drop (ADM). Los ADM, debido a su gran capacidad de puerto, permite una alta flexibilidad de conexión y menores costos por puerto. El BDCS, mediante los ADM, se emplean para el pasaje de nivel óptico a eléctrico (Fig. 78).

Fig. 78 - Diferentes distribuidores digitales para diferentes redes

POTS

Línea Alquilada WDCS

NDCS

Conmutador de Voz Clase 5

Permite conexiones en niveles DS1 y DS0

Permite conexiones DS1 o VT1.5 conformando niveles DS3

Red de Acceso

Red de Transporte

Backbone BDCS

Permite conexiones DS3 ó STS-1 formando niveles OC-48 ó OC-192


A. 7. 16. 4. Integración del WDCS en anillo El WDCS ofrece una plataforma natural para la integración en topología en anillo, particularmente para el anillo de acceso y para el manejo de los niveles DS1. Efectivamente, un considerable valor de tráfico es operado sobre el anillo de acceso, como líneas alquiladas T1. Si consideramos el alto tráfico que dispone un anillo de transporte, el mismo podrá ser ofrecido en estos puntos de acceso con WDCS, aumentando la eficiencia en toda la red. El tráfico cursado por estos anillos, podrá tener el carácter de distribución, aunque también de enla-ce desde un anillo de acceso a otro. En algunos casos podrá ser multiplexado a mayor velocidad. Cuando se trata de tráfico de distribución, particularmente en centrales con múltiples anillos, este distribuidor (Cross Connect) provee la función de concentración (Hub), que permite la fácil interco-nexión entre anillos, portándolo hasta la central o hasta un anillo de transporte (Fig. 79).

Fig. 79 - Diferentes tecnologías sobre una misma red de acceso

A. 7. 16. 5. ADM versus WDCS Es poco común para anillos de transporte requerir múltiples ADM, desplegados éstos solo en cen-trales con alto porcentaje de tráfico de bajada (dropped). Esto justifica los costos de integración de los anillos de transporte sobre un WDCS. Sin embargo, al analizar el DCS en su función en el anillo, nos damos cuenta que en muchos casos, entra en competición con un multiplexor Add /Drop (ADM) como una interfaz óptica para anillos. Luego el operador de red debe elegir como acceso al anillo, entre un discreto ADM o un simple WDCS. Con un ADM, se provee una tecnología madura y es de menor costo inicial. Sin embargo, el WDCS prueba su mérito en el crecimiento de la red y con el despliegue de múltiples anillos en una central. Un simple WDCS ahorra los costos de múltiples ADS, su hardware asociado y el cableado para la interconexión. Ello se hace evidente, cuando se incrementa al número de anillos que llegan a los domicilios de los abonados y se requieren una gran cantidad de conexiones Add /Drop. El WDCS también ahorra costos de mantenimiento y operación, sobre la vida del equipamiento. Con WDCS se obtiene una amplia plataforma para el crecimiento futuro. Con una expansión máxi-ma de 1000 á 2000 puertos en DS-3 (44 Mb/s), se permite un alto valor de tráfico, mediante múlti-ples anillos y sobre un simple elemento de red.

A. 7. 16. 6. El futuro de los DCS Un siguiente paso de los DCS, será lograr la mayor funcionalidad en el anillo con altas velocidades de transporte. Esto se puede obtener con esquemas de protección en anillos más sofisticados, tales como 2 y 4 fibras en líneas bidireccionales, con anillos conmutados. La duda surge sobre si, OC-48 ó más altas velocidades ópticas empleadas en un DWDM, tendrán un papel en el anillo de acceso y, además, que se recurra a tecnologías como WDCS.

Red de Transporte

WDCS

Red de Acceso

Líneas alquiladas

IP LAN SONET

ATM FR

DWDM

ADM

ADM

ADM


77

En SONET el canal-de-comunicación-de-datos DCC, es equivalente a incorporar una LAN entre elementos de una red existente. Esto permite que elementos de redes remotas se comuniquen vía la existente red telefónica, reemplazando la necesidad de disponer de una red de datos, entre ele-mentos de red. Como el DCC aumenta su aceptación y ha sido ampliamente utilizada por los ope-radores para aumentar los rendimientos de sus redes, el WDCS debe ser capaz de adaptarse a es-tos nuevos requerimientos. Debe ofrecer mayor flexibilidad, migrando a nuevas tecnologías y con rápidos cambios de actualización. Un ejemplo de ello es él poder absorber el impacto de los servicios de datos sobre la red existente. Sin embargo, continuará el ofrecimiento de una renovada generación de circuitos alquilados T1 que emplean TDM. Por lo tanto, deberá haber la coexistencia de redes superpuestas. No obstante este planteo, una por lejos, más simple y más eficiente solución podrá ser provista por un elemento de red que provea ambas funciones, para la tradicional TDM y para las nuevas de conmutación en pa-quetes. Es muy importante el avance de GigaEthernet. Asimismo, se hace común el empleo de circuitos TDM, sobre un punto a punto estándar, de enlace Ethernet. Por otra parte, es innegable la primacía de IP, comparada a cualquier otra técnica de acceso o transporte. Entonces, siempre se deberá te-ner en cuenta implementar elementos de red que posibiliten los servicios tanto en TDM, como en IP, sobre Ethernet. Evidentemente, será necesario un WDCS híbrido, con manejo de TDM y conmu-tación en paquete. Si el WDCS no provee este nivel de funcionalidad, será anticuado y se descartará cuando prevalez-ca la conmutación por paquete en el corazón de la red, como en su borde.

A. 7. 17. Elementos de la PON En la idea de una red enteramente óptica. Como vimos llamadas PON ú OO, parte de la premisa económica de reducir pasos de operación y de los tiempos de maniobra. Los conmutadores opto-mecánicos operan sobre un ancho rango de longitudes de onda, con baja pérdida de inserción y di-afonía, a bajo costo. Sin embargo, la máxima velocidad de operación disponible es de 10 microse-gundo, en contraste con la máxima obtenida por elementos totalmente ópticos, en el rango del na-nosegundo. Se han creado a ese fin gran variedad de implementos ópticos. Se obtuvo el denominado, conmuta-dor micro electromecánico MEMS, y mediante materiales piezoeléctricos se elaboró el conmutador micro óptomecánico MOEM. Los MOEM redireccionan el trazado del haz luminoso desde una fibra óptica a otra, cambiando la orientación de espejos o de membranas metálicas en guías de onda ópticas plana. Estas guías de onda ópticas se crean basándose en la tecnología de silicato sobre silicio o polímero sobre sustrato. Las guías de onda de polímero alteran el índice de refracción, conmutando el haz de luz por efecto de calor o de un campo eléctrico.

A. 7. 17. 1. Cross connect y conmutadores (OXC, WXC y MEMS) La demanda por servicio de Internet desencadena el crecimiento exponencial de las redes. Este in-cremento se solventa en la red de acceso mediante topologías HFC, en redes de fibra y pares tren-zados, con empleo de xDSL, o redes de fibra y coaxiales, empleando cables módem. Por otra parte, se podrá disponer una red totalmente óptica. Para logra esta última topología de red, se requirió un conmutador óptico eficiente, tal como el cross connect ópticos OXC, seguido luego del WXC. La primera generación de OXC fue representada por los primitivos W-DCS (Wideband-Digital Cross Connect) y los B-DCS (Broadband-Digital Cross Connect). Estos han sido desarrollados como inter-faz para soportar tráfico tributario y estaba basados en sistemas múltiples electrónicos, operando en forma óptica-eléctrica-óptica OEO. Posteriormente se introdujo el WXC diseñado para constituir una red óptica pasiva PON. Estos cross connect pueden trabajar sobre la base de una matriz eléctrica u óptica.


Con matrices eléctricas se prosigue con el empleo de sistemas tipo OEO, mientras que con matri-ces ópticas el proceso es fotónico, aunque también se emplee una parte externa de apoyo eléctrica.

1ª, 2ª y 3º Generación ópticas: Podemos inferir que se han desarrollado hasta le momento, tecnologías ópticas diferenciadas con de tres generaciones. Esto se aprecia tanto para los equipos SONET /SDH, sistemas WDM, distri-buidores (Cross Conect), sus complementos y aplicaciones. Esta evolución se ha debido principalmente a la alta presión ejercida, en la necesidad de satisfacer la alta demanda de tráfico de datos, ampliando las capacidades para poder sustentar las nuevas aplicaciones. La primera generación ha aliviado la exhausta fibra mediante SONET /SDH, combinando con WDM múltiples longitud de onda sobre una simple fibra, en una lineal configuración. La cantidad de cana-les es pequeña, solo algo mayor a 16 canales. La segunda generación ya introdujo DWDM en la red metro, multiplicando esa cantidad de canales por 10. Se introduce el OADM estático. Provee inter-faz de múltiples servicios en GigaEthernet, ESCON y SONET /SDH. Aún posee limitaciones de ca-pacidad, escalabilidad, costos y gestión. La conmutación entre anillos es primero centralizada. Un OXC requiere demultiplexar y multiplexar muchas fibras, y efectuar las conversiones eléctricas por cada longitud de onda individual, lo que demanda alto costo, espacio y requerimientos de po-tencia. Debido al cúmulo de estándares (propuesta por los fabricantes) para la interconexión óptica de múltiples longitudes de onda, proporcionaba limitaba la escalabilidad para cada solución. Así la conmutación de gran cantidad de puertos (1000 x 1000), entre anillos, resulta fundamentalmente en muy altos costos. La tercera generación permite ofrecer alta cantidad de canales y una más sofisticada performance de monitoreo sobre un par básico de longitud de onda. Filtros y Láseres sintonizables y tarjetas mul-ti interfase permiten un eficiente y rápida gestión de longitud de onda, para una plataforma todo óptico, dinámicamente configurable. El Cross Conect WXC elimina la necesidad de demultiplexar y multiplexar la señal individual de longitud de onda y no se requiere ningún transponder óptico-eléctrico-óptico. Las longitudes de onda pueden ser ruteadas dinámica e independientemente, des-de cualquier puerto de entrada o de salida. Se aplican para la red metro, todas las tecnologías DWDM en plataforma “todo óptico”, así como las memorias de almacenamiento SAN. La habilidad para ofrecer una rápida respuesta a las solicitudes de nuevos servicios y la posibilidad e cambios de capacidad según tipo de servicio. Las redes DWDM escalables en conmutación de longitud de onda, tanto en áreas metro o regionales, interconectan anillos y mallas lógicas. A la par que se optimizan los conmutadores WXC, se introducen los routers sintonizables en longitud de onda y los OADM en configuración dinámica y gestión software.

Matriz fotónica El OXC está construido con un determinado número de puertos de entrada /salida (I/O). Con una matriz fotónica, se pueden usar mezcladas distintas tarjetas de puertos I/O. Un trayecto a través de la matriz, puede ser usado para soportar señales ópticas a 2 Gb/s, mientras un trayecto adyacente de la misma matriz, podrá soportar una velocidad de 40 Gb/s. De tal forma variando solo las tarjetas de I/O, se puede constituir un sistema que maneje 512 OC-48, con un umbral en Terabits, o un sis-tema que soporte 512 OC-768, con un umbral de 20 Terabit. La matriz fotónica la podemos diferenciar en tres categorías. La primer categoría está basada en la tecnología denominada de dos dimensiones 2D MEMS, la segunda en la tecnología "bubble" (bor-boteo) y la tercera en la tecnología de tres dimensiones 3D MEMS. El 2D MEMS consiste en un minúsculo espejo de plano inclinable. La señal electrónica, controla los ángulos de inclinación del espejo, lado-lado y arriba-abajo. Pequeños cambios en la señal de control permite alterar el recorrido de la señal óptica que toma a través del componente óptico. La tecnolog-ía "bubble", emplea señal eléctrica para calentar un transparente fluido produciendo el efecto de burbujeo.


79

La señal óptica rebota en ese fluido, según el burbujeo en diferentes ángulos, atravesando el com-ponente óptico. Por la complejidad de estos sistemas, espejos en el 2D MEMS y burbujeo en el "bubble", los mismos están limitados a capacidades de 32 x 32 puertos. El sistema 3D MEMS tiene considerable diferencia respecto a las anteriores categorías. Se emplean más de un elemento reflectivo en cadena, para que deflexione y conmute el haz de luz al puerto de salida deseado. Este método puede escalar miles de puertos con bajas pérdidas y alta performance. Su desventaja radica en su complejo conjunto de espejos (Fig. 80).

Fig. 80 - Sistemas 2D MEMS y 3D MEMS En la consideración de los conmutadores ópticos, podremos nombrar el presentado por la firma Sy-camore Networks, la que indicó la disponibilidad de su SN 16000 conmutador óptico inteligente. Es-te conmutador óptico dispone una alta densidad, capaz de escalar hasta una configuración 1024 x 1024 OC-48/STM-16. Corrientemente trabaja con una matriz de conmutación de 512 x 512 OC-48 /STM-16 ó en 128 x 128 OC-192 /STM-64.

A. 7. 17. 2. Amplificador óptico semiconductor (SOA) El amplificador óptico semiconductor SOA (Semiconductor Optic Amplifier), puede ser usado como conmutador o modulador externo. El conmutador SOA está basado en compuestos de galio, arséni-co, indio y fósforo operando por introversión de fotones a electrones. Emplea una de la más promi-soria tecnología óptica es de cristal-líquido LC, cristal líquido, de alto rendimiento a bajo costo, para aplicaciones como conmutación, routers de longitud de onda, atenuadores, etc., en modalidad analógica o digital. Su alta constante de acoplamiento electroóptica, es millones de veces mayor que la de una guía de onda plana. La conmutación con componentes LC se basan en la polarización de divisor óptico como elemento pasivo y celda LC como elemento activo. El divisor polarizador es un cristal birrefringente. La celda LC funciona como polarizador rotador. Si se aplica un potencial eléctrico a la celda LC, un haz de luz incidente de un dado fase polarizada, pasa a través de la celda sin cambiar la polarización. En cuanto el potencial eléctrico es suspendido, la polarización del haz incidente es cambiada a una or-togonal, produciendo su deflexión. Estos componentes son transparentes a distintas protocolos co-mo ser IP, ATM o SONET /SDH, lo que permite efectuar valiosos ahorros en los sistemas.

A. 7. 18. Parámetros ópticos típicos Nos extenderemos considerando a ciertas características peculiares de las fibras ópticas, recapitu-lando primero algunos parámetros fundamentales para la transmisión óptica:

Ancho espectral del emisor: [nm]

Para emisor LED 10 á 55 nm Para emisor LD 2 á 2.5 nm

Coeficiente cromático: D () [ps / Km nm]

1ª ventana = 8 á 10 2ª ventana = 0.15 á 0.4 3ª ventana = 15 á 20

2D MEMS 3D MEMS


Dispersión cromática: Dc (L) [ns / Km]

LED en 1ª ventana 80 á 3550 LED en 2ª ventana 15 á 22

LD en 1ª ventana 16 á 25 LD en 2ª ventana 0.3 á 1

ATENUACIÓN ADMISIBLE (dB / Km) fibra monomodo - cable instalado

Ventana (nm) Atenuación ( dB / Km )

1ª 850 0.90 máx.

2ª 1300 0.40 máx.

3ª 1550 0.30 máx.

Tracción PEAP ≤ 240 Kg. Elongación 0.36% PKP 320 Kg. Elongación 0.36%

Radio de Curvatura = 10 veces el diámetro del cable

Resistencia al aplastamiento 600 Kg. (sin pérdidas superiores a 0.1 dB 100 Kg. (sin deformaciones en la cubierta)

Temperatura - 20 ºC á +70 ºC

Peso referencial: cable desde 24 hasta 60 fibras = 500 Kg /Km

Índice del medio incidente n1

agua / aire 1.333 cuarzo (S1O2) / aire 1.544 vidrio / aire 1.46 – 1.9

Índice de un medio refractante n2

aire - luz violeta 380 nm 1.0002957 aire - luz roja 780 nm 1.0002914 La primera ventana al tener la mayor atenuación, se la utiliza solo con fibras multimodo y para longi-tudes cortas. La segunda ventana tiene un ancho de 18 THz (1012 Hz) y la tercera 12.5 THz. Se uti-liza mayormente la tercera ventana, pues dispone del menor valor de atenuación, se aplica en fibras monomodo para cubrir grandes distancias sin emplear repetidores. Suponiendo una eficiencia de 1 Hz = 1 bit, se obtendría en segunda y tercer ventana el formidable ancho de banda de 30.5 Tb/s.

A. 7. 18. 1. Longitud de onda de corte La longitud de onda de corte, es un parámetro de transmisión que depende no solo del diseño de la fibra sino también del diseño del cable. Durante la medición de verificación los datos obtenidos de-penderán del procedimiento de medición, longitud del cable y de las condiciones del ensayo. El objetivo será que los enlaces de fibra óptica operen en forma multimodal, creando limitación del ancho de banda y penalización por ruido modal. La longitud de onda de corte resultante, para la menor distancia entre empalmes debe ser menor que la longitud de onda de operación del sistema.

Si la especificación fija longitud de onda de corte de fibra cableada cc < 1260 nm, permite trabajar

en segunda y tercer ventana. Este requisito comprende cualquier tipo de estructura de cable, inclu-yendo cables de soporte ranurado, de fibra suelta, en cintas (ribbon) o cables monofibras. Se estudia las causas de la atenuación y dispersión en la propia fibra óptica. Sin embargo, en una red óptica, se debe considerar todos los elementos constituyentes, cable, empalmes, terminales, conectores, etc. Por ello, los cálculos teóricos sirven a la adquisición de los materiales y diseño de la red, pero es primordial la medición de los distintos parámetros de la red en su conjunto.


81

Hemos tratado la longitud de onda de corte, en el análisis de la fibra óptica. Sin embargo, es un parámetro de transmisión que depende no solo del diseño de la fibra sino también del diseño del cable. Durante la medición de verificación los datos obtenidos dependerán del procedimiento de medición, longitud del cable y condiciones del ensayo. El objetivo será que los enlaces de fibra óptica operen en forma multimodal, creando limitación del ancho de banda y penalización por ruido modal. La longitud de onda de corte resultante, para la menor distancia entre empalmes debe ser menor que la longitud de onda de operación del sistema.

Si la especificación fija longitud de onda de corte de fibra cableada cc < 1260 nm, permite trabajar en segunda y tercer ventana. Este requisito comprende cualquier tipo de estructura de cable, inclu-yendo cables de soporte ranurado, de fibra suelta, en cintas (ribbon) o cables monofibras.

A. 7. 18. 2. Dispersión por retardo de modo diferencial Los LED al ser de bajo costo, se emplean en cableados para edificios, hasta unos 600 Mb/s acom-pañados de fibras multimodo. Si se quieren velocidades mayores se usa Láser con fibras monomo-do. Sin embargo, para las redes Gigabit Ethernet, se quiso emplear el método usado en el sistema Fiber Channel, donde se aprovechan emisores Láser con fibras multimodo, pero para cortas longi-tudes de red. Al ser las redes con fibras ópticas multimodo muy extendidas, se quiso usar tal método. Al querer usar éste para redes con longitudes mayores, se manifestó un nuevo fenómeno hasta entonces desconocido, al que se le denominó dispersión por retardo de modo diferencial. Tal fenómeno tenía el efecto de ensanchar el pulso luminoso, en forma proporcional a la distancia recorrida. Ello reducía la longitud máxima de la red, a valores permisibles menores que los esperados. Finalmente se estandarizaron dos sistemas el 1000Base-SX y el 1000Base-LX. En el sistema 1000Base-SX, con la S se indicaba short wavelength o de primera ventana y en el sistema 1000Base-LX, con la L se indicaba long wavelength o de segunda ventana. El SX funciona sola-mente en con fibra multimodo (50 /125 ó 62.5 /125), mientras que el LX puede utilizar ambos tipos, multimodo o monomodo. Descrito en forma sencilla, el fenómeno de dispersión por retardo de modo diferencial, consiste en que cuando el rayo Láser llega a la fibra, al ser ésta más ancha que el haz, se generan haces de luz secundarios que van rebotando por las paredes al avanzar por la fibra. Los rebotes no son iguales para todas lo haces, lo que provoca trayectos diferentes y en la recep-ción pulsos más anchos. El ensanchamiento es mayor cuanto mayor es la distancia recorrida, además a mayor velocidad de transmisión menos ensanchamiento puede tolerarse, ya que un pulso se solaparía con el siguiente. Luego, la dispersión por retardo de modo diferencial, es proporcional a la distancia e invernalmente proporcional a la velocidad de transmisión de los pulsos. Se dispone un parámetro característico de las fibras que mide esta limitación y que se conoce como ancho de banda modal. El mismo se mide en MHz Km. Por ejemplo, con un ancho de banda de 1 GHz Km, podemos enviar como máximo un millón de pulsos por segundo a una distancia de 1 Km, o medio millón a 2 Km. Los factores principales que influyen en el ancho modal de la fibra son: el diámetro del núcleo de la fibra, la longitud de onda y la calidad de la fibra. Los catálogos de los fabricantes suelen especificar para cada tipo de fibra el ancho de banda nodal.

A. 7. 18. 3. Alinealidades de la fibra La mayoría de los amplificadores EDFA presentan buena linealidad y bajo valor de la figura de rui-do, tal que la carga útil de los canales de CATV sufre mínima degradación. Sin embargo con la ca-pacidad de los EDFA de amplificar múltiples longitudes de onda, se provoca la interacción de las señales con la fibra produciendo cierta alinealidad que afectan al rendimiento del sistema. Las ali-nealidades de la fibra se clasifican en, dispersión estimulada o fluctuación de índices de refracción.


Dispersión Estimulada La dispersión estimulada no lineal tiene lugar en sistemas modulados por intensidad, cuando las señales ópticas interactúan con ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la fibra de silicio, que provocan la dispersión de la luz cambiándola a una longitud de onda más larga. Hay dos formas de dispersión estimulada no lineal, SBS de Brillouin y de SRS o de Raman. La dispersión estimulada no lineal de Brillouin SBS (Stimilated Brillouin Scattering), es una interac-ción entre ondas acústicas y de luz en la fibra. Algunos de los rayos lumínicos propagados hacia de-lante se dirigen hacia atrás, robando potencia de luz y limitando la potencia óptica. Este efecto se limita, modulando la fuente de Láser con una señal senoidal pequeña para aumentar su umbral de energía. El SBS impone un límite superior a la cantidad de la potencia óptica útil que puede ser difundida por una fibra óptica. Con el SBS se tiene un umbral de potencia óptica, cuando este umbral es excedi-do, es cuando una importante fracción de la luz transmitida es redireccionada hacia atrás. Esto da-tos por resultado una saturación de la potencia óptica que alcanza al receptor, debido a señal óptica reflejada en el Láser. Este proceso origina también ruido en el sistema degradando la relación señal ruido CNR. El control de SBS es particularmente importante en transmisión de alta velocidad que emplean mo-dulación externa y opera con fuente de Láser con onda continua. Esto es de vital importancia en la transmisión de señales de CATV en 1550 nm, ya que estos transmisores tienen frecuentemente las características de originar el efecto SBS. La dispersión estimulada de Raman SRS (Stimulated Raman Scattering), es una iteración entre la luz y las vibraciones moleculares de la fibra. El SRS dispersa la luz en ambas direcciones, la energ-ía hacia atrás puede ser eliminada utilizando aisladores ópticos.

Fluctuación de índices de refracción Aunque el índice de refracción de las fibras de silicio permanece constante a un bajo nivel de poten-cia óptica, las altas potencias obtenidas con EDFA, pueden modular el índice con las varias intensi-dades ópticas de las señales transmitidas. Los efectos de fluctuación de índices de refracción no lineales se clasifican como, automodulación de fase SPM, modulación de fase cruzada CPM o automodulación por mezcla de cuatro ondas FWM. La automodulación de fase SPM (Self Phase Modulation), se refiere al efecto que un pulso tiene en su misma fase. El perfil de un pulso óptico representa una intensidad del mismo, el que varía en su desplazamiento por la fibra relacionado a una variación de su índice de refracción según su trayec-toria por la misma. El índice de refracción al variar en ese tiempo, modula la fase de la longitud de onda transmitida y ello ensancha el espectro de la longitud de onda del pulso óptico transmitido. Si este efecto es severo, el ensanchamiento podrá provocar el solapamiento con los canales adya-centes de un sistema modulado en longitudes de onda, DWDM. Además cuando se combina con la dispersión cromática el ensanchamiento del espectro produce el ensanchamiento del pulso. Este efecto se podrá reducir utilizando fibras con dispersión cromática baja o cero. La modulación de fase cruzada CPM ó XPM (Cross Phase Modulation), es similar al efecto SPM, pero mientras que en éste los efectos se relacionan sobre si mismo, es decir interacciones dentro de un mismo canal, en el CPM se refiere a los efectos de un pulso sobre pulsos de otros canales. El efecto SPM está presente tanto en sistemas de canales únicos como en canales múltiples, mien-tras que el efecto CPM actúa solo en sistemas múltiples.


83

La automodulación como mezcla de cuatro ondas FWM (Four Wave Mixing), también denominada mezcla de cuatro fotones, es la mezcla de 2 ó 3 longitudes de ondas ópticas para producir una lon-gitud de onda nueva. En los sistemas de dos canales, una modulación de intensidad en la frecuen-cia de pulsación modula el índice de refracción de la fibra, para producir una modulación de fases a la frecuencia de la diferencia. Esta modulación de fases genera nuevas longitudes de ondas. En los sistemas DWDM con canales espaciados los productos de las mezclas pueden caer en otros canales y producir errores de bit. Varias son las soluciones de diseño a fin de aminorar estos efec-tos. Reducir el espaciamiento entre EDFA, permitiendo disminuir los niveles de ener-gía óptica, pero utilizando mayor cantidad y amplificadores en la línea. Otro método será aumentando el espacia-miento entre canales o la elección de espaciamientos desiguales de canales. También la correcta elección de las fibras podrá optimizar el sistema óptico.

A. 7. 18. 4. Pérdidas de retorno y ruido interferométrico Al evaluar el desempeño de un sistema óptico, se advierte la importancia de los efectos de reflexión existentes en un enlace óptico. Los sistemas de transmisión analógicos son particularmente sensi-

bles a la presencia de las reflexiones, básicamente al deterioro de la relación de la señal de por-tadora del canal al ruido C/N (Canal/Noise). Las causas de reflexión pueden dividirse en dos grupos, las debidas a reflexiones distribuidas y a reflexiones puntuales. Las reflexiones distribuidas son dadas en origen a las pequeñas inhomogeneidades propias de la fabricación de la fibra óptica, principio de la Difusión de Rayleigh. El factor relativo al ruido RIN (Re-lative Intensity Noise) es creado por interferencias causadas por efectos de dispersión de Rayleigh. En sistemas análogos estas reflexiones interfieren en la correcta propagación de la luz. Las fibras que incorporan el factor RIN tiene el principal limitante de los alcances de los enlaces con amplifica-dores multicanales análogos. Reflexiones de retorno en la planta de fibra pueden hacer rápidamente inusable la señal. Las reflexiones puntuales se deben a las discontinuidades que encuentran el haz luminoso en los puntos de conexión fibra - fibra, ya fuese en empalmes como en conectores. En éstos, una pequeña parte de la potencia lumínica incidente es reflejada hacia atrás y guiada de regreso hacia el emisor. La proporción de potencia lumínica reflejada se denomina refrectancia de la interfaz: Donde Pr es la potencia reflejada y Pi la potencia incidente. La relación inversa se denomina pérdi-da de retorno. Los elementos intervinientes podrán ser los conectores, empalmes de fusión o mecánicos, divisores (splitter), acopladores o el receptor. Se deberá también considerar las pérdidas de los conectores utilizados en los acopladores, divisores y/o en el receptor. De acuerdo con el elemento incidente se obtendrá un valor de pérdida de retorno. Intervienen así mismo el tipo de pulido, corte efectuado en la fibra óptica y la ubicación de las conexiones. La ubicación, por ejemplo de los empalmes mecánicos, en instalaciones aéreas, se ve afectada por las considerables variaciones de la temperatura ambiente. Debido a que los empalmes mecánicos requieren un gel igualador del índice de refracción, a fin de eliminar la discontinuidad al pasar el haz de luz de una fibra a otra. El índice de refracción a ese fin debe ser igual al de las fibras, sin embar-go al variar la temperatura, varía la pérdida de retorno en la conexión. En instalaciones subterráneas estas variaciones de temperatura son menores, luego se puede ajus-tar mejor las pérdidas de retorno.

R (dB) = 10 log Pr / Pi


En los sistemas analógicos el fenómeno que afecta realmente su funcionamiento es en realidad el de dobles reflexiones. Podemos identificar tres tipos de dobles reflexiones: 1) La potencia retrodispersa en la fibra es nuevamente retroalimentada en su camino de retorno,

produciendo el fenómeno de doble reflexión distribuida o retroesparcimiento de Rayleigh, que afecta al receptor.

2) La potencia reflejada en el segundo punto de conexión es enviada al primer conector y luego

nuevamente reflejada en el segundo, afectando al receptor. 3) La potencia reflejada por un conector es retrodispersada por la fibra y enviada nuevamente al

receptor, al mismo tiempo la potencia retroesparcida por la fibra es reflejada en un punto de conexión y enviada nuevamente al receptor.

Llega entonces al receptor con la señal útil la potencia proveniente de múltiples reflexiones produci-das a lo largo del trayecto del enlace. Esta potencia se comporta como ruido y se conoce como rui-do interferométrico. Al cociente entre la suma de todas las dobles reflexiones y la potencia útil se denomina refrectancia interferométrica.

---ooo0ooo---

ANEXO 7 Elementos de la Red Óptica 7.pdf · Elementos de la Red Óptica A. 7. 1. Redes de Fibra...

Documents

Transcript of ANEXO 7 Elementos de la Red Óptica 7.pdf · Elementos de la Red Óptica A. 7. 1. Redes de Fibra...