Transmisión Mediante Fibra Óptica

Principios de la transmisión por Fibra Óptica

La fibra óptica no es más un. La luz queda atrapada en este

conducto y se propaga a la máxima velocidad posible a lo largo del

mismo. La velocidad de propagación de la luz depende del tipo de

material transparente empleado, ya que la máxima velocidad c =

299.792.458 m/s sólo se alcanza en el vacío. En el resto de medios

la propagación se produce a menor velocidad, la relación entre la

velocidad de la luz en el vacío y en otro medio, se conoce como

índice de refracción del medio y es característico de cada

material.

El motivo físico por el cual la luz queda atrapada dentro del

conducto, se basa en las leyes de reflexión y refracción de la luz,

según las cuales, cuando un rayo atraviesa la frontera desde un

medio físico transparente a otro también transparente, pero donde

la velocidad de propagación es menor, la trayectoria del mismo

varía, siguiendo una ley física conocida como Ley de Snell.

Este es el motivo de que cuando se mete un palo en el agua, éste

parece doblarse.

Más concretamente el fenómeno óptico en el que se fundamenta la

transmisión de la luz en el conducto de fibra de vidrio se denomina

TIR (Total Internal Reflection), según el cual, cuando un rayo de luz

pasa de un medio hacia otro con menor índice de refracción, si

incide sobre la frontera de los materiales con un ángulo

determinado, no pasa ninguna luz a través de la frontera del

material. El ángulo a partir del cuál el rayo de luz queda totalmente

atrapado se denomina ángulo crítico de incidencia.

El esquema siguiente muestra el ángulo crítico de incidencia en

rojo.

En la espectacular fotografía obtenida de la wikipedia que se

muestra a continuación, se puede apreciar perfectamente el

fenómeno de la TIR:

Los cables de fibra óptica se construyen basándose en ese principio.

Veamos un ejemplo gráfico:

n núcleo  > n revestimiento.  > n aire

El rayo 1 se refleja parcialmente porque también se refracta.

El rayo 2 se refleja totalmente 

 

 Si se hace un corte transversal de un cable de fibra, se pueden

distinguir sus componentes principales:

La parte central de la fibra óptica es el núcleo, su tamaño, como se

verá en el apartado siguiente depende del tipo de fibra con el que

se esté trabajando, aunque los estándares son 8.3 µm (monomodo),

50 µm (multimodo) y 62.5 µm (multimodo). El revestimiento tiene

un diámetro de 125 µm. Para hacer una analogía, un cabello

humano tiene unos 70 µm de diámetro.

Por último, los cables están recubiertos por una cubierta protectora,

semirígida, que protege al núcleo y al revestimiento de posibles

daños. Tanto el núcleo como el revestimiento están formados por

distintos materiales, normalmente cristal de silicio (SiO2) de

distintas composiciones para provocar el fenómeno TIR.

Los conectores son interconexiones fibra-a-fibra que alinean el núcleo de ambas

fibras y la principal diferencia entre ellos es el tipo de enganche mecánico y su

tamaño. Los cables se terminan en diferentes terminaciones que permiten conectarlos

a los paneles y bandejas de fibras existentes en los armarios de comunicaciones.

 

Si se corta un cable de fibra óptica, y es necesario repararlo, el

proceso, consiste en la unión de ambos extremos del cable y su

fusión posterior. El proceso es técnicamente complejo y requiere

maquinaria y personal altamente especializados.

Además de los cables, debemos tener en cuenta que un sistema de

transmisión óptico consta de varios componentes esenciales:

La fuente de luz

El medio de transmisión

El detector

 

El medio de transmisión es la propia fibra de vidrio, la fuente de luz

suele ser un láser, y el receptor un elemento fotosensible. La

información se codifica de modo que un pulso de luz indique un 1 y

la ausencia del mismo un 0.

Una vez que la luz entra en una fibra óptica, se propaga de una

forma uniforme llamada modo, que no es más que el camino que

sigue a través de una fibra (la onda electromagnética)

Dependiendo del número de modos de propagación, hay dos

grandes tipos de fibra óptica que se describen en los siguientes

subapartados.

Fig: Comparación cable de cobre frente a cable de fibra óptica

Fig: Estructura de un cable de fibra óptica

Hay dos grandes tipos de fibra óptica que se describen en los

siguientes subapartados.

Fibras monomodo.

Son fibras con el núcleo de vidrio mucho más fino que en el

siguiente caso, permitiendo el paso de un único haz de luz. Estas

fibras tienen la característica de tener un alcance muy superior

(hasta 10 Km) Para su correcto funcionamiento se precisan

emisores láser más potentes y sofisticados, lo que encarece su uso.

Estas fibras se emplean fundamentalmente para conexiones de

media, larga y muy larga distancia (desde 550m hasta 40km)

Las fibras monomodo no sufren tanto el fenómeno de la dispersión

(ver apartado siguiente) como las multimodo ya que por la fibra

sólo viaja un pulso de luz cada vez. También tiene menos

atenuación (absorción parcial al ser reflejada en el revestimiento)

lo que garantiza una transmisión de la señal más fidedigna.

Una de las desventajas de este tipo de fibras, es que al ser el

núcleo mucho más estrecho que en las fibras multimodo, la

conexión entre dos fibras tiene que ser mucho más precisa,

encareciendo los conectores y el coste del cable en general.

Existen 3 tipos básicos de fibra monomodo: NDSF, DSF y NZ-DSF.

Las diferencias entre los 3 tipos se basan principalmente en su

adecuación para el funcionamiento con diferentes láser que

funcionen en distintas longitudes de onda.

Por último, una familia de fibras monomodo, las PM (Polarization-

maintaining), son capaces de transmitir sólo una polarización de la

luz de entrada, lo cual tiene aplicaciones muy interesantes en la

industria.

Fibras multimodo.

Fibras que permiten el paso de varios haces de luz (modos) a través

del núcleo, que se reflejan con distintos ángulos dentro del núcleo.

Su alcance es limitado a construcciones con poca distancia entre

ellas.

Este tipo de fibras tienen un núcleo (core) con un diámetro mucho

mayor que el de las fibras monomodo.

Dentro de las fibras multimodo, existen dos tipos principales, las de

índice escalonado y las de índice gradual, que permiten un alcance

ligeramente superior.

En las fibras de índice escalonado, se propagan varias ondas o

modos diferentes a través de la fibra.

Unas ondas se propagan completamente paralelas al

revestimiento, por el núcleo de la fibra

Otras se refleja continuamente, atrapadas por el fenómeno

TIR

El resto, se refracta en el revestimiento

Intuitivamente se ve que las ondas que se reflejan, recorren mucha

mayor distancia que las que se propagan por el núcleo sin

reflejarse. Esto da lugar a un fenómeno, conocido como dispersión

que produce atenuación de la señal transmitida. Este fenómeno es

inevitable en la fibra óptica multimodo y es el ocasionante de que la

longitud de estas fibras no pueda ser tan grande como la de las

fibras monomodo.

En las fibras de índice gradual, el índice de refracción del núcleo

decrece desde el centro hacia el revestimiento. Esto hace que se

reduzca la dispersión, ya que los haces llegan casi al mismo tiempo,

ya que cerca del revestimiento, los rayos se propagan más

rápidamente que en el núcleo.

Tipologías de red FTTx

Se entiende por red de acceso de fibra óptica al conjunto de

elementos tecnológicos que conectan  los terminales de los

usuarios finales hasta los equipos terminales de la red de

transporte. Comúnmente se denomina a éste tramo la última milla.

Dependiendo del punto de terminación de la fibra óptica, el tipo de

red recibe un nombre u otro distinto. Para abarcar todas las

tipologías posibles  se utiliza el denominador común FTTx

Entre las diferentes tipologías encontramos:

Fibra hasta el hogar (Fiber to the Home, FTTH)

Fibra hasta la acera (Fiber To The Curb, FTTC)

Fibra hasta el edificio (Fiber To The Building, FTTB)

Sistemas de accesos ópticos para FTTH

Existen dos principales arquitecturas de red para los sistemas de

accesos ópticos: arquitecturas activas y arquitecturas pasivas.

La principal diferencia entre arquitecturas activas y pasivas se

encuentra  en que  las pasivas el ancho de banda disponible se

multiplexa en una misma fibra repartiéndolo entre todos los

usuarios a partes  iguales o según una calidad de servicio

preestablecida, en cambio en las arquitecturas activas el ancho de

banda disponible es dedicado por fibra y por usuario.

Evidentemente, éste tipo de accesos tiene un coste más elevado.

Entre las arquitecturas activas  encontramos principalmente las

redes PTP (Point To Point) y redes Ethernet Activas (Active Star

Ehternet) y para las arquitecturas de red pasivas, las redes PON

(Passive Optical Network).

Redes PTP: Redes punto a punto.

Las redes punto a punto son líneas de acceso permanente  en las

que se usa una única fibra para   conectar a dos nodos de

transmisión, por ejemplo, entre el proveedor de Internet y el

usuario final, o conexiones entre sedes de una empresa. Estas

redes se comportan como un enlace donde todo el ancho de banda

es dedicado y exclusivo. El gran inconveniente de esta topología es

su elevado precio.

Como ventaja presentan una gran fiabilidad en la transmisión de

datos  y permiten una comunicación bidireccional full-dúplex.

Redes PON (Passive Optical Network).

Introducción a las redes xPON.

Una red óptica pasiva es una configuración de red que por sus

características provee una gran variedad de servicios de banda

ancha a los usuarios mediante accesos de fibra óptica.

La utilización de arquitecturas pasivas permite reducir los costes y

son utilizadas principalmente en las redes FTTH. Por contrapartida,

el ancho de banda no es dedicado, sino multiplexado en una misma

fibra en los puntos de acceso de red de los usuarios. En definitiva,

se trata una configuración de red punto-multipunto.

Avanzando desde la red hacia el usuario podemos decir que una 

arquitectura de red PON está formada por los siguientes equipos:

un Terminador de red Óptico (OLT, Optical Line Termination)  en la

central local del proveedor de servicios y  una serie de Unidades de

Red Ópticas (ONU, Optical Network Units)  próximo a los usuarios de

acceso.

 

Fig. Ejemplo arquitectura de red PON

Fig: Split para redes PON

Existen varias tipologías de redes PON englobadas por el

denominador común xPON, entre ellas, APON, BPON, GPON y EPON.

Estándares xPON.

Realizando un seguimiento cronológico encontramos los siguientes

estándares para redes xPON basados en las recomendaciones ITU-T

G.983, ITU-T G.984 e IEEE 802.3ah                                     

Recomendación: ITU-T G.983

APON (ATM Passive Optical Network ): Esta fue el primer estándar de

red pasiva, se usaba principalmente para aplicaciones de empresas

y estaba basado en transmisión de tráfico ATM.

BPON (Broadband PON), es un estándar basado en APON aportó

nuevas mejoras como la multiplexación  por longitud de onda o

WDM,  incrementando de esta manera el ancho de banda.

Recomendación ITU-T G.984

GPON (Gigabit PON): Es una evolución de BPON, permitiendo una

optimización de la transmisión del tráfico IP y  ATM mediante celdas

de tamaño variable.      

Recomendación IEEE 802.3ah

EPON (Ethernet PON): La principal característica es que transporta

tráfico nativo de red Ethernet en lugar del clásico tráfico ATM. Se

optimiza el tráfico IP, se mejora la seguridad y soporta mayores

velocidades de transmisión de datos.

Las  características principales de los  estándares expuestos

anteriormente se pueden apreciar en el siguiente cuadro resumen:

Basado en el Standard IEEE 802.ah, las redes activas Ethernet

proveen de ancho de banda simétrico con velocidades superiores a

1Gbps por puerto sobre una única fibra utilizando para ello dos

longitudes de onda multiplexadas y diferenciadas sobre cada fibra

óptica.

De ésta manera con cada longitud de onda tenemos dos slots de

transmisión, un slot se utiliza como canal de transmisión y otra para

el canal  de recepción.

Esto nos permite una transmisión de datos Full-Dúplex  mediante

una conexión punto a punto con un ancho de banda dedicado al

usuario.

En las redes PON define como máxima distancia entre un OLT y un

equipo ONU de 20 Km   para que la red PON sea operativa, con las

redes Ethernet activas éste límite desaparece permitiéndose

distancias superiores a 80Km desde el punto de distribución hasta

el usuario.

Protocolos

La transmisión y la recepción de información por una fibra óptica

siguen métodos de codificación o protocolos similares a los de otro

medio de transporte no óptico cuando se establece entre dos

puntos determinados. El sistema más sencillo es modular la señal

óptica variando la intensidad eléctrica que se aplica al dispositivo

generador de la luz. Esto permite enviar una sola señal. En los

casos en que se utiliza para transmitir diferentes señales en el

mismo canal, la técnica más simple es la de modulación de

subportadoras. La señal es superpuesta en subportadoras

auxiliares y luego combinadas utilizando la señal eléctrica

resultante para modular la portadora óptica (SCM: Sub Carrier

Multiplexing). Estas técnicas anteriores son heredadas de los

sistemas de comunicaciones de radiofrecuencia. Más propio de la

comunicación óptica, para este tipo de enlaces, es la tecnología de

combinación de un número de longitudes de onda en la misma

fibra (WDM: Wavelength Division Multiplexing). La transmisión de

luz por las fibras ópticas presenta diferentes propiedades en

función de la longitud de onda del haz que la recorre. La principal

característica que se aprovecha para este tipo de transmisión de

información es la atenuación que presenta la fibra para las

distintas frecuencias de la fuente de luz.

Para ver el potencial de WDM, primero examinaremos las

características de una fuente de luz de alta calidad. Como ejemplo,

la salida modulada de un láser de tipo DFB (Distributed Feedback

Laser) tiene un espectro de frecuencias de 10 a 50 MHz, lo que

equivale a un ancho de 1E-3 nm (1 milésima de nanómetro o

picómetro). Cuando se usa una fuente como esta se suele

establecer una banda de guarda –separación entre canales

adyacentes– de 0,4 a 1,6 nm previendo posibles alteraciones con

el paso del tiempo o efectos de la temperatura. En la figura

anterior podemos ver dos regiones de poca atenuación de una

fibra mono-modo. Por un lado el rango de 1270 a 1350 nm

(llamado ventana de 1310 nm) y por otro lado el rango de 1480 a

1600 nm (la ventana de 1550 nm). Para encontrar el ancho de

banda correspondiente a un ancho espectral en particular, usamos

la relación c=λv que relaciona la longitud de onda λ, con la

frecuencia portadora v, donde c es la velocidad de la luz.

Diferenciando esto tenemos que para Δλ<<λ² |Δv| = (c/λ²) |Δλ|

De la ecuación anterior tenemos que Δv = 14 THz (Tera Hercios)

para una banda espectral usable de Δλ = 80 nm en la ventana de

1310 nm. E, igualmente obtenemos que Δv = 15 THz para una

banda espectral utilizable de Δλ = 120 nm en la ventana de 1550

nm. Esto da como resultado un ancho de banda total de la fibra de

unos 30 THz en las dos ventanas de baja atenuación. Usando

diferentes fuentes de luz, cada una emitiendo con una longitud de

onda que esté suficientemente espaciada de su vecina, de tal

manera que no se interfieran, la integridad de los mensajes

independientes de cada fuente se mantiene para una posterior

conversión a señales eléctricas en el receptor. La definición de

estos canales de comunicación en función de la longitud de onda,

se establece según ITU (International Telecommunication Union) en

frecuencias. La razón fundamental para seleccionar frecuencias fijas

para el espaciado de canales, en lugar de longitudes de onda,

radica en que al fijar el modo de funcionamiento de un láser es la

frecuencia lo que se selecciona. La recomendación ITU-T G.692

especifica que los canales han de ser seleccionados de unas

frecuencias referenciadas a 193,100 THz (1552,524 nm) y

espaciarlos 100 GHz (0,8 nm a 1552 nm). Otras alternativas de

espaciado son 50 GHz (0,4 nm) y 200 GHz (1,6 nm). La ventaja

fundamental de WDM es que las longitudes de onda discretas

forman un conjunto de portadoras ortogonal que pueden ser

separadas, enrutadas y conmutadas sin interferirse una en la otra.

Con la llegada de las líneas de transmisión de fibra óptica, el

siguiente paso en la evolución de TDM (Time Division Multiplexing)

fue la creación de un formato estándar de señal llamado SONET

(Synchronous Optical Network) para Norte América y SDH

(Synchronous Digital Hierarchy) en otras partes del mundo. Los

protocolos SONET y SDH especifican formatos para las señales

ópticas que pueden ser compartidas entre diferentes redes

(europea y americana). Las características más relevantes de estos

estándares cubren la normalización de la estructura de los datos

(data-frame), las especificaciones del interfaz óptico y las

arquitecturas de llamada fundamentales. Aunque hay algunas

diferencias en la implementación entre SONET y SDH, todas las

especificaciones SONET cumplen con las recomendaciones SDH.

En la figura anterior podemos ver la estructura básica de una

trama SONET. Es una estructura bidimensional consistente en 90

columnas de 9 filas de octetos. La trama fundamental tiene 125 µs

de duración. Tenemos entonces que, la velocidad de transferencia

de una señal básica SONET es: STS-1 = (90 octetos/fila) * (9

filas/trama) * (8 bitios/octeto) / (125 µs/trama) = 51,84 Mb/s Esto

es lo que se llama una señal STS-1, donde STS significa

Syinchronous Transport Signal. Todas las demás señales SONET

son múltiplos enteros de esta tasa de transferencia, así que una

señal STS-N tiene un bit-rate (tasa de transferencia) de N veces

51,84 Mb/s. Tras la conversión eléctrica a óptica, la señal óptica de

la capa física que resulta es denominada OC-N, donde OC significa

Optical Carrier. Es muy corriente referirse a los enlaces SONET

como enlaces OC-N.

En SDH la velocidad básica de transferencia que se toma es

equivalente a STS-3 que corresponde a 155,22 Mb/s; a la que se

llama STM-1 (Synchronous Transport Module – Level 1). A las

velocidades más altas se las denomina de la forma STM-M. Los

valores de M (en SDH) soportados por las recomendaciones ITU-T

son M = 1, 4, 16, y 64. Son equivalentes a SONET OC-N , donde N =

3M. Vemos que, en la práctica para mantener la compatibilidad

entre SONET y SDH, N ha de ser un múltiplo de 3.

Tanto SONET como SDH tratan primero la señal antes de su transmisión para

prevenir largas secuencias de 1 o de 0 que produciría pérdida de sincronismo.

Distancia

de

transmisió

n

Ventana

1310 nm

Ventana

1550 nm

Atenuación

a 1310 nm

Atenuación

a 1550 nm

< 15 km

< 40 km

< 80 km

1260-1360

nm

1260-1360

1430-1580

nm

1430-1580

3,5 dB/km

0,8 dB/km

0,5 dB/km

No

especificada

0,5 dB/km

nm

1280-1335

nm

nm

1480-1580

nm

0,3 dB/km

Fig: Rangos de longitud de onda y atenuación de la fibra según la

distancia de la transmisión

Despliegue de RED

La mayoría de las instalaciones de fibra óptica de hoy en día se

realizan utilizando uno de los tres métodos más conocidos. Cada

uno de ellos tiene ventajas e inconvenientes respecto del otro y

son elegidos para cada instalación en función de varias

consideraciones como por ejemplo, económicas, derechos de paso,

características de la red, estéticas y de cuidado del entorno. Dos

de estos métodos enrutan el cable por el subsuelo y el otro

transporta el cable por encima del terreno mediante postes.

Esquemáticamente:

Soterramiento directo

Canalizado y soterrado

Instalación aérea

Soterramiento Directo (Directamente Enterrado)

Cuando se trata de instalaciones nuevas o rehabilitadas son más

utilizados los soterramientos, ya sea canalizados o directamente el

cable bajo el suelo. Se deja la instalación aérea para las

infraestructuras cuyas conducciones ya están saturadas y sería

costosa su ampliación.

Para el soterramiento directo, donde el cable de fibra va sin

protección, y por tanto en contacto directo con el suelo, es

necesario el uso de maquinaria pesada. El cable es introducido en el

terreno creando una zanja (que ha de ser recubierta

posteriormente) o simultáneamente excavando e insertando el

cable con máquinas especializadas. Es el sistema más costoso

inicialmente de los tres.

Canalizado y Soterrado

Las instalaciones canalizadas requieren la colocación previa de un

conducto que conducirá uno o varios cables entre dos puntos de

acceso. Los puntos de acceso son registros de manipulación que

pueden ser tan grandes como para la entrada de una persona o

tan solo como una mano. Este tipo de instalación requiere un

dispositivo de introducción del cable dentro de la canalización

(también puede ser manual), un instrumento de medida de tensión

y un lubricante compatible con la fibra óptica que reduzca la

fricción en la canaleta. Las redes canalizadas se suelen instalar

como previsión a futuros requerimientos de capacidades, ya que,

son fácilmente ampliables.

Aérea

La instalación de cable aérea se realiza sobre postes y torres que,

permiten el enrutamiento del camino de transmisión óptico sobre

el terreno. El método más común es usar un cable metálico guía

entre los postes o torres que servirá de soporte duradero de las

fibras que son mucho más delicadas.

Fibra Óptica en el Hogar

La llegada de la fibra óptica hasta el hogar requiere, además de la

instalación que realiza la compañía que distribuye la señal, de un

desembolso por parte del usuario del servicio que garantice la

correcta distribución de la señal. La instalación dentro del hogar ha

de incluir cableado y tomas suficientes: en cada habitación se

recomienda un mínimo de dos tomas. Además esta instalación

interior ha de cumplir la ISO11801 (categoría 5E). La instalación ha

de unir dos puntos cualesquiera de la casa, cumplir cualquier

topología de red, ser de las mismas características y cumplir los

estándares internacionales y ser de manejo sencillo.

El punto de entrada al hogar de la fibra óptica se realiza mediante

un equipo denominado ONU (Optical Network Unit) que es el

encargado de adaptar las señales ópticas y comunicarse con la

central (OLT) extrayendo la información destinada al usuario que

se conecta a él y separándola del resto de la trama que circula por

la fibra.