Composición del Cable de Fibra Óptica Los cables de fibra óptica se fabrican con diversos materiales para adecuarse al entorno de instalación. Los cables de exteriores deben ser fuertes, a prueba de intemperie y resistentes a los rayos ultravioleta. El cable debe resistir las variaciones máximas de temperatura que se pueden dar durante el proceso de instalación y a lo largo de su vida útil. A menudo, un cable se especifica con 2 rangos de temperatura. Un rango especifica las temperaturas de instalación y manejo del cable y el otro rango indica el máximo rango de temperatura del cable después que se encuentre instalado y se halle en su posición estática final. Los cables de interiores deberán ser fuertes, flexibles y con el grado requerido de resistencia al fuego (ignífugo) o de emisión de humos. Algunos de los materiales más usados en la composición de un cable son: Polietileno: Polietileno: Se utiliza para la cubierta de protección del cable común en instalaciones en exteriores. La cubierta de tipo negro es resistente a la intemperie y humedad. Es un buen aislante y posee características dieléctricas estables. Cloruro de polivinilo (pvc): Las cubiertas de PVC ofrecen resistencia a los efectos medioambientales. Es un buen retardador del fuego y se puede encontrar en instalaciones de interior y exterior. El PVC es menos flexible que el Polietileno y más caro. Poliuretano: Material común en la cubierta de cables. Muchas composiciones tienen buenas propiedades de resistencia al fuego y es más duro y ligero que otros materiales. Hidrocarburos polifluorados (fluoropolímeros): (fluoropolímeros ): Su utilización en la cubierta de cables ofrece buenas propiedades de resistencia al fuego, poca emisión de humos y buena flexibilidad. Muy usado en instalaciones en interiores. LSZH (LowSmoke Zero Halogen): Su utilización en la cubierta de cables permite ser retardante al fuego y una emisión de humo h umo de baja toxicidad. Kevlar: Es un material ligero que se encuentra justo por dentro de la cubierta del cable rodeando a las fibras, y que se puede utilizar como miembro central de refuerzo.El material es fuerte y se utiliza para proteger los tubos o fibras individuales en el cable. KEVLAR es una marca particular de cabos de aramida que es capaz de soportar un esfuerzo mecánico muy grande. Los cables de fibra óptica que deben resistir tensiones de estiramiento o tracción elevadas utilizan a menudo kevlar como miembro central de refuerzo. Coraza de acero: acero: La cubierta de coraza o armadura de acero se utiliza tanto en instalaciones interiores como exteriores. Cuando se utiliza en un cable enterrado,
proporciona una resistencia excelente a la compresión y es el único material a prueba de roedores. Los cables con coraza de acero se deben llevar a tierra para evitar posibles inducciones electromagnéticas. Hilo de rasgado: Es un hilo muy fino y fuerte que se encuentra justo por debajo de la cubierta del cable. Se usa para rasgar fácilmente la cubierta del cable sin dañar el interior. Miembro central: Se utiliza para proporcionar fuerza y soporte al cable. Durante las operaciones de tendido del cable, se debe asegurar al orificio de tracción. Para instalaciones permanentes, se debe atar al anclaje que hay para tal contenido en la caja de empalmes o en el patchpanels. Relleno insterticial: Substancia gelatinosa que se encuentra en los cables de estructura holgada. Llena la protección secundaria y los insterticios del cable haciendo que éste sea impermeable al agua.
Diseño del cable de fibra óptica La fibra óptica presenta tres características que constituyen parámetros de diseño del cable: - La sensibilidad a las curvaturas y microcurvaturas. - La resistencia mecánica. - La fatiga estática y el envejecimiento.
Sensibilidad a las curvaturas Siempre que la fibra se ve sometida a una curvatura o un pandeo (al bobinarla, al tender el cable, etc.), se origina una atenuación adicional al producirse una fuga de modos que en condiciones normales permanecerían en el núcleo; no obstante, como esta atenuación adicionalvaría exponencialmente con el radio de curvatura (Fig. 7.1), estas pérdidas son inapreciableshasta que se sobrepasa una curvatura crítica. Como regla práctica, puede considerarse un radio de curvatura mínimo de valor igual a diezveces el diámetro del tubo que aloja al módulo de fibras (ver Tablas 7.2, 3 y 4). En cuanto a las microcurvaturas, se producen por fuerzas laterales localizadas a lo largo de lafibra. Pueden aparecer a consecuencia de irregularidades de fabricación e instalación, así comopor variaciones dimensionales en los materiales del cable a consecuencia de los cambios de temperatura. Se ha comprobado que la tensión que producen es inversamente proporcional al radio de curvatura, y directamente al módulo de Young y al momento de inercia de la fibra. Por tanto, las pérdidas debidas al micro curvatura en un cable de fibras ópticas pueden limitarse modificando muchos de los parámetros mecánicos de la fibra o del cable. Entre las diversas posibilidades cabe citar:
Figura. Pérdidas en las fibras por curvatura.
Aumento del diámetro del revestimiento de modo que la tensión necesaria para producirmicro curvatura sea mayor. Aumento del radio de la curvatura continua debido al trenzado. Disminución del módulo de elasticidad del recubrimiento y del material de la cubierta del cable. Aumento del espesor del recubrimiento. Eliminación de la tensión de la fibra en el interior del cable. Esta gran variedad de soluciones explica en parte la diversidad de soluciones adoptadas parael cableado. En la práctica se adoptan dos variantes: una se basa en la eliminación de la tensión susceptible de producir microcurvaturas (estructuras de fibra libre u holgada, ya mencionadas), y la otra trata de minimizar los efectos de las tensiones mediante el uso de materiales amortiguadoresde las mismas sobre la fibra (estructuras densas). En cuanto a la atenuación adicional que producen las microcurvaturas, depende de su periodicidad y de la amplitud de las mismas.
Figura. Atenuación por microcurvaturas
Resistencia mecánica La resistencia mecánica teórica de las fibras ópticas (del orden de 350 N/mm 2) es muy pequeña comparada con las altas tensiones a que puede estar sometido un cable durante el proceso de tendido, por lo que los cables ópticos deben incorporar elementos adicionales que proporcionen la resistencia necesaria con la mínima elongación, independizando en lo posible las elongaciones de fibra y del cable, lo que justifica la preferencia por las estructuras holgadas en la mayoría de los casos. Al comparar el valor teórico anterior con la resistencia real obtenida en la práctica, se observan disminuciones notables de la misma, bajando hasta valores de 30 a 50 N/mm2, lo que se explica por la presencia de fisuras superficiales en el revestimiento que disminuyen la superficie efectiva resistente. Este dato apoya lo expuesto sobre la necesaria presencia de elementos resistentes. Por otra parte, la vida útil de la fibra depende de la tensión permanente a que se la somete, tanto mientras se tiende como cuando queda instalada. La relación entre tensiones, T, y tiempos, t, durante los que se pueden aplicar aquellas es:
Donde n es un parámetro cuyos valores oscilan entre 15 y 25, dependiendo del tipo de fibra. Hay ábacos y gráficos que relacionan estas variables y determinan cuál debe ser el esfuerzo máximo de tendido durante el tiempo que dura éste; normalmente será tal que no provoque una elongación mayor del 0,3% .
Fatiga estática En el proceso de fabricación se incluyen elementos hidrófugos de protección de la fibra, ya que la humedad presente en el exterior de la misma puede provocar el aumento del tamaño de las fisuras superficiales originadas en los procesos de tracción. La vida media de las fibras está ligada directamente a la relación entre los valores de fatiga durante el tendido y la tensión permanente a que quedan sometidas, de modo que si la tensión de servicio es inferior al 20% de la resistencia inicial, el efecto de la fatiga estática es despreciable, mientras que si excede del 30% la vida de la fibra alcanza sólo unos días
Figura Efecto de la fatiga estática.
Atenuación por cableado El cableado introduce una atenuación suplementaria del orden de 0,1 dB/Km, dependiendo de la longitud de onda de explotación.
Estructura de la Fibra Óptica La aplicación a que se destine el cable determinará en todos los casos su estructura y, en consecuencia, sus características. En cualquier caso, han de tenerse en cuenta los siguientes factores: Elongación prevista: será pequeña en cables subterráneos y grande en el caso de cables submarinos o de tendido aéreo. Resistencia mecánica y tensión de trabajo admisible. Protección contra humedades. Tipo y grado de elementos agresivos ambientales, que determinarán las característicasmecánicas y químicas de los materiales plásticos a utilizar. Pérdidas adicionales causadas por curvaturas y microcurvaturas. Capacidad del cable: pequeña en cables destinados a aplicaciones de gran velocidad y cables monofibra o bifibra para instalaciones de interior, y gra nde para los cables de enlace de centrales telefónicas y de distribución. Procedimiento de empalme, aspecto muy importante a considerar cuando el número de fibras es grande, pudiendo determinar en estos casos la elección de estructuras modulares de cable. Los cinco primeros factores determinan la elección del tipo y dimensiones del recubrimiento de la fibra, debiendo optar entonces por:
Estructura holgada (loosetube) Estructura holgada o libre , en la que la fibra y su recubrimiento primario quedan inmersos en un fluido viscoso que los aísla parcialmente de esfuerzos externos y humedades. El cable de fibra óptica de estructura holgada consta de varios tubos de fibra rodeando un miembro central de refuerzo y rodeado de una cubierta protectora
Figura Cable de Estructura Holgada.
Cada tubo de 2 a 3 milímetros de diámetro lleva varias fibras óptica que descansan holgadamente en él. Los tubos pueden ser huecos o estar llenos de un gel resistente al agua que impide que ésta entre en la fibra. De esta forma, el tubo holgado aisla la fibra de las fuerzas mecánicas exteriores que se ejerzan sobre el cable. Las fibras dentro del tubo son ligeramente más largas que el propio cable, por lo que éste se puede elongar bajo cargas de tensión, sin aplicar tensión a la fibra. Cada tubo está coloreado y cada fibra individual en el tubo está coloreada para hacer más fácil la identificación. El centro del cable contiene un elemento de refuerzo que puede ser acero, kevlar o material similar. Este miembro proporciona al cable refuerzo y soporte durante las operaciones de tendido, así como en las posiciones de instalación permanente. Debería amarrarse siempre con seguridad a la polea de tendido durante las operaciones de tendido del cable y a los anclajes apropiados que hay en cajas de empalmes o patch panel. Los cables de estructura holgada se usan en la mayoría de las instalaciones exteriores, incluyendo aplicaciones aéreas en tubos o conductos y en instalaciones directamente enterradas. Este tipo de cable no es muy adecuado para instalaciones en recorridos muy verticales, porque existe la posibilidad que el gel interno fluya o que las fibras se muevan. Cables de estructura ajustada (tight buffer) Estructura ajustada , donde la fibra está embutida por extrusión en un material plástico resistente El cable de fibra óptica de estructura ajustada consta de varias fibras con protección secundaria que rodean un miembro central de tracción y todo ello cubierto de una protección exterior. La protección secundaria de la fibra consiste en una cubierta plástica de 900 mm de diámetro que rodea el recubrimiento de 250 mm de la fibra óptica.
Figura Cable de Estructura Ajustada.
La protección secundaria proporciona a cada fibra individual una protección adicional frente al entorno, así como un soporte físico. Debido al diseño ajustado del cable, es más sensible a las cargas de estiramiento o tracción y puede verse incrementadas las pérdidas por microcurvaturas. Por una parte, un cable de estructura ajustada es más flexible y tiene un radio de curvatura más pequeño que el que tienen los cables de estructura holgada. Es un cable diseñado para instalaciones en interiores. También se puede instalar en tendidos verticales más elevados que los cables de estructura holgada, debido al soporte individual de que dispone cada fibra. Es de diámetro mayor y generalmente más caro que un cable similar de estructura holgada con la misma cantidad de fibras. Cables de matriz de cintas Para aplicaciones en las que se emplea un gran número de fibras, o deben reempalmarse estas en ocasiones por cambio de las estructuras de comunicaciones, interesan a veces estructuras holgadas en nido de abeja (alveolares), en las que las fibras se disponen individualmente sobre bandejas de perfil semihexagonal, superponiéndolas después y uniéndolas por soldadura térmica. La unidad básica así formada es de recubrimiento secundario holgado y queda inmersa en una protección antihumedad y amortiguadora envuelta en cintas de protección de polietileno y aluminio. El elemento de refuerzo consiste en una o dos filas de hilos trenzados de Kevlar situadas concéntricamente sobre las sucesivas envolturas. Varias de estas unidades básicas pueden ser reunidas para constituir el cable. Tabla de algunos tipos de cubiertas para cables. Cubierta Aplicación Polietileno-Kevlar-polietileno Canalización Polietileno-aluminio-polietileno " Polietileno-acero-polietileno " Polietileno-aluminio-polietileno Zanja canalizada Polietileno-acero-polietileno " Polietileno-acero-polietileno Enterrado Polietil.-Kevlar-acero-polietil. Aéreo
Cables de cilindro ranurado Este tipo de cable, usado en la Administración francesa y en los cables submarinos, tiene como unidad básica un cilindro de polietileno en cuya periferia se disponen de 10 a 12 ranuras con paso de hélice que alojarán las fibras individuales. En el centro del cilindro hay un elemento resistente de aramida, y la periferia va encintada. El cable se forma por varias de estas unidades apiladas y se reviste con número y tipos diversos de cintas, dependiendo de la aplicación a que se destine.
Figura. Cable de cilindro ranurado
Cintas y envolturas En función del ambiente exterior en que se deba encontrar el cable, se disponen los diferentes tipos de cubiertas. En la tabla anteriormente mencionada se indican algunos tipos de ellas y sus aplicaciones.
Instalaciones subterráneas La instalación de la fibra óptica en el ducto se convierte en uno de los trabajos más delicados, sobre todo en lo que se refiere a calificación de los operarios. Para ello es necesario realizar una capacitación adecuada del personal que estará a cargo de los trabajos, desde los supervisores hasta los operarios. Esta capacitación estará relacionada con los cuidados intrínsecos que se le debe dar al cable de fibra óptica, con los equipos a utilizar, ya sean de soplado o tracción mecánica y con las normas de seguridad referente al cuidado de los materiales y a las personas. Ya se ha citado antes la norma L 35 de la UIT (Instalación de cables de fibra óptica en la red de acceso) en sus recomendaciones para el tendido de la fibra óptica en ductos, indica: Longitud máxima de cable entre empalmes: 400-6000 m Longitud sobrante de cable almacenada en las arquetas (cuando procede): 2-22 m
El tendido de cable de fibra se puede realizar con equipo de aire para los sectores interurbanos y con tracción mecánica o manual en los sectores urbanos.
Instalaciones aéreas Una de las modalidades de instalación de la fibra óptica son los cables aéreos; en donde la UIT en su recomendación L.35 (Instalación de cables de fibra óptica en la red de acceso) dice para la instalación aérea: Longitud media entre postes: 25-80 m Longitud máxima entre postes: 50-200 m Perfil del cable autosoportado (cuando procede): en forma de ocho y forma circular Longitud sobrante de cable en los puntos de empalme: 0,8 -10 m La altura a la cual se realizará la instalación de la fibra óptica queda a determinarse mediante estudios acorde a las características propias de cada lugar. La UIT L.26 (Cables de fibra óptica para aplicaciones aéreas) recomienda al momento de instalar la fibra tener especial cuidado en las características mecánicas y condiciones ambientales. Los efectos mecánicos pueden influir en el cable causando variaciones de la atenuación de la fibra. Las variaciones pueden ser reversibles y no rebasar límites especificados. Las características mecánicas a considerarse son: Microflexión de las fibras Macroflexión de las fibras Flexión de los cables Resistencia a la tracción Aplastamiento e impacto Torsión del cable Las condiciones ambientales a tener en cuenta son: Gas hidrógeno Permeación a la humedad Penetración de agua Rayos Daños de origen biótico Vibración Variaciones de temperatura Viento Nieve y hielo Campos eléctricos potentes Instalaciones Submarinas Estructura del cable submarino
El cable submarino se constituye principalmente del núcleo donde se encuentran las fibras ópticas que transmiten la información. Luego se prosigue con una capa de polietileno la cual actúa como aislante para prevenir la abrasión y la penetración del agua o hidrógeno en las fibras. Después se tiene un tubo de cobre el cual es utilizado para conducir la corriente eléctrica que alimenta los repetidores o para inyectar corriente de bajo voltaje para monitorear desde las bases el estado de los sistemas y localizar cables rotos. También tiene una capa de alambre de acero el cual forma una especie de armazón que le da mayor resistencia a las quebraduras producidas por la pesca de arrastre, la presión del agua y las mordidas de tiburones. Al final se cubre el cable con otra capa de polietileno impermeabilizante. De acuerdo a las condiciones ambientales a la que se someterá el cable estos presentan mayores o menores niveles de protección por lo que se tienen diferentes tipos de cable submarino a lo largo de una misma trayectoria. Se destacan dos tipos principales de cable submarino: 1. El cable armado que se usa para el cableado de poca profundidad (de 0 hasta 1500 metros) y tiene niveles altos de protección ya que a estas profundidades es donde están los principales factores de riesgo de los cables submarinos como lo son: la pesca de arrastre y los tiburones. 2. El cable ligero se usa para las grandes profundidades (0 a 7000 metros) y esta menos protegido que el cable armado. Para que un tramo de cable submarino lleve satisfactoriamente la información de un extremo a otro se necesitan de varios elementos distintos a los que se necesitan en las redes terrestres. A continuación se presentan estos elementos. Repetidores: Permiten la amplificación de la señal para evitar la atenuación de la misma. Son alimentados a través del tubo de cobre del cable y el circuito se cierra usando la tierra oceánica.
Su principal función es derivar cable de fibra óptica desde el trunk o tramo principal hacia los branch o ramales. La siguiente figura ilustra esta función del branchunit, el cable principal o trunk está conformado por cuatro pares de fibra óptica y a través del branchunit un par de fibra es desviado desde el tramo principal hasta uno de los puntos destino de la información que viaja por el cable submarino. Este desvío de la fibra es la rama que luego se incorpora nuevamente al trunk por medio de otro branchunit. Cajas de empalme: Permite unir diferentes cables de fibra (cables con diferentes protecciones) incluyendo el conductor de corriente y la protección. Esto se debe a que como a medida que van cambiando la profundidad y las condiciones ambientales a la que estará expuesto el cable se hace necesario distintos niveles de protección en el cable por lo cual la caja de empalme hace la transición entre un tipo de cable y otro. El cable puede ser de cobre o de fibra óptica. A continuación se presenta un esquema que contiene todos los elementos de un sistema de cable submarino:
Tender un cable submarino es tan complicado como poner un satélite en órbita. El cable y los repetidores son muy caros, el tendido lo realizan barcos especiales en una operación controlada al centímetro por computador. El cable es almacenado y probado en grandes tanques cilíndricos situados en las fábricas, antes de ser cargado a bordo del barco de tendido de cable. Es necesario tener una estación terminal que es la que controla las operaciones y en donde se encuentra el equipo alimentador. También hay que construir diferentes estaciones terrestre entre los lugares que se van a conectar, estás se llaman estaciones de amarre. El tendido físico del cable es bastante complejo. Los problemas de encauzamiento se pueden minimizar con el empleo de barcos especializados que llevan a cabo una investigación geofísica y geotécnica de la ruta propuesta y, si se localizan obstáculos,
trabajan para encontrar las mejores alternativas. La ruta definida se debe ejecutar con una precisión de alrededor de 100 metros, incluso cuando el cable se tiende a profundidades de hasta 8000 metros. Se hace necesario conectar la estación terminal con la playa, entonces existe una parte del cableado que va en forma terrestre. Las operaciones marinas comienzan situando el cable a flote desde el barco de cableado hasta la posición de tierra. Una vez que el extremo del cable está asegurado en la orilla, las bolsas de flotación se retiran permitiendo al cable asentarse en el mar. El barco de cableado sigue entonces su ruta predeterminada: o con el cable enterrado en el lecho marino lo que ayuda a prevenir peligros de rastreadores o anclas de barcos o bien, tendido en la superficie, conforme sea requerido. Los ajustes para tensar el cable y para posicionar el barco se hacen de forma continuada para asegurar la conformidad con la ruta del cable. Cuando el cable llega a su punto de tierra de destino, un extremo del mismo –que ha sido previamente instalado y mantenido a flote – se lleva a bordo y se empalma al cable que está siendo tendido. Los cambios que están produciendo en el negocio del cable submarino también están impactando en el tiempo de instalación del cable: los propietarios actuales de cable buscan un despliegue rápido para poder recoger el retorno de su inversión tan pronto como sea posible. Los proyectos que habitualmente duraban cuatro a cinco años, ahora se terminan entre 18 meses y dos años. Además los cables son frágiles. Un fallo en el aislamiento puede inutilizar los repetidores o deteriorar las fibras. Las corrientes submarinas, terremotos, anclas y las redes de arrastre son un peligro constante. Barcos de reparación están en constante estado de alerta en todo el mundo.
Fenómeno de Dispersión La dispersión es el fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas. Cuando la luz blanca, compuesta por ondas de todas las frecuencias dentro de la gama visible, pasa a través de un bloque de vidrio, los diferentes colores son refractados o desviados en distinta medida. Si los lados del bloque no son paralelos, los diferentes colores de la luz se propagan con ángulos distintos, produciendo un espectro. Así, la luz del Sol genera a menudo espectros al atravesar un vidrio tallado. También las gotas suspendidas en el aire pueden dispersar la luz solar, produciendo el arco iris. La dispersión se debe a que la velocidad de una onda depende de su frecuencia. Por ejemplo, las ondas luminosas de diferente longitud de onda tienen velocidades de propagación distintas en el vidrio, por lo que son refractadas en diferente medida. Dispersión en la fibra Óptica La dispersión es el fenómeno por el cual un pulso se deforma a medida que se propaga a través de la fibra óptica, debido a que las distintas componentes de la señal viajan a distintas velocidades llegando al receptor en distintos instantes de tiempo. Sin embargo, existen varios tipos de dispersión: la dispersión modal
la dispersión por polarización de modo la dispersión cromática
La dispersión supone una reducción del ancho de banda pues al ensancharse los pulsos se limitan la tasa de transmisión. La dispersión se caracteriza mediante el parámetro que indica el ensanchamiento del pulso. Este ensanchamiento aumenta con la longitud recorrida y con el ancho espectral de la fuente óptica.
DISPERSIÓN MODAL La dispersión modal se debe a que los distintos modos de una fibra óptica tienen distintas velocidades de grupo, como se deduce al observar la constante de propagación, β, tras resolver las ecuaciones de Maxwell que es distinta para cada
modo. Esto se puede ver pensando, según la teoría de la óptica de rajos, en la diferencia que de caminos recorre la luz por la fibra según el modo al que se acople. Fig. Distintos modos recorren caminos con distinta longitud Por tanto este efecto puede solucionarse empleando fibras monomodo, de índice gradual (que reducen la diferencia de la velocidad de grupo de cada modo), entre otras soluciones. Dispersión por polarización del modo Cuando una fibra es perfectamente circular la constante de propagación entre las polarizaciones es la misma y por tanto también lo es la velocidad de propagación de cada polarización. Pero como muestra la siguiente figura, en el caso de una fibra monomodo cuando no es perfectamente circular la velocidad de propagación de cada polarización (en este tenemos dos modos degenerados polarizados linealmente) va a ser distinta produciéndose la dispersión por polarización del modo PMD.
Deformación del núcleo de Fibra Óptica
Fig. Dispersión por polarización de modo en una fibra monomodo asimétrica En general se puede decir que la PMD varía con la longitud y su valor medio es:
En las fibras actuales este valor suele ser del orden de 0.1ps/km1/2. Se considera que su impacto no es significativo si se verifica que , donde es el periodo de bit.
DISPERSIÓN CROMÁTICA La dispersión cromática consiste en un retardo variable dependiente de la frecuencia, introducido durante la propagación a través de la fibra y que produce distorsión no lineal a la salida del fotodetector. Es decir, las componentes frecuenciales que constituyen el espectro de la señal óptica viajan a velocidades diferentes por la fibra y alcanzan el fotodetector en instantes ligeramente distintos. En el caso de transmisiones digitales, el efecto se manifiesta en un ensanchamiento temporal de los pulsos ópticos que provoca interferencia entre símbolos. En un sistema de transmisión digital, la distorsión de la señal recibida se manifiesta mediante ensanchamientos temporales, y el consecuente solapamiento, de pulsos individuales hasta el punto de que el receptor puede no distinguir correctamente entre cambios de estado, por ejemplo entre elementos individuales de la señal. Lógicamente, conforme los pulsos ópticos son más estrechos (mayores velocidades de modulación) o el enlace de fibra más extenso (mayor dispersión acumulada), las degradaciones son más acusadas. De ahí que exista un limite que suele expresarse normalmente por medio del producto ancho de banda-longitud de fibra y que se mide en Gbit/s).km. El fenómeno de la dispersión cromática surge debido a dos razones: • Dispersión material : es el principal causante de la dispersión, y consiste en que el índice de refracción del silicio, material usado para fabricar las fibras ópticas, depende de la frecuencia. Por ello, las componentes de distinta frecuencia, viajan a velocidades diferentes por el silicio. • Dispersión por guiado de onda : para comprender esta componente hay que recordar que la potencia de un modo se propaga parcialmente por el núcleo y parcialmente por el revestimiento. El índice efectivo de un modo se sitúa entre el índice de refracción del núcleo y del revestimiento, acercándose más a uno u otro dependiendo de cuál sea el porcentaje de la potencia que se propaga por ellos (si la mayor parte de la potencia está contenida en el núcleo, el índice efectivo estará más cerca del índice de refracción del núcleo). Como la distribución de la potencia de un modo entre el núcleo y el revestimiento depende de la longitud de onda, si la longitud de onda cambia, la distribución de potencia también cambia, provocando un cambio en el índice efectivo o constante de propagación del modo. Por lo tanto, aún en ausencia de dispersión material, es decir, aunque los índices de refracción del núcleo y del revestimiento sean independientes de la longitud de onda, si la longitud de onda varía, seguiría produciéndose el fenómeno de la dispersión debido a la dispersión por guiado de onda. Analizando la dispersión de forma matemática, ésta se produce porque la constante de propagación b no es proporcional a la frecuencia angular ω, es decir db/dω no es independiente de ω. El término db/dωse denota por β 1, y a 1/β 1, se le denomina
velocidad de grupo, que es la velocidad a la que un pulso se propagaría a lo largo de la fibra en ausencia de dispersión. Pero como β 2=d2b/dω2 es distinto de cero, se produce la dispersión. A este parámetro β2 se le denomina parámetro de dispersión de la velocidad de grupo (parámetro GVD), y es el que gobierna la dispersión, también conocida como dispersión de velocidad de grupo.
En la siguiente figura se muestra como varia la dispersión en tres tipos de fibra en función de los materiales dopantes empelados y del silicio en su construcción.
Fig. Variación de la dispersión según los materiales y el tipo de guía de onda para el caso de fibras DSF (DispersionShiftedFiber), SMF (Standard Single ModeFiber ) y NZDF (NonZeroDispersionFiber ) En esta figura se muestra como varía la dispersión con la longitud de onda en los tres tipos de fibras del caso anterior.
Fig. Variación de la dispersión con la longitud de onda para el caso de fibras DSF (DispersionShiftedFiber), SMF (Standard Single ModeFiber ) y NZDF (NonZeroDispersionFiber ) Los principales métodos para compensar los efectos de la dispersión cromática son: El empleo de fibras compensadoras de dispersión. Existen fibras especiales cuyo diseño reduce o anula la dispersión en la tercera ventana (1550 nm) como DSF(Dispersion Shifted Fiber ) y la fibra NZDF (Non Zero Disperison Fiber ). Existe otro tipo de fibras que tienen un valor de dispersión elevado y de signo contrario al de las fibras monomodo estándar, SMF, de esta forma alternando tramos de fibras SMF y de fibras compensadoras de dispersión se obtiene en cómputoglobal una dispersión nula. El problema de estas fibras es su mayor atenuación y un agravamiento en los efectos de los fenómenos no lineales Utilización de grating de Bragg de fibra (FBG) chirpeado. El FBG chirpeado introducen un retardo que depende de la longitud de onda de forma que se compense el retardo sufrido por la diferentes longitudes de onda de la señal transmitida. Se utilizan junto con un circulador como muestra la siguiente figura.
Fig. Compensación de la dispersión cromática mediante grating de fibra de Braggchirpeado Prechirp en el transmisor. Así se comprime inicialemente el pulso logrando reducir el ensanchamiento final. Codificación unipolar sin retorno a cero UPNRZ Las señales unipolares son, señales que tienen un solo signo, es decir, positivo o negativo, o un solo nivel para representar la información binaria. La codificación sin retorno a cero significa que la señal, cuando representa un 1 lógico, se mantiene en el mismo estado durante el tiempo que la señal se encuentre en un uno lógico.
Codificación UNPRZ Se ve claramente que la señal codificada es la misma que la original, por lo tanto la utilización del ancho de banda tiene una relación de 1 a 1. Codificación unipolar con retorno a cero UPRZ En este tipo de codificación trata de mantener más cortos los pulsos que representan a un uno lógico, regresando ellos a un estado de cero lógico representado por un valor de 0 voltios. Así se mantiene un ciclo de trabajo de la señal más pequeño.
Codificación UPRZ Se puede observar que la señal codificada tiene una frecuencia fundamental que es la mitad de la frecuencia fundamental de la señal original, es por esto que se puede transmitir hasta el doble de la información con esta codificación. Comparación de líneas de código Para determinar el ancho de banda mínimo requerido para propagar una línea de señal codificada, debemos determinar la frecuencia más alta fundamental asociado con él. Con UPNRZ y BPNRZ, la condición del peor caso es una alterna 1/0 secuencia, y
la frecuencia más alta fundamental es la mitad de la tasa de bits. Y con UPRZ y BPRZ, el ancho de banda es igual a la tasa de bits. Con codificación NRZ, una cadena larga de cualquiera de 1s' o 0s produce una condición en la que un receptor puede perder su referencia de amplitud para una discriminación óptima entre 1s y 0s recibido. El promedio componente DC de la señalización es unipolar y bipolar de señalización es de 0 V. Con UPRZ una cadena larga de 0s genera una señal de vacío de datos de transiciones. Con BPRZ, se produce una transición en cada posición de bit, independientemente de si el identificador de un bit 1 o un 0. Por lo tanto, la codificación BPRZ es el más adecuado para la recuperación de reloj. Con las transmisiones UPNRZ, BPNRZ, UPRZ BPRZ y no hay manera de determinar si los datos recibidos tienen errores.
Resumen de líneas de codificación
