Comunicación por fibra óptica
Transmisión de información a través de fibra óptica

Un armario de conexión de fibra óptica. Los cables amarillos son fibras monomodo ; los cables naranja y azul son fibras multimodo : fibras OM1 de 62,5/125 μm y OM3 de 50/125 μm, respectivamente.
El equipo de fibra de Stealth Communications instala un cable de fibra oscura de 432 hilos debajo de las calles de Midtown Manhattan, Ciudad de Nueva York

La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión de información de un lugar a otro mediante el envío de pulsos de luz infrarroja o visible a través de una fibra óptica . [1] [2] La luz es una forma de onda portadora que se modula para transportar información. [3] La fibra se prefiere al cableado eléctrico cuando se requiere un gran ancho de banda , larga distancia o inmunidad a la interferencia electromagnética . [4] Este tipo de comunicación puede transmitir voz, video y telemetría a través de redes de área local o a través de largas distancias. [5]

Muchas empresas de telecomunicaciones utilizan la fibra óptica para transmitir señales telefónicas, comunicaciones por Internet y señales de televisión por cable. Los investigadores de Bell Labs han alcanzado un récord de producto ancho de banda-distancia de más de 100 petabits × kilómetros por segundo utilizando comunicaciones por fibra óptica. [6] [ se necesita una mejor fuente ]

Fondo

Desarrolladas por primera vez en la década de 1970, las fibras ópticas han revolucionado la industria de las telecomunicaciones y han desempeñado un papel importante en el advenimiento de la era de la información . [7] Debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica, las fibras ópticas han reemplazado en gran medida las comunicaciones por cable de cobre en las redes troncales del mundo desarrollado . [8]

El proceso de comunicación mediante fibra óptica implica los siguientes pasos básicos:

  1. creación de la señal óptica que implica el uso de un transmisor, [9] generalmente a partir de una señal eléctrica
  2. retransmitir la señal a lo largo de la fibra, garantizando que la señal no se distorsione ni debilite demasiado
  3. Recibiendo la señal óptica
  4. convirtiéndolo en una señal eléctrica

Aplicaciones

Las empresas de telecomunicaciones utilizan la fibra óptica para transmitir señales telefónicas, comunicaciones por Internet y señales de televisión por cable. También se utiliza en otras industrias, como la médica, la de defensa, la gubernamental, la industrial y la comercial. Además de servir para fines de telecomunicaciones, se utiliza como guías de luz, para herramientas de imagenología, láseres, hidrófonos para ondas sísmicas, SONAR y como sensores para medir la presión y la temperatura.

Debido a su menor atenuación e interferencia , la fibra óptica tiene ventajas sobre el cable de cobre en aplicaciones de banda ancha y larga distancia. Sin embargo, el desarrollo de infraestructura dentro de las ciudades es relativamente difícil y lleva mucho tiempo, y los sistemas de fibra óptica pueden ser complejos y costosos de instalar y operar. Debido a estas dificultades, los primeros sistemas de comunicación por fibra óptica se instalaron principalmente en aplicaciones de larga distancia, donde se pueden utilizar a su máxima capacidad de transmisión, compensando el aumento de los costos. Los precios de las comunicaciones por fibra óptica han disminuido considerablemente desde el año 2000. [10]

Actualmente, el precio de instalar fibra óptica en los hogares es más rentable que el de instalar una red basada en cobre. Los precios han bajado a 850 dólares por abonado en los EE. UU. y son más bajos en países como los Países Bajos, donde los costos de excavación son bajos y la densidad de viviendas es alta. [ cita requerida ]

Desde 1990, cuando los sistemas de amplificación óptica se pusieron a disposición del mercado, la industria de las telecomunicaciones ha tendido una vasta red de líneas de comunicación de fibra óptica interurbanas y transoceánicas. En 2002, se completó una red intercontinental de 250.000 km de cable de comunicaciones submarino con una capacidad de 2,56 Tb /s, y aunque las capacidades específicas de la red son información privilegiada, los informes de inversión en telecomunicaciones indican que la capacidad de la red ha aumentado drásticamente desde 2004. [11] En 2020, se han desplegado más de 5 mil millones de kilómetros de cable de fibra óptica en todo el mundo. [12]

Historia

En 1880, Alexander Graham Bell y su asistente Charles Sumner Tainter crearon un precursor muy temprano de las comunicaciones por fibra óptica, el fotófono , en el recién creado Laboratorio Volta de Bell en Washington, DC. Bell lo consideró su invento más importante. El dispositivo permitió la transmisión de sonido en un haz de luz. El 3 de junio de 1880, Bell realizó la primera transmisión telefónica inalámbrica del mundo entre dos edificios, separados por unos 213 metros. [13] [14] Debido a su uso de un medio de transmisión atmosférico, el fotófono no resultaría práctico hasta que los avances en las tecnologías de láser y fibra óptica permitieran el transporte seguro de la luz. El primer uso práctico del fotófono se produjo en los sistemas de comunicación militar muchas décadas después. [15]

En 1954 Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany demostraron que la fibra de vidrio enrollada permitía transmitir la luz. [16] Jun-ichi Nishizawa , un científico japonés de la Universidad de Tohoku , propuso el uso de fibras ópticas para comunicaciones en 1963. [17] Nishizawa inventó el diodo PIN y el transistor de inducción estática , los cuales contribuyeron al desarrollo de las comunicaciones por fibra óptica. [18] [19]

En 1966, Charles K. Kao y George Hockham , de los Standard Telecommunication Laboratories, demostraron que las pérdidas de 1.000 dB/km en el vidrio existente (en comparación con los 5-10 dB/km del cable coaxial) se debían a contaminantes que potencialmente podrían eliminarse.

En 1970, Corning Glass Works desarrolló fibras ópticas con una atenuación lo suficientemente baja para fines de comunicación (aproximadamente 20  dB /km) . Al mismo tiempo, se desarrollaron láseres semiconductores de GaAs que eran compactos y, por lo tanto, adecuados para transmitir luz a través de cables de fibra óptica a largas distancias.

En 1973, Optelecom , Inc., cofundada por el inventor del láser, Gordon Gould , recibió un contrato de ARPA para uno de los primeros sistemas de comunicación óptica. Desarrollado para el Comando de Misiles del Ejército en Huntsville, Alabama, el sistema estaba destinado a permitir que un misil de corto alcance con procesamiento de video se comunicara por láser con el suelo por medio de una fibra óptica de cinco kilómetros de largo que se desenrollaba del misil mientras volaba. [20] Optelecom luego entregó el primer sistema de comunicaciones ópticas comerciales a Chevron. [21]

Tras un periodo de investigación que comenzó en 1975, se desarrolló el primer sistema comercial de telecomunicaciones por fibra óptica, que funcionaba con una longitud de onda de alrededor de 0,8 μm y utilizaba láseres semiconductores de GaAs. Este sistema de primera generación funcionaba a una velocidad de bits de 45 Mbit/s con una distancia entre repetidores de hasta 10 km. Poco después, el 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió el primer tráfico telefónico en directo a través de fibra óptica con una velocidad de transmisión de 6 Mbit/s en Long Beach, California. [ cita requerida ]

En octubre de 1973, Corning Glass firmó un contrato de desarrollo con CSELT y Pirelli destinado a probar la fibra óptica en un entorno urbano: en septiembre de 1977, el segundo cable de esta serie de pruebas, denominado COS-2, se desplegó experimentalmente en dos líneas (9 km) en Turín , por primera vez en una gran ciudad, a una velocidad de 140 Mbit/s. [22]

La segunda generación de comunicaciones por fibra óptica se desarrolló para uso comercial a principios de los años 1980, funcionaba a 1,3 μm y utilizaba láseres semiconductores InGaAsP. Estos primeros sistemas estaban inicialmente limitados por la dispersión de fibra multimodo , y en 1981 se reveló que la fibra monomodo mejoraba enormemente el rendimiento del sistema, sin embargo, resultó difícil desarrollar conectores prácticos capaces de trabajar con fibra monomodo. El proveedor de servicios canadiense SaskTel había completado la construcción de lo que entonces era la red de fibra óptica comercial más larga del mundo, que cubría 3.268 km (2.031 mi) y conectaba 52 comunidades. [23] En 1987, estos sistemas operaban a velocidades de bits de hasta1,7 Gbit/s con espaciamiento entre repetidores de hasta 50 km (31 mi).

El primer cable telefónico transatlántico que utilizó fibra óptica fue el TAT-8 , basado en la tecnología de amplificación láser optimizada de Desurvire . Entró en funcionamiento en 1988.

Los sistemas de fibra óptica de tercera generación funcionaban a 1,55 μm y tenían pérdidas de aproximadamente 0,2 dB/km. Este desarrollo fue impulsado por el descubrimiento del arseniuro de indio y galio y el desarrollo del fotodiodo de arseniuro de indio y galio por parte de Pearsall. Los ingenieros superaron las dificultades anteriores con la propagación de pulsos utilizando láseres semiconductores InGaAsP convencionales en esa longitud de onda utilizando fibras con dispersión desplazada diseñadas para tener una dispersión mínima a 1,55 μm o limitando el espectro del láser a un solo modo longitudinal . Estos desarrollos finalmente permitieron que los sistemas de tercera generación funcionaran comercialmente a2,5 Gbit/s con espaciamiento entre repetidores de más de 100 km (62 mi).

La cuarta generación de sistemas de comunicación por fibra óptica utilizó amplificación óptica para reducir la necesidad de repetidores y multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para aumentar la capacidad de datos . La introducción de WDM fue el comienzo de las redes ópticas , ya que WDM se convirtió en la tecnología elegida para la expansión del ancho de banda de fibra óptica. [24] La primera en comercializar un sistema WDM denso fue Ciena Corp., en junio de 1996. [25] La introducción de amplificadores ópticos y WDM hizo que la capacidad del sistema se duplicara cada seis meses desde 1992 hasta que se alcanzó una tasa de bits deEn 2001 se alcanzaron los 10  Tb/s. En 2006 se alcanzó una tasa de bits deSe alcanzaron 14 Tb/s en una sola línea de 160 km (99 mi) utilizando amplificadores ópticos. [26] En 2021 [actualizar], los científicos japoneses transmitieron 319 terabits por segundo a lo largo de 3000 kilómetros con cables de fibra de cuatro núcleos con un diámetro de cable estándar. [27]

El objetivo del desarrollo de la quinta generación de comunicaciones por fibra óptica es ampliar el rango de longitudes de onda en el que puede funcionar un sistema WDM . La ventana de longitud de onda convencional, conocida como banda C, cubre el rango de longitud de onda de 1525 a 1565 nm, y la fibra seca tiene una ventana de baja pérdida que promete una extensión de ese rango a 1300 a 1650 nm. [ cita requerida ] Otros desarrollos incluyen el concepto de solitones ópticos , pulsos que conservan su forma al contrarrestar los efectos de la dispersión con los efectos no lineales de la fibra mediante el uso de pulsos de una forma específica.

A finales de los años 1990 y hasta el año 2000, los promotores de la industria y las empresas de investigación como KMI y RHK predijeron aumentos masivos en la demanda de ancho de banda de comunicaciones debido al mayor uso de Internet y la comercialización de varios servicios de consumo intensivo de ancho de banda, como el video a pedido . El tráfico de datos del Protocolo de Internet estaba aumentando exponencialmente, a un ritmo más rápido que el aumento de la complejidad de los circuitos integrados bajo la Ley de Moore . Sin embargo, desde el estallido de la burbuja punto-com hasta 2006, la principal tendencia en la industria ha sido la consolidación de empresas y la deslocalización de la fabricación para reducir costos. Empresas como Verizon y AT&T han aprovechado las comunicaciones de fibra óptica para entregar una variedad de datos de alto rendimiento y servicios de banda ancha a los hogares de los consumidores.

Tecnología

Los sistemas de comunicación modernos por fibra óptica generalmente incluyen transmisores ópticos que convierten las señales eléctricas en señales ópticas, cables de fibra óptica para transportar la señal, amplificadores ópticos y receptores ópticos para convertir la señal nuevamente en una señal eléctrica. La información transmitida es típicamente información digital generada por computadoras o sistemas telefónicos .

Transmisores

Un módulo GBIC (que se muestra aquí sin la cubierta) es un transceptor óptico y eléctrico , un dispositivo que combina un transmisor y un receptor en una única carcasa. El conector eléctrico se encuentra en la parte superior derecha y los conectores ópticos en la parte inferior izquierda.

Los transmisores ópticos más utilizados son dispositivos semiconductores como los diodos emisores de luz (LED) y los diodos láser . La diferencia entre los LED y los diodos láser es que los LED producen luz incoherente , mientras que los diodos láser producen luz coherente. Para su uso en comunicaciones ópticas, los transmisores ópticos semiconductores deben estar diseñados para ser compactos, eficientes y confiables, al tiempo que operan en un rango de longitud de onda óptimo y modulados directamente a altas frecuencias.

En su forma más simple, un LED emite luz a través de emisión espontánea , un fenómeno conocido como electroluminiscencia . La luz emitida es incoherente con un ancho espectral relativamente amplio de 30 a 60 nm. [a] El gran ancho espectral de los LED está sujeto a una mayor dispersión de la fibra, lo que limita considerablemente su producto velocidad de bits-distancia (una medida común de utilidad). Los LED son adecuados principalmente para aplicaciones de redes de área local con velocidades de bits de 10 a 100 Mbit/s y distancias de transmisión de unos pocos kilómetros.

La transmisión de luz LED es ineficiente: sólo alrededor del 1 % de la potencia de entrada, o alrededor de 100 microvatios, se convierte eventualmente en potencia lanzada acoplada a la fibra óptica. [28]

Se han desarrollado LED que utilizan varios pozos cuánticos para emitir luz en diferentes longitudes de onda a lo largo de un amplio espectro y actualmente se utilizan para aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) de área local .

Los LED han sido reemplazados en gran medida por los dispositivos láser de emisión superficial con cavidad vertical (VCSEL), que ofrecen una mejor velocidad, potencia y propiedades espectrales a un costo similar. Sin embargo, debido a su diseño relativamente simple, los LED son muy útiles para aplicaciones de muy bajo costo. Las clases de transmisores láser semiconductores que se usan comúnmente en fibra óptica incluyen VCSEL, Fabry-Pérot y láser de retroalimentación distribuida .

Un láser semiconductor emite luz a través de emisión estimulada en lugar de emisión espontánea, lo que da como resultado una alta potencia de salida (~100 mW) así como otros beneficios relacionados con la naturaleza de la luz coherente. La salida de un láser es relativamente direccional, lo que permite una alta eficiencia de acoplamiento (~50%) en fibra monomodo. Los dispositivos VCSEL comunes también se acoplan bien a la fibra multimodo. El ancho espectral estrecho también permite altas tasas de bits ya que reduce el efecto de la dispersión cromática . Además, los láseres semiconductores se pueden modular directamente a altas frecuencias debido al corto tiempo de recombinación .

Los diodos láser suelen estar modulados directamente , es decir, la salida de luz se controla mediante una corriente aplicada directamente al dispositivo. Para velocidades de datos muy altas o enlaces de distancia muy larga, se puede hacer funcionar una fuente láser de onda continua y la luz se puede modular mediante un dispositivo externo, un modulador óptico , como un modulador de electroabsorción o un interferómetro de Mach-Zehnder . La modulación externa aumenta la distancia de enlace alcanzable al eliminar el chirrido del láser , que amplía el ancho de línea en los láseres modulados directamente, lo que aumenta la dispersión cromática en la fibra. Para una eficiencia de ancho de banda muy alta, se puede utilizar la modulación coherente para variar la fase de la luz además de la amplitud, lo que permite el uso de QPSK , QAM y OFDM . "La modulación por desplazamiento de fase en cuadratura de polarización dual es un formato de modulación que envía efectivamente cuatro veces más información que las transmisiones ópticas tradicionales de la misma velocidad". [29]

Receptores

El componente principal de un receptor óptico es un fotodetector que convierte la luz en electricidad utilizando el efecto fotoeléctrico . Los fotodetectores primarios para telecomunicaciones están hechos de arseniuro de indio y galio . El fotodetector es típicamente un fotodiodo basado en semiconductores . Varios tipos de fotodiodos incluyen fotodiodos p-n, fotodiodos p-i-n y fotodiodos de avalancha. Los fotodetectores de metal-semiconductor-metal (MSM) también se utilizan debido a su idoneidad para la integración de circuitos en regeneradores y multiplexores por división de longitud de onda.

Dado que la luz puede atenuarse y distorsionarse al pasar a través de la fibra, los fotodetectores suelen estar acoplados a un amplificador de transimpedancia y a un amplificador limitador para producir una señal digital en el dominio eléctrico recuperada de la señal óptica entrante. También se puede aplicar un procesamiento de señal adicional, como la recuperación del reloj a partir de los datos realizada por un bucle de enganche de fase, antes de que se transmitan los datos.

Los receptores coherentes utilizan un láser oscilador local en combinación con un par de acopladores híbridos y cuatro fotodetectores por polarización, seguidos de ADC de alta velocidad y procesamiento de señal digital para recuperar datos modulados con QPSK, QAM u OFDM. [ cita requerida ]

Predistorsión digital

Un transmisor de sistema de comunicación óptica consta de un convertidor digital a analógico (DAC), un amplificador de controlador y un modulador Mach-Zehnder . La implementación de formatos de modulación más altos (> 4-QAM ) o velocidades de transmisión más altas (>32  GBd ) disminuye el rendimiento del sistema debido a los efectos lineales y no lineales del transmisor. Estos efectos se pueden clasificar como distorsiones lineales debido a la limitación del ancho de banda del DAC y la desviación I/Q del transmisor , así como efectos no lineales causados ​​por la saturación de ganancia en el amplificador del controlador y el modulador Mach-Zehnder. La predistorsión digital contrarresta los efectos de degradación y permite velocidades de transmisión de hasta56 GBd y formatos de modulación como 64-QAM y 128-QAM con los componentes disponibles comercialmente. El procesador de señal digital del transmisor realiza una predistorsión digital en las señales de entrada utilizando el modelo de transmisor inverso antes de enviar las muestras al DAC.

Los métodos de predistorsión digital más antiguos solo abordaban los efectos lineales. Publicaciones recientes también consideran distorsiones no lineales. Berenguer et al modela el modulador de Mach-Zehnder como un sistema de Wiener independiente y el DAC y el amplificador del controlador se modelan mediante una serie Volterra truncada e invariante en el tiempo . [30] Khanna et al utilizan un polinomio de memoria para modelar los componentes del transmisor conjuntamente. [31] En ambos enfoques, la serie Volterra o los coeficientes del polinomio de memoria se encuentran utilizando una arquitectura de aprendizaje indirecto. Duthel et al registra, para cada rama del modulador de Mach-Zehnder, varias señales con diferentes polaridades y fases. Las señales se utilizan para calcular el campo óptico. La correlación cruzada de los campos en fase y en cuadratura identifica el sesgo de tiempo . La respuesta de frecuencia y los efectos no lineales están determinados por la arquitectura de aprendizaje indirecto. [32]

Tipos de cables de fibra

Un remolque de carrete de cable con conducto que puede transportar fibra óptica
Fibra óptica multimodo en un pozo de servicio subterráneo

Un cable de fibra óptica consta de un núcleo, un revestimiento y un buffer (una capa exterior protectora), en el que el revestimiento guía la luz a lo largo del núcleo utilizando el método de reflexión interna total . El núcleo y el revestimiento (que tiene un índice de refracción más bajo ) suelen estar hechos de vidrio de sílice de alta calidad , aunque ambos también pueden estar hechos de plástico. La conexión de dos fibras ópticas se realiza mediante empalme por fusión o empalme mecánico y requiere habilidades especiales y tecnología de interconexión debido a la precisión microscópica requerida para alinear los núcleos de fibra. [33]

Los dos tipos principales de fibra óptica que se utilizan en las comunicaciones ópticas son las fibras ópticas multimodo y las fibras ópticas monomodo . Una fibra óptica multimodo tiene un núcleo más grande (≥  50 micrómetros ), lo que permite conectar transmisores y receptores menos precisos y más baratos, así como conectores más económicos. Sin embargo, una fibra multimodo introduce distorsión multimodo , que a menudo limita el ancho de banda y la longitud del enlace. Además, debido a su mayor contenido de dopantes , las fibras multimodo suelen ser caras y presentan una mayor atenuación. El núcleo de una fibra monomodo es más pequeño (<  10 micrómetros) y requiere componentes y métodos de interconexión más caros, pero permite enlaces mucho más largos y de mayor rendimiento. Tanto la fibra monomodo como la multimodo se ofrecen en diferentes grados.

Comparación de calidades de fibra [34]
Tipo de fibraIntroducidoActuación
MMF FDDI 62,5/125 µm19870 160 MHz·km a 850 nm
MMF OM1 62,5/125 µm19890 200 MHz·km a 850 nm
MMF OM2 50/125 µm19980 500 MHz·km a 850 nm
MMF OM3 50/125 µm20031500 MHz·km a 850 nm
MMF OM4 50/125 µm20083500 MHz·km a 850 nm
MMF OM5 50/125 µm20163500 MHz·km a 850 nm + 1850 MHz·km a 950 nm
SMF OS1 9/125 µm19981,0 dB/km a 1300/1550 nm
SMF OS2 9/125 µm20000,4 dB/km a 1300/1550 millas náuticas

Para empaquetar la fibra y convertirla en un producto comercialmente viable, normalmente se la recubre de manera protectora con polímeros de acrilato curados con luz ultravioleta [ cita requerida ] y se la ensambla para formar un cable. Después, se la puede tender en el suelo y luego atravesar las paredes de un edificio y desplegarse en el aire de manera similar a los cables de cobre. Estas fibras requieren menos mantenimiento que los cables de par trenzado comunes una vez que se despliegan. [35]

Para la transmisión de datos submarinos a larga distancia se utilizan cables especializados, como por ejemplo el cable de comunicaciones transatlántico . Los cables nuevos (2011-2013) operados por empresas comerciales (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic ) suelen tener cuatro hilos de fibra y las señales cruzan el Atlántico (Nueva York-Londres) en 60-70 ms. El coste de cada uno de estos cables fue de unos 300 millones de dólares en 2011. [36]

Otra práctica habitual es agrupar muchos hilos de fibra óptica dentro de un cable de transmisión de energía de larga distancia utilizando, por ejemplo, un cable de tierra óptico . Esto aprovecha eficazmente los derechos de paso de transmisión de energía, garantiza que una compañía eléctrica pueda poseer y controlar la fibra necesaria para monitorear sus propios dispositivos y líneas, es efectivamente inmune a la manipulación y simplifica la implementación de la tecnología de red inteligente .

Amplificación

La distancia de transmisión de un sistema de comunicación por fibra óptica ha estado tradicionalmente limitada por la atenuación y la distorsión de la fibra. Con el uso de repetidores optoelectrónicos , estos problemas se han eliminado. Estos repetidores convierten la señal en una señal eléctrica y luego utilizan un transmisor para enviar la señal nuevamente con una intensidad mayor que la recibida, contrarrestando así la pérdida incurrida en el segmento anterior. Debido a la alta complejidad de las señales multiplexadas por división de longitud de onda modernas, incluido el hecho de que deben instalarse aproximadamente una vez cada 20 km (12 mi), el costo de estos repetidores es muy alto.

Un enfoque alternativo consiste en utilizar amplificadores ópticos que amplifican la señal óptica directamente sin tener que convertir la señal al dominio eléctrico. Un tipo común de amplificador óptico es el amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA). Estos se fabrican dopando un trozo de fibra con el mineral de tierras raras erbio y bombeándolo con láser con luz con una longitud de onda más corta que la señal de comunicaciones (normalmente 980  nm ). Los EDFA proporcionan ganancia en la banda C de la UIT a 1550 nm.

Los amplificadores ópticos tienen varias ventajas significativas sobre los repetidores eléctricos. En primer lugar, un amplificador óptico puede amplificar una banda muy amplia a la vez, que puede incluir cientos de canales multiplexados , eliminando la necesidad de demultiplexar señales en cada amplificador. En segundo lugar, los amplificadores ópticos funcionan independientemente de la velocidad de datos y el formato de modulación, lo que permite que coexistan múltiples velocidades de datos y formatos de modulación y permite actualizar la velocidad de datos de un sistema sin tener que reemplazar todos los repetidores. En tercer lugar, los amplificadores ópticos son mucho más simples que un repetidor con las mismas capacidades y, por lo tanto, son significativamente más confiables. Los amplificadores ópticos han reemplazado en gran medida a los repetidores en las nuevas instalaciones, aunque los repetidores electrónicos aún se usan ampliamente cuando se requiere acondicionamiento de señal más allá de la amplificación.

Multiplexación por división de longitud de onda

La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es la técnica de transmitir múltiples canales de información a través de una única fibra óptica mediante el envío de múltiples haces de luz de diferentes longitudes de onda a través de la fibra, cada uno modulado con un canal de información independiente. Esto permite multiplicar la capacidad disponible de las fibras ópticas. Esto requiere un multiplexor por división de longitud de onda en el equipo de transmisión y un demultiplexor (esencialmente un espectrómetro ) en el equipo de recepción. Las rejillas de guía de onda en matriz se utilizan comúnmente para la multiplexación y demultiplexación en WDM. [37] Utilizando la tecnología WDM ahora disponible comercialmente, el ancho de banda de una fibra se puede dividir en hasta 160 canales [38] para soportar una tasa de bits combinada en el rango de1,6  Tb/s .

Parámetros

Producto ancho de banda-distancia

Debido a que el efecto de la dispersión aumenta con la longitud de la fibra, un sistema de transmisión por fibra suele caracterizarse por su producto ancho de banda-distancia , que suele expresarse en unidades de MHz ·km. Este valor es un producto del ancho de banda y la distancia porque existe un equilibrio entre el ancho de banda de la señal y la distancia a la que se puede transportar. Por ejemplo, una fibra multimodo común con un producto ancho de banda-distancia de 500 MHz·km podría transportar una señal de 500 MHz durante 1 km o una señal de 1000 MHz durante 0,5 km.

Velocidades récord

Mediante el uso de multiplexación por división de longitud de onda , cada fibra puede transportar muchos canales independientes, cada uno de los cuales utiliza una longitud de onda de luz diferente. La velocidad de datos neta (velocidad de datos sin bytes de sobrecarga) por fibra es la velocidad de datos por canal reducida por la sobrecarga de corrección de errores de avance (FEC), multiplicada por el número de canales (normalmente hasta ochenta en sistemas WDM densos comerciales a partir de 2008 [actualizar]). [ necesita actualización ]

Cables de fibra estándar

A continuación se resume una investigación que utiliza cables de fibra de núcleo sólido único y monomodo de grado de telecomunicaciones estándar.

AñoOrganizaciónVelocidad agregadaAncho de bandaEficiencia espectral , (bit/s)/HzCanales WDMVelocidad por canalDistancia
2009Alcatel-Lucent [39]15,5 Tbit/s155100 Gbps7000 kilómetros
2010TNT [40]69,1 Tb/s432171 Gbps240 kilómetros
2011CEN [41]101,7 Tbit/s370273 Gbps165 kilómetros
2011EQUIPO [42] [43]26 Tb/s336 [A]77 Gbps50 kilómetros
2016BT y Huawei [44]5,6 Tbit/s28200 Gbps~140 kilometros?
2016Nokia Bell Labs , Deutsche Telekom y la Universidad Técnica de Múnich [45] [46]1 Tb/s5–6,754250 Gbps419–951 kilómetros
2016Nokia Alcatel Lucent [47]65 Tb/s6600 kilómetros
2017BT y Huawei [48]11,2 Tbit/s6.2528400 Gbps250 kilómetros
2020RMIT, Universidades Monash y Swinburne [49] [50]39,0–40,1 Tbit/s~4 THz10.4 (10.1–10.4)160 [A]244 Gbps76,6 kilómetros
2020Universidad de California [51]178,08 Tbit/s16,83 THz10.8660 (bandas S, C, L)270 Gbps40 kilómetros
2023NTIC [52]301 Tb/s27,8 THz10.81097 (bandas E, S, C, L)250–300 Gbps50–150 kilómetros
2024NTIC [53]402 Tb/s37,6 THz10.71505 (bandas O, E, S, C, L, U)170–320 Gbps50 kilómetros
  1. ^ ab Se utiliza una única fuente para controlar todos los canales.

Cables especializados

La siguiente tabla resume los resultados obtenidos utilizando fibra multimodo o multinúcleo especializada.

AñoOrganizaciónVelocidad agregadaPor velocidad de núcleoAncho de bandaEficiencia espectral, (bit/s)/HzNúmero de modos de propagaciónNúmero de núcleosCanales WDM (por núcleo)Velocidad por canalDistancia
2011NTIC [41]109,2 Tb/s15,6 Tbit/s7
2012NEC , Corning [54]1,05 Pbit/s87,5 Tbit/s1252,4 kilómetros
2013Universidad de Southampton [55]73,7 Tbit/s73,7 Tbit/s1 (hueco)3 × 96 (modo DM) [56]256 Gbps310 metros
2014Universidad Técnica de Dinamarca [57]43 Tb/s6,14 Tbit/s71045 kilómetros
2014Universidad Tecnológica de Eindhoven (TU/e) y Universidad de Florida Central (CREOL) [58]255 Tb/s36,4 Tbit/s750~728 Gbps1 kilometro
2015NICT , Sumitomo Electric y RAM Photonics [59]2,15 Pbit/s97,7 Tb/s22402 (bandas C, L)243 Gbps31 kilómetros
2017TNT [60]1 Pbit/s31,25 Tbit/smonomodo3246680 Gbps205,6 kilómetros
2017Investigación de KDDI y Sumitomo Electric [61]10,16 Pbit/s535 Tb/s6 modos19739 (bandas C, L)120 Gbps11,3 kilómetros
2018NTIC [62]159 Tb/s159 Tb/stri-modo1348414 Gbps1045 kilómetros
2020NTIC [63]10,66 Pbit/s280,5 Tbit/s9,2 THz30.5tri-modo38368 (bandas C, L)762 Gbps13 kilómetros
2021NTIC [64]319 Tb/s79,8 Tbit/smonomodo4552 (bandas S, C, L)144,5 Gbps3001 kilómetros (69,8 kilómetros)
2022NTIC [65] [66] [67]1,02 Pbit/s255 Tb/s4801 (bandas S, C, L)51,7 kilómetros
2022 [A]Universidad Técnica de Dinamarca [68] [69]1,84 Pbit/s49,7 Tbit/s37223223 Gbps7,9 kilómetros
2022NTIC [70] [71] [72]1,53 Pbit/s1,53 Pbit/s4,6 THz33255 (multiplexor 110-MIMO)1184 (banda C)1,03 Tbit/s25,9 kilómetros
2023NTIC [73]22,9 Pbit/s603 Tbit/s18,8 THz32tri-modo38750 (bandas S, C, L)803,5 Gbps13 kilómetros
  1. ^ Nuevo récord de rendimiento utilizando un chip fotónico.

Nuevas técnicas

La investigación de DTU , Fujikura y NTT es notable porque el equipo logró reducir el consumo de energía de la óptica a alrededor del 5 % en comparación con las técnicas más convencionales, lo que podría conducir a una nueva generación de componentes ópticos de gran eficiencia energética.

AñoOrganizaciónVelocidad efectivaNúmero de modos de propagaciónNúmero de núcleosCanales WDM (por núcleo)Velocidad por canalDistancia
2018Hao Hu, et al. (DTU, Fujikura y NTT) [74]768 Tbit/s (661 Tbit/s)Monomodo3080320 Gbps

Una investigación realizada por la Universidad RMIT de Melbourne (Australia) ha desarrollado un dispositivo nanofotónico que transporta datos sobre ondas de luz que se han retorcido en forma de espiral y ha logrado un aumento de 100 veces en las velocidades actuales alcanzables de la fibra óptica. [75] La técnica se conoce como momento angular orbital (OAM). El dispositivo nanofotónico utiliza láminas ultrafinas para medir una fracción de milímetro de luz retorcida. El dispositivo nanoelectrónico está integrado en un conector más pequeño que el tamaño de un conector USB y puede colocarse en el extremo de un cable de fibra óptica. [76]

Dispersión

En el caso de las fibras ópticas de vidrio modernas, la distancia máxima de transmisión no está limitada por la absorción directa del material, sino por la dispersión , es decir, la propagación de los pulsos ópticos a medida que viajan a lo largo de la fibra. La dispersión limita el ancho de banda de la fibra porque la propagación de los pulsos ópticos limita la velocidad con la que los pulsos pueden seguirse unos a otros en la fibra y seguir siendo distinguibles en el receptor. La dispersión en las fibras ópticas se debe a diversos factores.

La dispersión intermodal , causada por las diferentes velocidades axiales de los distintos modos transversales , limita el rendimiento de la fibra multimodo . Debido a que la fibra monomodo solo admite un modo transversal, se elimina la dispersión intermodal.

En la fibra monomodo, el rendimiento está limitado principalmente por la dispersión cromática , que se produce porque el índice del vidrio varía ligeramente según la longitud de onda de la luz y, debido a la modulación, la luz de los transmisores ópticos ocupa necesariamente un rango (estrecho) de longitudes de onda. La dispersión del modo de polarización , otra fuente de limitación, se produce porque, aunque la fibra monomodo puede soportar solo un modo transversal, puede transportar este modo con dos polarizaciones diferentes, y ligeras imperfecciones o distorsiones en una fibra pueden alterar las velocidades de propagación de las dos polarizaciones. Este fenómeno se llama birrefringencia y se puede contrarrestar con fibra óptica que mantenga la polarización .

Es posible eliminar algunas dispersiones, en particular la dispersión cromática, mediante un compensador de dispersión . Este método funciona utilizando un tramo de fibra especialmente preparado que tiene la dispersión opuesta a la inducida por la fibra de transmisión, y esto agudiza el pulso para que pueda ser decodificado correctamente por la electrónica.

Atenuación

La atenuación de la fibra es causada por una combinación de absorción de material , dispersión de Rayleigh , dispersión de Mie y pérdidas en los conectores . La absorción de material para sílice pura es de solo alrededor de 0,03 dB/km. Las impurezas en las primeras fibras ópticas causaron una atenuación de aproximadamente 1000 dB/km. La fibra moderna tiene una atenuación de alrededor de 0,3 dB/km. Otras formas de atenuación son causadas por tensiones físicas en la fibra, fluctuaciones microscópicas en la densidad y técnicas de empalme imperfectas. [77]

Ventanas de transmisión

Cada efecto que contribuye a la atenuación y dispersión depende de la longitud de onda óptica. Existen bandas de longitud de onda (o ventanas) en las que estos efectos son más débiles y son las más favorables para la transmisión. Estas ventanas han sido estandarizadas. [78]

Bandas estándar para comunicaciones por fibra óptica
BandaDescripciónRango de longitud de onda
Banda OOriginal1260–1360 nm
Banda EExtendido1360–1460 nm
Banda SLongitudes de onda cortas1460–1530 nm
Banda CConvencional ( ventana de erbio )1530–1565 millas náuticas
Banda LLongitudes de onda largas1565–1625 millas náuticas
Banda ULongitudes de onda ultralargas1625–1675 nm

Nótese que esta tabla muestra que la tecnología actual ha logrado unir las ventanas E y S que originalmente estaban disjuntas.

Históricamente, había una ventana de longitudes de onda más cortas que la banda O, llamada la primera ventana, a 800-900 nm; sin embargo, las pérdidas son altas en esta región, por lo que esta ventana se utiliza principalmente para comunicaciones de corta distancia. Las ventanas inferiores actuales (O y E) alrededor de 1300 nm tienen pérdidas mucho menores. Esta región tiene dispersión cero. Las ventanas intermedias (S y C) alrededor de 1500 nm son las más utilizadas. Esta región tiene las pérdidas de atenuación más bajas y logra el alcance más largo. Tiene cierta dispersión, por lo que se utilizan dispositivos compensadores de dispersión para abordar esto.

Regeneración

Cuando un enlace de comunicaciones debe abarcar una distancia mayor que la que puede cubrir la tecnología de fibra óptica existente, la señal debe regenerarse en puntos intermedios del enlace mediante repetidores de comunicaciones ópticas . Los repetidores añaden un coste sustancial a un sistema de comunicaciones, por lo que los diseñadores de sistemas intentan minimizar su uso.

Los recientes avances en la tecnología de comunicaciones ópticas y de fibra han reducido la degradación de la señal hasta el punto de que la regeneración de la señal óptica solo es necesaria en distancias de cientos de kilómetros. Esto ha reducido en gran medida el costo de las redes ópticas, en particular en tramos submarinos donde el costo y la confiabilidad de los repetidores es uno de los factores clave que determinan el rendimiento de todo el sistema de cable. Los principales avances que contribuyen a estas mejoras de rendimiento son la gestión de la dispersión, que busca equilibrar los efectos de la dispersión frente a la no linealidad; y los solitones , que utilizan efectos no lineales en la fibra para permitir la propagación sin dispersión en largas distancias.

Última milla

Aunque los sistemas de fibra óptica son excelentes para aplicaciones de gran ancho de banda, el problema de la última milla sigue sin resolverse, ya que la fibra hasta las instalaciones ha experimentado una adopción lenta. Sin embargo, la implementación de la fibra hasta el hogar (FTTH) se ha acelerado. En Japón, por ejemplo, EPON ha reemplazado en gran medida a DSL como fuente de Internet de banda ancha. Las mayores implementaciones de FTTH se encuentran en Japón, Corea del Sur y China. Singapur comenzó la implementación de su red de banda ancha nacional de próxima generación (Next Gen NBN) totalmente de fibra, cuya finalización está prevista para 2012 y que está siendo instalada por OpenNet. Desde que comenzaron a implementar servicios en septiembre de 2010, la cobertura de red en Singapur ha alcanzado el 85% a nivel nacional. [ necesita actualización ]

En los EE. UU., Verizon Communications ofrece un servicio FTTH llamado FiOS a mercados seleccionados con un alto nivel de ingresos por usuario en su territorio actual. El otro gran operador local superviviente , AT&T , utiliza un servicio de fibra hasta el nodo (FTTN) llamado U-verse con par trenzado hasta el hogar. Sus competidores MSO emplean FTTN con cable coaxial utilizando redes híbridas de fibra y cable coaxial . Todas las principales redes de acceso utilizan fibra para la mayor parte de la distancia desde la red del proveedor de servicios hasta el cliente.

La tecnología de red de acceso dominante a nivel mundial es la red óptica pasiva Ethernet (EPON). En Europa y entre las empresas de telecomunicaciones de los Estados Unidos, la PON de banda ancha basada en ATM (BPON) y la PON Gigabit (GPON) tienen sus raíces en la Red de acceso a servicios completos (FSAN) y en las organizaciones de normalización de la UIT-T bajo su control.

Comparación con la transmisión eléctrica

Un laboratorio móvil de empalme de fibra óptica utilizado para acceder y empalmar cables subterráneos
Se inauguró un recinto subterráneo de empalme de fibra óptica

La elección entre transmisión por fibra óptica y transmisión eléctrica (o de cobre ) para un sistema en particular se realiza en función de una serie de ventajas y desventajas. La fibra óptica se elige generalmente para sistemas que requieren un mayor ancho de banda , que funcionan en entornos hostiles o que abarcan distancias más largas que las que puede soportar el cableado eléctrico.

Los principales beneficios de la fibra son su pérdida excepcionalmente baja (lo que permite largas distancias entre repetidores), su ausencia de corrientes de tierra y otros problemas de señal y potencia parásitos comunes a los tendidos largos de conductores eléctricos paralelos (debido a su dependencia de la luz en lugar de la electricidad para la transmisión, y la naturaleza dieléctrica de la fibra óptica), y su capacidad inherentemente alta de transporte de datos. Se necesitarían miles de enlaces eléctricos para reemplazar un solo cable de fibra de alto ancho de banda. Otro beneficio de las fibras es que incluso cuando se colocan uno junto al otro durante largas distancias, los cables de fibra no experimentan efectivamente ninguna diafonía , a diferencia de algunos tipos de líneas de transmisión eléctrica . La fibra se puede instalar en áreas con alta interferencia electromagnética (EMI), como junto a líneas eléctricas y vías de tren. Los cables totalmente dieléctricos no metálicos también son ideales para áreas de alta incidencia de rayos.

A modo de comparación, mientras que los sistemas de cobre de una sola línea y de grado de voz de más de un par de kilómetros requieren repetidores de señal en línea para un rendimiento satisfactorio, no es inusual que los sistemas ópticos cubran más de 100 kilómetros (62 millas) sin procesamiento activo o pasivo.

Las fibras ópticas son más difíciles y costosas de empalmar que los conductores eléctricos. Y a potencias más altas, las fibras ópticas son susceptibles a la fusión de la fibra , lo que resulta en una destrucción catastrófica del núcleo de la fibra y daños a los componentes de transmisión. [79]

En aplicaciones de corta distancia y con un ancho de banda relativamente bajo, la transmisión eléctrica suele ser la preferida debido a su menor costo. La comunicación óptica no es común en aplicaciones de caja a caja, placa base o chip a chip de corta distancia.

En determinadas situaciones, la fibra puede utilizarse incluso para aplicaciones de corta distancia o de bajo ancho de banda, debido a otras características importantes:

  • Inmunidad a las interferencias electromagnéticas, incluidos los pulsos electromagnéticos nucleares .
  • Alta resistencia eléctrica , lo que lo hace seguro para usar cerca de equipos de alto voltaje o entre áreas con diferentes potenciales de tierra .
  • Menor peso, importante, por ejemplo, en los aviones.
  • No hay potencial de formación de arcos eléctricos , lo cual es importante en entornos con gases inflamables o explosivos. [80]
  • No emite radiación electromagnética y es difícil de interceptar sin interrumpir la señal, lo cual es importante en entornos de alta seguridad.
  • Tamaño de cable mucho más pequeño: importante cuando el camino es limitado, como en la conexión en red de un edificio existente, donde se pueden perforar canales más pequeños y ahorrar espacio en los conductos y bandejas de cables existentes.
  • Resistencia a la corrosión gracias al medio de transmisión no metálico

Los cables de fibra óptica se pueden instalar en edificios utilizando el mismo equipo que se utiliza para instalar cables de cobre y coaxiales, con algunas modificaciones debido al pequeño tamaño y a la tensión de tracción y el radio de curvatura permitidos limitados de los cables ópticos.

Normas de gobierno

Para que los distintos fabricantes puedan desarrollar componentes que funcionen de forma compatible en los sistemas de comunicación por fibra óptica, se han desarrollado una serie de normas. La Unión Internacional de Telecomunicaciones publica varias normas relacionadas con las características y el rendimiento de las propias fibras, entre ellas:

  • ITU-T G.651, "Características de un cable de fibra óptica de índice graduado multimodo de 50/125 μm"
  • UIT-T G.652 , "Características de un cable de fibra óptica monomodo"

Otras normas especifican criterios de rendimiento para la fibra, los transmisores y los receptores que se van a utilizar juntos en sistemas conformes. Algunas de estas normas son:

TOSLINK es el formato más común para cable de audio digital que utiliza fibra óptica plástica para conectar fuentes digitales a receptores digitales .

Véase también

Notas

  1. ^ Los LED de comunicaciones se fabrican habitualmente a partir de fosfuro de arseniuro de galio e indio (InGaAsP) o arseniuro de galio (GaAs). Debido a que los LED de InGaAsP funcionan a una longitud de onda más larga que los LED de GaAs (1,3 micrómetros frente a 0,81-0,87 micrómetros), su espectro de salida, aunque equivalente en energía, es más amplio en términos de longitud de onda en un factor de aproximadamente 1,7.

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  • Enciclopedia de física y tecnología láser
  • Tecnologías de fibra óptica por Vivek Alwayn
  • Agrawal, Govind P. (2002). Sistemas de comunicación por fibra óptica . Nueva York: John Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-21571-4.

Lectura adicional

  • Keiser, Gerd. (2011). Comunicaciones por fibra óptica , 4.ª ed. Nueva York: McGraw-Hill, ISBN 9780073380711 
  • Senior, John. (2008). Comunicaciones por fibra óptica: principios y práctica , 3.ª ed. Prentice Hall. ISBN 978-0130326812 
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Comunicaciones por fibra óptica .
  • "Entendiendo las comunicaciones ópticas" Un libro rojo de IBM
  • Julia Hall. «Fibra óptica: comunicaciones por Internet, cable y telefonía». Archivado desde el original el 22 de octubre de 2016.
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