Sistemas de transmisión por fibra óptica y sus componentes
Objetivos: En este capítulo usted aprenderá: Cómo funcionan los enlaces de datos de fibra óptica y los sistemas de transmisión. Qué componentes se utilizan en los transceivers. Qué tipos de fuentes y detectores que se utilizan en los transceivers. transceivers. Los parámetros de rendimiento de los sistemas de transmisión por fibra óptica.
Enlaces de datos de fibra óptica
Los sistemas de transmisión de fibra óptica utilizan enlaces de datos que funcionan de forma similar a la que se ilustra en el diagrama de arriba. Cada enlace de fibra consta de un transmisor en un etremo de la fibra y de un receptor en el otro. La mayoría de d e los sistemas operan transmitiendo en una dirección a tra!és de una fibra y en la dirección opuesta a tra!és de otra fibra para así tener una transmisión bidireccional. Es posible transmitir en ambas direcciones a tra!és de una sola fibra pero se necesitan acopladores para "acerlo# y la fibra es menos costosa que ellos. $na red %&&' óptica pasi!a ()*+, es el -nico sistema que utiliza transmisión bidireccional sobre una sola fibra porque su arquitectura de red ya utiliza acopladores como base.
La mayoría de los sistemas utilizan un transceiver que incluye tanto un transmisor como un receptor en un sólo módulo. El transmisor toma un i mpulso eléctrico y lo con!ierte en una salida óptica a partir de un diodo láser o un LE/. La luz del transmisor se acopla a la fibra con un conector y se transmite a tra!és de la red de cables de fibra óptica. La luz del final de la fibra se acopla al receptor# donde un detector con!ierte la luz en una se0al eléctrica que luego se acondiciona de forma tal que pueda utilizarse en el equipo receptor.
1nalógico o digital Las se0ales analógicas son continuamente !ariables y la información contenida en ellas está en la amplitud de la se0al con respecto al tiempo. Las se0ales digitales se muestrean a inter!alos de tiempo regulares y la amplitud se con!ierte a bytes digitales# por lo tanto la información es un n-mero digital. Las se0ales analógicas son la forma más com-n de transmisión de datos# pero sufren degradación por el ruido presente en el sistema de transmisión. /ebido a que la se0al analógica se aten-a en un cable# la relación se0al2ruido empeora y en consecuencia la calidad de la se0al se degrada. Las se0ales digitales pueden transmitirse en largas distancias sin que se degraden ya que son menos sensibles al ruido.
La transmisión de datos por fibra óptica puede ser analógica o digital# aunque es mayormente digital. Las redes informáticas y de telefonía son digitales# la tele!isión por cable actualmente es analógica pero está migrando a digital# y los sistemas de CC&3 posiblemente también lo "agan. &anto las transmisiones analógicas como las digitales tienen algunos parámetros comunes y diferencias importantes. )ara ambos tipos de transmisión# el margen de pérdida óptica o el presupuesto de potencia óptica es lo más importante. Las transmisiones de datos analógicas se prueban mediante la medición de la relación se0al2ruido para determinar el margen de enlace# mientras que las transmisiones digitales utilizan la tasa de bits erróneos para medir el rendimiento. 1mbas transmisiones deben probarse sobre todo el anc"o de banda especificado para la operación4 sin embargo# actualmente la mayoría de los enlaces son específicos para una aplicación de red# como C1&3 15 o monitores a color 678 para transmisiones analógicas y 9*+E&# Et"ernet o canal de fibra para transmisiones digitales. /ise0o (c"ásis, 7eneralmente# el dise0o de los transceivers es estándar para que m-ltiples fuentes puedan conectarse al equipo de transmisión. Los módulos se conectan a un conector d-ple en un etremo óptico y a una interfaz eléctrica estándar en el otro etremo. Los transceivers reciben alimentación de los equipos en los que están integrados. Fuentes para transmisores ópticos
Las fuentes utilizadas para transmisores ópticos deben cumplir con !arios criterios: operar en la longitud de onda adecuada# ser pasibles de modularse lo suficientemente rápido para transmitir datos y poder acoplarse de forma eficiente a la fibra. Com-nmente se utilizan cuatro tipos de fuentes: LE/# láser fabry2perot (%),# láser de retroalimentación distribuida (/%8, y láser de ca!idad !ertical y emisión supercial (3C9EL,. &odos ellos con!ierten las se0ales eléctricas en se0ales ópticas# pero son muy diferentes entre sí. Los tres son min-sculos dispositi!os semiconductores (c"ips,. Los LE/ y 3C9EL se fabrican sobre pastillas de material semiconductor para que puedan emitir luz desde la superficie del c"ip# mientras que los láser %2) y /%8 emiten luz desde el lateral del c"ip# desde una ca!idad del láser creada en el medio del c"ip.
Los LE/ tienen una potencia disponible muc"o menor que los láser y su patrón di!ergente y amplio de salida de la luz "ace que sea más difícil que se acoplen a las fibras# por lo que se pueden utilizar sólo con fibras multimodo. Los láser tienen un patrón de salida de la luz menor y más estrec"o# por lo que se pueden acoplar fácilmente a fibras monomodo# lo que los "ace ideales para transmisiones de alta !elocidad en larga distancia. Los LE/ tienen un anc"o de banda menor que los láser y su uso se limita a sistemas que operan a ;<= 5'z o ;== 5b>s aproimadamente. )or otro lado# los láser tienen una capacidad de anc"o banda muy ele!ada# por lo que pueden ser -tiles en ?= 7'z o ?= 7b>s. /ebido al método en el que son fabricados# los LE/ y 3C9EL son más económicos. Los láser son más costosos porque es más difícil crear la ca!idad del láser dentro del dispositi!o# y recién se podrá probar si el láser funciona correctamente cuando el c"ip esté separado de la pastilla del material semiconductor y tenga cada etremo re!estido. Especificaciones estándar de fuentes de fibra óptica &ipo de dispositi!o LE/ Láser %abry2 )erot
Longitud de onda (nm, @<=# ?A== @<=#?A?= (?;@=2 ?AA=,# ?<<= (?@=2?D<=,
)otencia dentro de la fibra (d8m, 2A= a 2?= = a ?=
1nc"o de banda B;<= 5'z F?= 7'z
&ipo de fibra multimodo multimodo# monomodo
Láser /%8
?<<= (?@=2 ?D<=,
3C9EL
@<=
= a ?A (;< con amplificador óptico, 2?= a =
F?= 7'z
monomodo
F?= 7'z
multimodo
Los LE/ tienen un anc"o de banda limitado mientras que todos los tipos de láser son muy rápidos. *tra gran diferencia entre los LE/ y ambos tipos de láser es el espectro de emisión. Los LE/ tienen un espectro de emisión muy anc"o# lo que pro!oca dispersión cromática en la fibra# mientras que los láser tienen un espectro de emisión angosto que causa muy poca dispersión cromática. Los láser /%8# que se utilizan en largas distancias y en los sistemas /G/5# tienen los anc"os espectrales más angostos# lo que disminuye la dispersión cromática en las transmisiones de mayor distancia. Los láser /%8 también son altamente lineales (es decir que la salida de la luz contin-a directamente a la entrada eléctrica, por lo que pueden utilizarse como fuentes en sistemas C1&3 15.
La elección de estos dispositi!os depende principalmente de la !elocidad y de cuestiones de compatibilidad. /ado que muc"os sistemas de planta interna que utilizan fibra multimodo "an superado la !elocidad de transmisión de bits de ? 7b>s# los láser (mayormente los 3C9EL, "an reemplazado los LE/. La salida de luz de los LE/ es muy dispersa4 sin embargo# la de los láser es muy localizada# y las fuentes llenan la fibra de forma diferente. El lanzamiento restringido del 3C9EL o de cualquier otro láser proporciona un mayor anc"o de banda efecti!o de la fibra4 sin embargo# la fibra optimizada para láser# generalmente la *5A# es la ideal para los láser.
La electrónica de un transmisor es simple: con!ierten un pulso de entrada (!oltaHe, en un pulso de corriente preciso para dirigir la fuente de luz. 7eneralmente# los láser se polarizan con una corriente continua baHa y se modulan por encima de tal polarización corriente para maimizar la !elocidad. Detectores para receptores ópticos
Los receptores utilizan detectores semiconductores (fotodiodos o fotodetectores, para con!ertir las se0ales ópticas en se0ales eléctricas. Los fotodiodos de silicio se utilizan para enlaces de longitud de onda corta (D<= para fibra óptica de plástico# y @<= para fibra multimodo de !idrio,. 7eneralmente# en los sistemas de longitud de onda larga se utilizan detectores de In7a1s (arseniuro de galio2indio, ya que tienen menor ruido que los de germanio# que "ace que los receptores sean más sensibles.
Los sistemas de muy alta !elocidad a !eces utilizan fotodiodos de a!alanc"a (1)/, que tienen mayor capacidad de anc"o de banda que otros fotodiodos. Los 1)/ se polarizan con alto !oltaHe para crear ganancia en el fotodiodo# lo que aumenta la sensibilidad y la capacidad de frecuencia. Estos dispositi!os son más costosos y complicados de utilizar pero ofrecen ganancia significati!a en la potencia. Componentes para transmisión óptica para aplicaciones especiales
5ultipleación por di!isión de longitud de onda /ado que la luz de las diferentes longitudes de onda no se mezcla en la fibra# es posible transmitir simultáneamente se0ales en diferentes longitudes de onda a tra!és de una sola fibra. La fibra es económica# pero instalar nue!os cables puede ser costoso# por lo que utilizar fibras ya instaladas para transmitir más se0ales puede ser muy rentable. La multipleación por di!isión de longitud de onda (G/5, se utilizó por primera !ez con fibra multimodo en los comienzos de la fibra óptica# utilizando
tanto @<= como ?A?= nm en fibra multimodo. 1ctualmente# las redes de fibra monomodo pueden transportar se0ales a ?=7b>s en D longitudes de onda o más# lo que se conoce como multipleación por di!isión de longitud de onda densa (/G/5,. Los sistemas de fibras multimodo que utilizan multipleación por di!isión de longitud de onda (G/5, "an sido menos populares4 sin embargo# algunos estándares utilizan multipleación por di!isión de longitud de onda ligera (CG/5, para transportar se0ales a !elocidades mayores a ? 7b>s sobre fibras multimodo optimizadas para láser. 6epetidores y amplificadores ópticos 1 pesar de que la fibra óptica tiene pérdidas baHas# lo que permite que la se0al !iaHe cientos de Jilómetros# para distancias etremadamente largas e incluso en cables submarinos# se necesitan regeneradores o repetidores para a mplificar la se0al periódicamente. 1l principio# los repetidores consistían básicamente en un transmisor seguido de un receptor. Este receptor con!ertía la se0al de entrada óptica en una se0al eléctrica# la limpiaba para eliminar todo el ruido posible y luego otro transmisor láser la retransmitía. Estos repetidores a0adían ruido a la se0al# consumían muc"a energía y eran compleHos# lo que significa que eran una causa de fallas. 1demás# tienen que fabricarse para una !elocidad de transmisión específica y si se desea realizar una actualización de la red# se deben reemplazar todos los repetidores# Kuna tarea realmente difícil de realizarse en un cable submarino La solución a los repetidores ópticos fueron los amplificadores ópticos. $n amplificador de fibra estándar funciona en banda ?@=2?D<= nm. Consta de fibra dopada con erbio bombeada con un láser a M@= o ?@= nm. El láser de bombeo suministra la energía para el amplificador# mientras que la se0al de entrada estimula la emisión a medida que el pulso atra!iesa la fibra dopada. Esta emisión estimulada a su !ez estimula mayor emisión# por lo que se genera un crecimiento rápido y eponencial de energía en la fibra dopada. Es posible obtener ganancias de "asta = d8 (?====N, con potencias disponibles de "asta ;D d8m (== mG,. 1demás de utilizarse como repetidores# los amplificadores ópticos se utilizan para aumentar el ni!el de se0al en los sistemas de tele!isión por cable# los que requieren ni!eles de energía ele!ados en el receptor para mantener un rendimiento adecuado de la relación se0al2ruido# lo que permite tendidos de cable de mayor distancia o bien el uso de di!isores (splitters) para emitir una sola se0al a tra!és de un acoplador "acia muc"as fibras# y así a"orrar el costo de transmisores adicionales. En telefonía# los amplificadores de fibra se combinan con /G/5 (multipleación por di!isión de longitud de onda densa, para
sobrelle!ar las ineficiencias de los acopladores de /G/5 para transmisiones de larga distancia. Rendimiento del enlace de datos y presupuesto de potencia óptica del enlace
5edición de la calidad de transmisión de datos 1l igual que con la transmisión por cable de cobre o por radio# el rendimiento de un enlace óptico de datos puede determinarse por cómo transmite los datos4 cómo la se0al eléctrica recon!ertida que sale del receptor se adapta a la entrada del transmisor.
La capacidad de cualquier sistema de fibra óptica de transmitir datos depende básicamente de la potencia óptica en el receptor# tal como se ilustra en la imagen de arriba# en la que se muestra la tasa de bits erróneos (8E6, del enlace de datos como una función de la potencia óptica en el receptor. (La tasa de bits erróneos es in!ersa a relación se0al ruido# por eHemplo# una tasa de bits erróneos alta implica una relación se0al2ruido pobre,. &anto en el caso de potencia insuficiente o de potencia en eceso se generará una ele!ada tasa de bits erróneos. 9i "ay potencia en eceso# el amplificador receptor se satura4 y si "ay potencia insuficiente# el ruido se con!ierte en un problema ya que interfiere con la se0al. La potencia del receptor depende de dos factores básicos: cuánta potencia lanza el transmisor en la fibra y cuánta potencia se pierde por atenuación en la red de cables de fibra óptica que conecta el transmisor con el receptor. )resupuesto de potencia óptica del enlace El presupuesto de potencia óptica del enlace se determina teniendo en cuenta dos factores: la sensibilidad del receptor (la que a su !ez se determina en la cur!a de tasa de bits erróneos como se ilustra anteriormente, y la potencia de salida del transmisor en la fibra. El ni!el de potencia mínimo que genera una tasa de bits erróneos aceptable determina la sensibilidad del receptor. Esta potencia del transmisor acoplada a la fibra determina la potencia transmitida. La diferencia
entre estos dos ni!eles de potencia determina el margen de pérdida (presupuesto de potencia óptica, del enlace.
Los enlaces de datos de alta !elocidad como redes de área local gigabit o ?=gigabit Et"ernet sobre fibra multimodo tienen factores de disminución de la potencia del anc"o de banda de la fibra causados por la dispersión de los pulsos de datos digitales. Las antiguas fibras *5? de D;.<>?;< generalmente operan en enlaces cortos mientras las transmisiones a tra!és de fibra *5A optimizada para láser de <=>?;< son para distancias mayores. Incluso los enlaces de larga distancia de fibra monomodo pueden tener limitaciones causadas por dispersión cromática o por dispersión de modo de polarización. 9i se dise0a el enlace para operar en diferentes tasas de bits# es necesario generar una cur!a de rendimiento para cada tasa de bits. /ado que la potencia total en la se0al es una función del anc"o del pulso y éste !aría en función de la tasa de bits (a mayor tasa de bits# pulsos más cortos,# la sensibilidad del receptor producirá degradación a tasas de bits ele!adas. Los fabricantes de sistemas y componentes para enlaces de datos especifican para cada tipo de enlace# la sensibilidad del receptor (puede ser una potencia mínima requerida, y la potencia mínima acoplada a la fibra desde la fuente. Los !alores estándar para estos parámetros se muestran en el cuadro que sigue. )ara que el fabricante o quien dise0a el sistema pueda probarlos adecuadamente es necesario conocer las condiciones de prueba. )ara los componentes para enlaces de datos# estas condiciones incluyen: frecuencia de entrada de datos o tasa de bits y ciclo de trabaHo# !oltaHe de la fuente de energía y el tipo de fibra acoplada a la fuente. )ara los sistemas# las condiciones incluyen el softOare de diagnóstico que requiera el sistema. )arámetros estándar de rendimiento de sistemas>enlaces de fibra óptica
&ipo de enlace
%ibra
&ipo de fuente
Longitud de onda (nm,
)otencia de transmisión (d8m,
9ensibilidad del receptor (d8m,
5argen del enlace (d8,
&ransmisión de !oz
monomodo
Láser
?A?=>?<<=
A a 2D
2A= a 2<
A= a =
monomodo
/G/5 LE/> 3C9EL
?<<=
;= a =
2A= a 2<
= a <=
@<=
2A a 2?<
2?< a 2A=
A a ;<
Láser
?A?=
2= a 2;=
2?< a 2A=
?= a ;<
Láser
?A?=>?<<=
?= a =
= a 2?=
?= a ;=
&ransmisión de datos
C1&3(15,
multimodo multimodo o monomodo monomodo
/e todas las redes y los enlaces de comunicaciones de datos "ay sistemas de fibra óptica específicos de ciertos pro!eedores# pero también eiste una cantidad de redes estándar del sector como Et"ernet que opera con tipos específicos de fibra. 9e "a acordado que todos los fabricantes deben utilizar especificaciones comunes para los componentes de estas redes para asegurar la interoperabilidad. La fuente de consulta sobre temas de tecnología de la %*1 ( FOA Tech Topics, cuenta con un resumen de especificaciones de muc"os de estos sistemas.
Preguntas de repaso
3erdadero o %also Indique si los siguientes enunciados son verdaderos o falsos. PPPP
?. En los enlaces ópticos# generalmente se utilizan dos fibras para transmisiones completamente bidireccionales (duplex,.
PPPP
;. Los LE/ tienen una salida de la luz y un anc"o de banda mayor que los láser.
EHercicio con opciones m-ltiples Identifique la opción que mejor complete la frase o responda a la pregunta. PPPP
A. Los sistemas de fibra multimodo que operan a !elocidades de ? 7b>s utilizan fuentes PPPPPPPPPP. 1. LE/ 8. 3C9EL C. láser %2)
/. láser /%8
PPPP
. PPPPPPPPPP de un láser proporciona un mayor anc"o de banda efecti!o en una fibra multimodo que los LE/. 1. 8. C. /.
PPPP
El lanzamiento de modo restringido La mayor potencia La menor )otencia El anc"o de banda
<. Los enlaces de longitud de onda corta de @<= nm pueden utilizar detectores de PPPPPPPPPP en el receptor. 1. silicio 8. germanio C. In7a1s (arseniuro de galio2indio,
PPPP
D. Los enlaces de longitud de onda larga de fibra monomodo de ?A==2?D<= nm deben utilizar detectores de PPPPPPPPPP en el receptor para obtener un meHor rendimiento de la sensibilidad. 1. silicio 8. germanio C. In7a1s (arseniuro de galio2indio,
PPPP
. Los amplificadores de fibra y la multipleación por di!isión de longitud de onda densa (/G/5 , operan en el rango de longitud de onda de PPPPPPPPPP. 1. 8. C. /.
D<=2@<= @<=2?A== ?A==2?<<= ?@=2?D<=
EHercicio de respuestas m-ltiples Identifique una o ms opciones que mejor completen el enunciado o responden a la pregunta PPPP
@. Los transceivers monomodo utilizan fuentes PPPPPPPPPP para obtener una potencia acoplada y una anc"o de banda mayores. 1. 8. C. /.
PPPP
LE/ 3C9EL láser %2) láser /%8
M. Los transceivers multimodo utilizan fuentes PPPPPPPPPP seg-n los requerimientos de potencia acoplada y anc"o de banda. 1. LE/ 8. 3C9EL
C. láser %2) /. láser /%8
Otros proyectos y lecturas
3isite los sitios Oeb de los fabricantes de transceivers# detectores y fuentes para fibra óptica para conocer sus especificaciones de rendimiento y las aplicaciones que soportan. En la clase o en el laboratorio# realice un enlace con fibra óptica y !ea cómo funciona. )uede construir el enlace con componentes o a partir de los con!ersores de medios disponibles.
