Cap 10 - Introducción al Diseño de Redes Ópticas

Manual para el Curso de Tecnologías en Fibra Óptica Rodolfo Veloz Pérez

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Introducción al Diseño de Redes Ópticas

Consideraciones para el diseño básico: Cuando se da paso a realizar el diseño de una red de fibra óptica, se tienen que tener en consideración como primer punto, la velocidad de transmisión de datos del cliente (ancho de banda). Para todos los efectos, este será el punto de partida. Luego, se debe realizar el recorrido respectivo para analizar la distancia topológica de la red, y consecuentemente, todos los ambientes involucrados para determinar el tipo de cable a utilizar o los segmentos a utilizar. Luego, con este dato sabremos los cortes requeridos, y consecuentemente, la cantidad de empalmes por fusión que se deben realizar. Con toda esta información, damos paso al plano general de la red, y podemos definir el tipo de filamento y la distancia según el tipo de enlace, la cantidad de conectores, cantidad de empalmes por fusión, y si estamos en planta externa, considerar la cantidad y tipo de splitters.

Introducción al Diseñp de Redes Ópticas

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Rendimiento de un enlace de fibra óptica multimodo según TIA-568 Coeficientes de atenuación y ancho de banda Multimodo

Tipo de Cable de Fibra Optica

Longitud de Onda [nm]

Máxima Atenuación

[dB/km]

Ancho de banda modal mínimo

saturado [MHz x km]

Mínimo de ancho de banda

efectivo por longitud

[MHz x km]

Optimizada por Laser Multimodo

850 nm 50/125 µm

TIA 492AAAC (OM3)

850 3,0 1500 2000

1300 1,5 500 No requerido

Optimizada por Laser Multimodo

850 nm 50/125 µm

TIA 492AAAD (OM4)

850 3,0 3500 4700


Optimizada por Laser de Banda

Ancha Multimodo 50/125

µm TIA 492AAAE (OM5)

850 3,0 3500 4700

953 2,3 1850 2470



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El último estándar1 ha añadido especificaciones para la fibra multimodo de banda ancha la cual será denominada OM5 y ha descrito que el uso de cables OM1, OM2 y OS1 ya no son recomendados y por lo tanto han quedado como obsoletos. La atenuación máxima permisible de las fibras OM3 y OM4 a 850 nm se ha reducido a 3.0 dB/km.

Rendimiento de un enlace de fibra óptica según TIA-758 El estándar de la TIA-758, “Customer-Owned Outside Plant Telecommunications Infrastructure Standard”, o “Cableado de la planta externa propiedad del cliente” se define como el cableado instalado entre edificios o puntos en un entorno de campus propiedad del cliente. Las instalaciones del campus propiedad del cliente generalmente se denominan "planta externa" (OSP). fue desarrollado por el Subcomité de Planta Externa TR-42.4. Este estándar especifica los requisitos para vías y espacios de telecomunicaciones, cable, hardware de conexión, y sistemas de conexión a tierra para soportar una amplia gama de aplicaciones de TI (por ejemplo, voz, datos, video, alarma, control ambiental, seguridad, audio). El contenido del estándar es el siguiente:

• Infraestructura de cableado • Caminos y Espacios • Cableado • Cajas de cableado • Anexos que abordan los símbolos de OSP y la ubicación física y

protección de las plantas de cable subterráneo

1 Estándar TIA 568 3-D: Versión publicada en Agosto del año 2016.


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6.3.4.1.2 Atenuación La pérdida de inserción óptica del empalme deberá cumplir los requisitos de rendimiento de ANSI / TIA-568-C.3. 6.3.4.1.3 Pérdida por retorno Los empalmes deben cumplir los requisitos de rendimiento de pérdida de retorno de ANSI / TIA-568-C.3. Lo indicado en el estándar, implica citar el punto 5.3 del estándar de la TIA-568: 5.3 Empalme de fibra óptica Los empalmes de fibra óptica, de fusión o mecánicos, no deben exceder la pérdida máxima de inserción óptica de 0.3 dB cuando se mide de acuerdo con ANSI / EIA / TIA-455-34-A, Método A (prueba de fábrica) o ANSI / TIA-455-78-B (pruebas de campo). Los empalmes de fibra óptica, de fusión o mecánicos, tendrán una pérdida de retorno mínima de 20 dB para multimodo, 26 dB para monomodo y 55 dB para video analógico de banda ancha (CATV) de monomodo, cuando se mide de acuerdo con TIA / EIA-455-107-A. Estos dos puntos implican que debemos tener las siguientes pérdidas:

Pérdida por Inserción

Pérdida por Retorno Multimodo Monomodo CATV

0.3 [dB] 20 [dB] 26 [dB] 55 [dB]


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Presupuesto óptico multimodo según 1.4.217 de IEEE 802.3

Presupuesto de Potencia La potencia óptica mínima disponible para superar la suma de atenuación más penalizaciones de potencia de la trayectoria óptica entre el transmisor y el receptor calculada como la diferencia entre la potencia de lanzamiento del transmisor (min) y la potencia de recepción (min).


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Calculo de Presupuesto de Pérdidas Ópticas Multimodo EL presupuesto de pérdidas ópticas, conocido como OLB “Optical Loss Budget" es la suma de las atenuaciones permitidas por conectores, empalmes por fusión, y por la longitud del enlace de fibra óptica. La TIA-568 y el ISO/IEC 11801 establecen la siguiente formula para determinar los valores limites máximos para cada enlace en particular:

𝑂𝐿𝐵 = %(𝑛( ⋅ 𝐿() + (𝑛, ⋅ 𝐿,) + (𝐴𝐶/ ⋅ 𝑙)1 Donde OLB = Pérdida total, medido en [db] nc = número de conectores Lc = Pérdida del conector, medido en [dB] ns = número de empalmes por fusión Ls = Pérdida del empalme por fusión, medido en [dB] AC = Coeficiente de Atenuación, en la longitud de onda de operación de la fibra óptica, medido en [db/km] l = Longitud del enlace de fibra óptica, medido en [km] Las normas dan esos valores para los conectores, las uniones y la atenuación por km, de modo que sumando las atenuaciones introducidas por cada conector o unión y la atenuación para la longitud del enlace, se puede saber cual es la máxima atenuación permitida para ese enlace en particular. El valor leído por el instrumento de potencia óptica debe ser menor a ese OLB calculado. Normalmente los instaladores no hacen esa determinación del OLB, lo cual dará una interpretación errónea de la lectura de atenuación, ya que puede


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certificarse como buena un enlace de fibra que en realidad de acuerdo con su configuración física no cumple dentro de los valores limites establecidos. Calculando el presupuesto de perdidas ópticas Para ejemplificar el cálculo, se realizará el análisis para una red de cables Multimodo, con 2 [km] de longitud de enlace, y con cinco tipos de conexiones - dos conectores en cada extremo y tres conexiones en los paneles de conexiones del enlace y un empalme en el medio -. A continuación, se puede observar el dibujo del enlace.

Primer paso: Calcular la pérdida del enlace de fibra óptica en las longitudes de onda operativas Tipo de fibra Multimodo

Longitud del cable [km] 2,0 2,0

Longitud de onda [nm] 850 1300

Coeficiente de Atenuación [dB/km] 3 1

Pérdida total de fibra [dB] 6,0 2,0

Transmisor Receptor

Conector Empalme Enlace de Fibra Óptica


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Tipo de fibra Multimodo



Coeficiente de Atenuación [dB/km] 3 1,5

Pérdida total de fibra [dB] 6,0 3,0

Las especificaciones de la primera tabla, son valores estándares, típicos entregados por fabricantes. La segunda tabla, son los valores máximos de acuerdo con la estándar de TIA-568. Segundo paso: Pérdidas por conector En general, los conectores multimodo tendrán pérdidas de entre 0,2 y 0,5 [dB]. A continuación, calcularemos la pérdida con valores de un caso típico y el valor límite del estándar.

Valor Promedio de Pérdida de Conector Valor límite de la TIA-568

Pérdidas por conector 0,3 [dB] 0,75 [dB] Cantidad total de conectores 5 5

Pérdida total por conectores 1,5 [dB] 3,75 [dB]

De acuerdo con el estándar de TIA-568, todos los conectores pueden tener un valor máximo de 0,75 [dB] de pérdida. Los conectores en el extremo de la red de cables deben incluirse en la pérdida de la red. Al probar la red de cables, los cables de referencia se acoplan con el primer y último conector, por lo que sus pérdidas se incluirán siempre en


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las mediciones. Dicho esto, siempre en el diseño de una red, se debe incluir primer y último conector en el cálculo del presupuesto óptico. Si la referencia de “0 [dB]” para la comprobación de pérdida de inserción de realiza con un solo cable, el medidor de potencia, la fuente de luz, y el cable de lanzamiento de referencia, que es la forma más común de hacerlo, los conectores en el extremo del cable se incluirán en la pérdida por lo que deberían incluirse ambos conectores en el presupuesto de pérdida óptica. Si la referencia de “0 [dB]” para la comprobación de pérdida de inserción de realiza con tres cables, el cable de lanzamiento de referencia, un cable de recepción de referencia y un tercer cable de referencia entre ellos, método utilizado para conectores como los MPO, el presupuesto de pérdida óptica no debe incluir los conectores en el extremo. Cuando se trabaja con la referencia de “0 [dB]” con tres cables, se incluyen dos conexiones al configurar la referencia por lo que en el valor medido reflejará la reducción del valor de esas dos conexiones. Si el presupuesto de pérdida óptica se calcula sin los conectores de los extremos, el valor se aproximará más a los resultados de las pruebas con referencia con tres cables. También, cuando se calcula la pérdida del "canal", la red de fibra óptica instalada de forma definitiva incluyendo los jumpers o patch coros de fibra óptica que se conectan directamente con los transceiver, no debe el presupuesto óptico considerar los conectores en el extremo.


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Tercer paso: Pérdidas por empalmes Se pueden estimar valores en diseño de 0,1 [dB] a 0,5 [dB] para empalmes de redes multimodo teniendo en cuenta que 0,3 [dB] es un buen promedio para un instalador experimentado. Por otra parte, los empalmes por fusión de redes de fibra óptica monomodo en general tendrán menos de 0,05 [dB].

Perdidas por Empalme en Multimodo

Pérdidas por empalmes 0,3 dB Cantidad total de empalmes 1 Pérdida total de empalmes 0,3 dB Para efectos de cálculo de presupuesto de pérdida óptica todos los empalmes pueden tener un valor máximo de 0,3 [dB] de acuerdo con el estándar TIA 568. Cuarto paso: Pérdida total de la red de cables Al sumar las pérdidas en la fibra, por conectores y por empalmes se obtiene la pérdida total del enlace de la red de cables.

Pérdida Caso ideal en fibra multimodo [máx. según norma TIA 568]

Longitud de onda [nm] 850 1300 Pérdida total en la fibra [dB] 6,0 2,0

Pérdida total por conectores [dB] 1,5 1,5

Pérdida total por empalmes [dB] 0,3 0,3

Otros [dB] 0 0

Pérdida total en el enlace [dB] 7,8 3,8


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Pérdida Caso Límite en fibra multimodo según TIA-568


Pérdida total en la fibra [dB] 6,0 3,0



Otros [dB] 0 0


Estos valores de pérdida en la red de cables deben ser los criterios para seguir para realizar las comprobaciones. Se debe dejar un margen de +/- 0,2 a 0,5 [dB] correspondiente a la incertidumbre de medida, valor que será el criterio de aprobación.


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Cálculo del Rango Dinámico El presupuesto de pérdida óptica de los componentes de la red depende del rango dinámico, es decir, la diferencia entre la sensibilidad del receptor y la potencia de salida de la fuente a la fibra. Es necesario tener en cuenta cierto margen para el deterioro del sistema por el paso del tiempo o por causas ambientales. Este margen recomendado es de 3 [dB]. Al restar dicho margen se obtendrá el presupuesto de pérdida óptica para el enlace.

Tipo de fibra Multimodo Longitud de onda de operación [nm] 1300

Sensibilidad del receptor [dBm en BER requerido] -31

Salida promedio del transmisor [dBm] -16 Rango dinámico [dB] 15 Margen de exceso recomendado [dB] 3

Con lo anterior identificado, se realiza el cálculo del margen de pérdida en el enlace [dB] Para el ejemplo tomado de Multimodo en 1300 [nm]:

Valor Estándar Valor Límite TIA-568

Rango dinámico (dB) (superior) 15 15 Pérdida en el enlace de la red de cables (dB en 1300 nm) 3,8 7,05

Margen de pérdida en el enlace (dB) 11,2 7,95 Como regla general, se espera que el margen de pérdida sea aproximadamente mayor a 3 [dB], de manera que quedaba contemplada la degradación de los enlaces por el paso del tiempo, así como la realización de


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empalmes en futuras reparaciones. Las fuentes LED o láser en el transmisor pueden desgastarse y perder potencia, los conectores o los empalmes pueden deteriorarse y además los conectores pueden ensuciarse si se desconectan para comprobación. Si los cables llegaran a cortarse de forma accidental, el margen de exceso recomendado (3 [dB]) será necesario para que los empalmes puedan repararse. Hoy en día, las redes LAN de alta velocidad de transmisión de datos tienen escaso margen debido al elevado ancho de banda requerido. En algunos de estos enlaces se requiere incluso adecuar el reducido presupuesto de potencia óptica disponible, ya que se asume que las perdidas por conectores y en la fibra son extremadamente bajas.


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ANSI / TIA-568-C.3 Sección 4.2 Coeficientes de atenuación y ancho de banda Monomodo

Tipo de Cable de Fibra Optica

Longitud de Onda [nm]

Máxima Atenuación

[dB/km]

Ancho de banda modal mínimo

saturado [MHz x km]

Mínimo de ancho de banda

efectivo por longitud

[MHz x km]

Monomodo Interior / Exterior

TIA 492CAAB (OS2)

1310 0,5 N/A N/A

1383 0,5 N/A N/A

Monomodo Planta Interna TIA 492CAAB

(OS2)

1550 0,5 N/A N/A

1310 1,0 N/A N/A

1383 1,0 N/A N/A

Monomodo Planta Externa TIA 492CAAB

(OS2)

1550 1,0 N/A N/A

1310 0,4 N/A N/A

1550 0,4 N/A N/A

La atenuación máxima permisible de la fibra clasificada como OS2 para planta externa se ha reducido a 0,4 [dB] por kilómetro.


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Calculo de Presupuesto de Pérdidas Ópticas Monomodo Calculando el presupuesto de perdidas ópticas Para ejemplificar el cálculo, se realizará el análisis para una red de cables estándar. Ahora, tomaremos el enlace Monomodo, con 2 [km] de longitud de enlace, y con cinco tipos de conexiones - dos conectores en cada extremo y tres conexiones en los paneles de conexiones del enlace y un empalme en el medio -. A continuación, se puede observar el dibujo del enlace.

Primer paso: Calcular la pérdida del enlace de fibra óptica en las longitudes de onda operativas Tipo de fibra Monomodo



Coeficiente de Atenuación [dB/km] 0.4 0.3

Pérdida total de fibra [dB] 0.8 0.6

Conector Empalme Enlace de Fibra Óptica

TX RX


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Tipo de fibra Monomodo

Longitud del cable [km] 2,0


Coeficiente de Atenuación [dB/km] 1 0,5 1 0,5

Pérdida total de fibra [dB] 2 1 2 1

Las especificaciones de la primera tabla, son valores estándares, típicos entregados por fabricantes. La segunda tabla, son los valores máximos de acuerdo con la estándar de TIA-568. En el caso de fibra monomodo, se permite una pérdida más alta para distintas aplicaciones. En este ejemplo:

• 1 [dB/km] para planta interna • 0.5 [dB/km] para planta externa.

Segundo paso: Pérdidas por conector. En general, los conectores multimodo tendrán pérdidas de entre 0,2 y 0,5 [dB]. Los conectores monomodo, prefabricados y de fusión directa tendrán pérdidas de entre 0,1 y 0,2 [dB]. Los conectores monomodo terminados en campo pueden tener pérdidas de entre 0,5 y 1,0 dB. A continuación, calcularemos la pérdida con valores de un caso típico y valores en el peor de los casos.

Valor Promedio de Pérdida de Conector Valor límite de la TIA-568

Pérdidas por conector 0,3 [dB] 0,75 [dB] Cantidad total de conectores 5 5

Pérdida total por conectores 1,5 [dB] 3,75 [dB]


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De acuerdo con el estándar de TIA-568, todos los conectores pueden tener un valor máximo de 0,75 [dB] de pérdida. Los conectores en el extremo de la red de cables deben incluirse en la pérdida de la red. Al probar la red de cables, los cables de referencia se acoplan con el primer y último conector, por lo que sus pérdidas se incluirán siempre en las mediciones. Dicho esto, siempre en el diseño de una red, se debe incluir primer y último conector en el cálculo del presupuesto óptico. Tercer paso: Pérdidas por empalmes Se pueden estimar valores en diseño de 0,1 [dB] a 0,5 [dB] para empalmes de redes multimodo teniendo en cuenta que 0,3 [dB] es un buen promedio para un instalador experimentado. Por otra parte, los empalmes por fusión de redes de fibra óptica monomodo en general tendrán menos de 0,05 [dB].

Perdidas por Empalme en Monomodo

Pérdidas por empalmes 0,05 [dB] Cantidad total de empalmes 1 Pérdida total de empalmes 0,05 [dB] Para efectos de cálculo de presupuesto de pérdida óptica todos los empalmes pueden tener un valor máximo de 0,3 [dB] de acuerdo con el estándar TIA 568.


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Cuarto paso: Pérdida total de la red de cables Al sumar las pérdidas en la fibra, por conectores y por empalmes se obtiene la pérdida total del enlace de la red de cables.

Pérdida caso ideal en fibra monomodo [máx. según norma TIA 568, planta interna/externa]

Longitud de onda [nm] 1310 1550 Pérdida total en la fibra [dB] 0,8 0,6



Otros [dB] 0 0


Pérdida Caso Límite en fibra monomodo según TIA-568 (planta interna/externa)


Pérdida total en la fibra [dB] 2 1 2 1

Pérdida total por conectores [dB] 3,75 3,75 3,75 3,75

Pérdida total por empalmes [dB] 0,3 0,3 0,3 0,3

Otros [dB] 0 0 0 0 Pérdida total en el enlace [dB] 6,05 5,05 6,05 5,05


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Estos valores de pérdida en la red de cables deben ser los criterios para seguir para realizar las comprobaciones. Se debe dejar un margen de +/- 0,2 a 0,5 [dB] correspondiente a la incertidumbre de medida, valor que será el criterio de aprobación.


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Cálculo del Rango Dinámico El presupuesto de pérdida óptica de los componentes de la red depende del rango dinámico, es decir, la diferencia entre la sensibilidad del receptor y la potencia de salida de la fuente a la fibra. Es necesario tener en cuenta cierto margen para el deterioro del sistema por el paso del tiempo o por causas ambientales. Este margen recomendado es de 3 [dB]. Al restar dicho margen se obtendrá el presupuesto de pérdida óptica para el enlace.

Tipo de fibra Monomodo Longitud de onda de operación [nm] 1310

Sensibilidad del receptor [dBm en BER requerido] -31

Salida promedio del transmisor [dBm] -16 Rango dinámico [dB] 15 Margen de exceso recomendado [dB] 3

Con lo anterior identificado, se realiza el cálculo del margen de pérdida en el enlace [dB] Para el ejemplo tomado de Monomodo en 1310 [nm]:

Valor Estándar Valor Límite TIA-568

Rango dinámico (dB) (superior) 15 15 Pérdida en el enlace de la red de cables (dB en 1300 nm) 3,8 7,05

Margen de pérdida en el enlace (dB) 11,2 7,95 Como regla general, se espera que el margen de pérdida sea aproximadamente mayor a 3 [dB], de manera que quedaba contemplada la


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degradación de los enlaces por el paso del tiempo, así como la realización de empalmes en futuras reparaciones. Las fuentes Láser en el transmisor pueden desgastarse y perder potencia, los conectores o los empalmes pueden deteriorarse y además los conectores pueden ensuciarse si se desconectan para comprobación. Si los cables llegaran a cortarse de forma accidental, el margen de exceso recomendado (3 [dB]) será necesario para que los empalmes puedan repararse.


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Información de Soporte de Aplicación La tabla a continuación enumera las distancias máximas admitidas y la atenuación máxima del canal para aplicaciones que utilizan cableado de fibra óptica, según anexo en estándar TIA-568. La tabla se basa en los requisitos mínimos de rendimiento de fibras ópticas de 62.5/125 μm, 50/125 μm, 50/125 μm optimizados para láser de 850 nm y fibra monomodo establecida por el estándar TIA-568, en el capítulo de fibra óptica. Las aplicaciones se identifican utilizando nombres estándar de la industria según IEEE.

Tecnología Parametro nominal de Longitud de

Onda

Multimodo Monomodo

62,5/125 OM1

50/125 OM2

50/125 Optimizada para Laser

OM3

OS1 / OS2

850 [nm]

1300 [nm]

850 [nm]

1300 [nm]

850 [nm]

1300 [nm]

1310 [nm]

1550 [nm]

Ethernet 10/100BASE-SX

Atenuación de Canal [dB] 4 4 4

Distancia Máxima Soportada [m] 300 300 300

Ethernet 100BASE-FX

Atenuación de Canal [dB] 11 6 6


Ethernet 1000BASE-SX

Atenuación de Canal [dB] 2,6 3,6 4,5


Ethernet 1000BASE-LX

Atenuación de Canal [dB] 2,3 2,3 2,3 4,5

Distancia Máxima Soportada [m] 550 550 550 5000


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Onda

Multimodo Monomodo

62,5/125 OM1

50/125 OM2


OM3

OS1 / OS2

850 [nm]

1300 [nm]

850 [nm]

1300 [nm]

850 [nm]

1300 [nm]

1310 [nm]

1550 [nm]

Ethernet 10GBASE-S



Ethernet 10GBASE-LX4

Atenuación de Canal [dB] 2,5 2,0 2,0 6,3

Distancia Máxima Soportada [m] 300 300 300 10000

Ethernet 10GBASE-L

Atenuación de Canal [dB] 6,2

Distancia Máxima Soportada [m] 10000

Ethernet 10GBASE-LRM



Fibre Channel 100-MX-SN-I (1062 Mbaud)



Fibre Channel 100-SM-LC-L (1062 Mbaud)







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Onda

Multimodo Monomodo

62,5/125 OM1

50/125 OM2


OM3

OS1 / OS2

850 [nm]

1300 [nm]

850 [nm]

1300 [nm]

850 [nm]

1300 [nm]

1310 [nm]

1550 [nm]

Fibre Channel 200-MX-LC-L (2125 Mbaud)















FDDI PMD ANSI X3. 166



FDDI SMF-PMD ANSI X3. 184



Cap 10 - Introducción al Diseño de Redes Ópticas

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