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• Graciela Archila

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UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS. 1. Introduction Las telecomunicaciones ópticas se han constituido actualmente en el medio de comunicación por excelencia para la trasmisión de grandes volúmenes de datos a altas velocidades. Para llegar a este punto, se han desarrollado una serie de tecnologías nuevas las cuales permiten el tránsito de grandes cantidades de datos, siendo investigados actualmente, con el fin de aprovechar al máximo la capacidad potencial de este novedoso medio de transmisión. La fibra óptica se encuentra en una etapa de evolución. Desde su entrada en el mercado comercial en los años 70, la fibra óptica se ha desarrollado y se ha convertido en la protagonista de las telecomunicaciones, redes de datos y empresas de TV por Cable. En poco más de 30 años la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias, hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica.

2. Evolución Histórica Las ondas de luz son una forma de energía electromagnética y la idea de transmitir información por medio de luz, como portadora, tiene más de un siglo de antigüedad. Hacia 1880, Alexander G. Bell construyó el fotófono que enviaba mensajes vocales a corta distancia por medio de la luz. Sin embargo, resultaba inviable por la falta de fuentes de luz adecuadas. Con la invención y construcción del láser en la década de los 60 volvió a tomar idea la posibilidad de utilizar la luz como soporte de comunicaciones fiables y de alto potencial de información, debido a su elevada frecuencia portadora (1x1014 Hz). Por entonces, empezaron los estudios básicos sobre modulación y detección óptica. Los primeros experimentos sobre transmisión de la luz en la atmósfera pusieron de manifiesto diversos obstáculos como la escasa fiabilidad debida a precipitaciones, contaminación o turbulencias atmosféricas. El empleo de fibras de vidrio como medio guía no tardó en resultar atractivo: tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y coste. En concreto, las fibras de vidrio permitían guiar la luz mediante múltiples reflexiones internas de los rayos luminosos, sin embargo, en un principio presentaban elevadas atenuaciones.

En 1966 se produce un gran hito para los que serán las futuras comunicaciones por fibra óptica, y es la publicación por Kao y Hockman de un artículo en el cual se señalaba que la atenuación observada hasta entonces en las fibras de vidrio, no se debía a mecanismos intrínsecos sino a impurezas originadas en el proceso de fabricación. A partir de esta fecha empiezan a producirse eventos que darán como resultado final la implantación y utilización cada vez mayor de la Fibra Óptica como alternativa a los cables de cobre: 

1970: Dow Corning obtiene fibras con atenuación 20 dB/km.

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1972: Se desarrollan Fibras Ópticas con núcleo líquido con atenuación 8 dB/km.

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1973: Dow Corning obtiene Fibra Óptica de SiO2 de alta pureza con atenuación 4 dB/km y deja obsoletas a las de núcleo líquido.

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1976: NTT y Fujicura obtienen Fibra Óptica con atenuación 0,47, dB/km para una longitud de onda de 1.300 nm, muy próximo al límite debido a factores intrínsecos (Rayleigh) .

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1979: Se alcanzan atenuaciones 0,12 dB/km con fibras monomodo en 1550 nm. También en 1975 se descubría que las Fibras Ópticas de SiO2 presentan mínima dispersión en torno a 1300 nm, lo cual suponía disponer de grandes anchos de banda para la transmisión; en cuanto a la dispersión del material de la fibra constituye un factor intrínseco limitativo. Las nuevas posibilidades que ofrecían las Fibras Ópticas también estimularon la investigación hacia fuentes y detectores ópticos fiables, de bajo consumo y tamaño reducido.

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1970:

Se desarrolla el primer láser solido de AIGaAs capaz de operar de forma continua a

temperatura ambiente. Sin embargo, el tiempo de vida medio era de unas pocas horas. Desde entonces, los proceso han mejorado y hoy es posible encontrar diodos láser con más de 1.000.000 horas de vida media. 

1971: C.A. Burrus desarrolla un nuevo tipo de emisor de luz, el LED, de pequeña superficie radiante, idóneo para el acoplamiento en Fibra Óptica. Por lo que se refiere a los fotodetectores, los diodos PIN y los de avalancha a base de silicio, fueron desarrollados sin dificultades y ofrecían buenas características. Sin embargo, no podían aplicarse en longitud de onda > 1100 nm. El germanio era un buen candidato a ser utilizado para trabajar entre 1100 y 1600 nm, y ya en 1966 se disponía de ellos con elevadas prestaciones eléctricas. Sin embargo, la corriente en oscuridad (ruido) del germanio es elevada y da motivo a ensayos con fotodiodos con materiales como InGaAsP. El primer PIN de InGaAs se realiza en 1977. En las dos últimas décadas las redes ópticas han tomado un auge impresionante, en la trasmisión

de información en enlaces de alta y muy alta capacidad en redes WAN (redes de rea amplia) y MAN

(redes metropolitanas), debido a su gran ancho de banda (aproximadamente 40.000 GHz), pequeño tamaño y reducido costo de instalación. Es tanto el impacto de esta tecnología que actualmente el 60% de las telecomunicaciones mundiales actuales se transportan por fibras ópticas y se espera que en este siglo alcance el 85%. En la Fig. 1 se presenta una comparación en la capacidad de trasmisión de los diferentes medios de transmisión con que se cuanta actualmente, teniendo en cuenta su evolución histórica.

Fig. 1: Evolución histórica en la capacidad de diferentes medios de transmisión. 3. Descripción del Sistema de Comunicaciones Óptico. Los sistemas o enlaces ópticos están constituidos por tres elementos básicos.

El Transmisor Óptico: está constituido por una fuente de luz o foco luminoso que genera una onda electromagnética (La Luz). Este haz de luz u onda es modulado por la señal eléctrica que contiene información. Generándose en el extremo del transmisor óptico un frente de luz o de haces de ondas electromagnética que transporta información. El Medio de Propagación o Fibra Óptica: El fundamento de la fibra óptica es el siguiente: El conjunto de haces de luz modulada producida por el transmisor óptico se hace incidir en el extremo inicial de la fibra donde estos haces se refleja en sus paredes interna de la fibra, lo que tiene como consecuencia que por las múltiples reflexiones se puede guiar el haz luminoso y este se propague a lo largo de la fibra, incluso cuando éstas se encuentre curvada. El Receptor Óptico. Este se encuentra en el extremo final de la fibra óptica y esta constituido por un elemento sensor de luz, normalmente un fotodiodo o fototransistor. Los haces de luz modulada que alcanzan el extremo final de la fibra inciden sobre el elemento sensor y este convierte las variaciones de la luz (la información) de nuevo en la señal de información. La corriente de base es generada por luz El fototransistor no se usa por ser muy débil pero tiene la ventaja de brindar más amplitud. Que es un fotodiodo? Un diodo emisor de luz, material de dopaje muy sensible a la luz. Más luz más corriente, más rápida a los cambios. Para mayor ancho de banda necesito subir la frecuencia de la portadora. Hay que modular porque tenemos un contenido en frecuencia que debemos subir Las microondas funcionan hasta 1khz pero que pasa si subo la frecuencia de 500Mhz entran las perdidas por propagación, hasta 10khz consideramos la atmosfera terrestre igual que el vacio, pero la atmosfera terrestre es una mezcla de gases, el oxigeno y el vapor de agua absorben la onda electromagnética, es decir, perdidas por atenuación mayores mientras mayor es la frecuencia Se dice que dos puntos de una onda son coherentes cuando guardan una relación de fase constante,

4. Descripción de la Fibra Óptica Básicamente, la fibra óptica está compuesta por

dos

regiones cilíndricas concéntricas o

coaxiales. Una región o cilindro interno por el cual se efectúa la propagación, denominada núcleo (corre) y alrededor de este otro cilindro (externo) y coaxial con el anterior, necesario para que se produzca el mecanismo de propagación, y que se denomina cobertura o recubrimiento (cladding).

El conjunto de núcleo y cobertura está a su vez rodeado por un forro o funda de plástico u otros materiales que lo resguardan contra la humedad, el aplastamiento y otros riesgos del entorno, denominado revestimiento.

El núcleo tiene un índice de refracción superior al de la cobertura. Debido a esta diferencia de índices, la luz transmitida se mantiene y propaga a través del núcleo, satisfaciéndose el principio de reflexión total interna. . En los conductores de fibra óptica se utiliza el efecto de la reflexión total para conducir el rayo luminoso por su interior. El ángulo necesario para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior recibe el nombre de ángulo de aceptación.

Un parámetro extrínseco a la fibra óptica es la ventana de trabajo o la longitud de onda de la fuente luminosa que utilizamos para transmitir la información a lo largo de la fibra. La utilización de una ventana u otra determinará la atenuación que sufrirá la señal transmitida por kilómetro. Las ventanas de trabajo más corrientes son: Primera ventana a 850 nm, segunda ventana a 1300 nm y tercera ventana a 1550 nm. La atenuación es mayor si trabajamos en primera ventana y menor si lo hacemos en tercera. La atenuación en las fibras es producida por tres causas: Dispersión: debida a defectos microscópicos de la fibra; absorción: debida a materiales no deseados de la fibra y flexión debida a las posibles curvaturas que pueda sufrir la fibra a lo largo de esta. N1 es el núcleo y N2 la cubierta (estos son los índices de refracción del mucle y cubierta) N1>N2 5. Modos de Propagación en la Fibra Óptica.

Fibras multimodo. El término multimodo indica que pueden ser guiados muchos modos o rayos luminosos, cada uno de los cuales sigue un camino diferente dentro de la fibra óptica. Este efecto hace que su ancho de banda sea inferior al de las fibras monomodo. Por el contrario los dispositivos utilizados con las multimodo tienen un coste inferior (LED). Este tipo de fibras son las preferidas para comunicaciones en pequeñas distancias, hasta 10 Km. 

Fibra multimodal con índice escalonado En este tipo de fibra viajan varios rayos ópticos reflejándose a diferentes ángulos. Los

diferentes rayos ópticos recorren diferentes distancias y se desfasan al viajar dentro de la fibra. Por esta razón, la distancia a la que se puede trasmitir está limitada. 

Fibra multimodal con índice gradual En este tipo de fibra óptica el núcleo esta hecho de varias capas concéntricas de material

óptico con diferentes índices de refracción. En estas fibras el número de rayos ópticos diferentes que viajan es menor y, por lo tanto, sufren menos el severo problema de las multimodales. Fibras monomodo. El diámetro del núcleo de la fibra es muy pequeño y sólo permite la propagación de un único modo o rayo (fundamental), el cual se propaga directamente sin reflexión. Este efecto causa que su ancho de banda sea muy elevado. No sufre del efecto de las otras dos pero es más

difícil de construir y manipular, por lo que su utilización se suele reservar a grandes distancias, superiores a 10 Km, junto con dispositivos de elevado coste (LÁSER).

.

Fig. 3 : Tabla comparativas entre los distintos tipos de fibra según su modo de propagación.

6. Usos de los sistemas de comunicaciones Ópticos. Los campos de aplicación de las fibras ópticas son numerosos. A continuación se muestran los principales: Telefonía: 

Enlaces sin repetidora entre centrales telefónicas



Enlaces interurbanos con repetidoras



Enlaces transoceánicos por cable óptico submarino;



Transmisión de datos



Distribución de gran capacidad entre los abonados de servicios telefónicos, videofónicos y de transmisión de datos

Televisión: 

Distribución por cable



Enlaces cámara-estudio



Teleconferencias



Sistemas de seguridad

Informática: 

Enlaces entre computadoras



Enlaces entre computadoras y periféricos



Enlaces internos de material informático

Control de Procedimientos e Instrumentación: 

Trabajo en un medio deflagrante



Controles nucleares



Instrumentación de medida y control

Transportes: 

Comunicaciones tácticas



Aviación (helicópteros, interceptores)



Marina (submarino, barcos)



Ferrocarril

7. Comparación De La Fibra Optica Con Otro Medios De Transmisión.  COMPARACION CON LOS CABLES COAXIALES Características

Fibra óptica

Coaxial

Longitud de la Bobina (m)

2000

230

Peso (kg/km)

190

7900

Diámetro (mm)

14

58

Radio de Curvatura (cm)

14

55

Distancia entre repetidores (Km)

40

1.5

0.4

40

Atenuación (dB / Km) para un Sistema de 56 Mbps

8. Ventajas Y Desventajas De Los Sistemas De Comunicaciones Ópticas. Ventajas: 

Insensibilidad a la interferencia electromagnética, el cable de fibra puede ser colocado al

lado de conductores que transporte grandes cantidades de energía sin que la información que transporte sea interferida. 

Carencia de señales eléctricas en la fibra, por lo que no es posible el recibir descargas

eléctricas durante su manipulación ni es posible que se produzcan cortocircuitos y otros peligros.  

Fácil de instalar y gran seguridad. Bajas pérdidas y gran ancho de banda



Tamaño y peso reducido.



Velocidades de transmisión de información muy altas.



No requieren de una canalización con características mecánicas y eléctricas especiales.



Seguridad en la transmisión, debido a la imposibilidad de intercepción de la transmisión

de la información, al menos sin ser detectada. 

Gran durabilidad en el tiempo, esto debido a que al material de construcción el cable de

fibra óptica sufre poca degradación en el tiempo 

Gran resistencia a las condiciones ambientales y a los agentes externos, por lo que pueden

ser utilizadas en condiciones donde no se pueden utilizar cables o conductores metálicos. Desventajas: 

Los costos de los equipos, materiales, de instalación son elevados.



Los instrumentos, herramientas y procedimientos necesarios para su mantenimiento son

elevados. 

Fragilidad de las fibras.