eadic... monografía 1 fibra Óptica

Comunicaciones sobreFibra ÓpticaPablo Moreno Gómez

El profesorPablo Moreno Gómez (Sevilla, 1981) obtuvo el título Ingeniero de Telecomunicación en 2004 y el título de Ingeniero en Electrónica en 2011, ambos otorgados por la Universidad de Sevilla.

En 2009 obtuvo el título de Máster en Sistemas de Telecomunicación, con especialidad en el área de Comunicaciones Ópticas, otorgado por Swansea University, Reino Unido.

Asimismo, ha desarrollado su carrera profesional en empresas como Endesa, donde participó en la primera etapa del despliegue de la red de telegestión de los contadores de energía eléctrica de dicha compañía, o Aertec, donde tomó parte en el desarrollo de un sistema de guiado terminal para cohetes basado en láser semi-activo, cuyo cliente era el Ministerio de Defensa.

Por último, es autor y titular de la patente de un sistema autónomo de detección, registro, monitorización y notificación, en tiempo real, de infracciones de tráfico.

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Estructura del curso

• Bloque I: Fundamentos de las Comunicaciones sobre Fibra Óptica Unidad 1: Introducción Unidad 2: Componentes de un sistema de comunicaciones sobre fibra

óptica Unidad 3: Formatos de modulación

• Bloque II: Redes basadas en fibra óptica Unidad 4: Introducción Unidad 5: Redes de acceso Unidad 6: Conmutación de paquetes ópticos

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Unidad 1:Introducción

Comunicaciones sobre Fibra Óptica

Índice• Esquema general de un sistema de comunicaciones ópticas

• Origen de las comunicaciones ópticas

• Ventajas y limitaciones de un sistema de comunicaciones ópticas

• Notas de interés

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Esquema general de un sistema de comunicaciones ópticas (1/3)

Figura 1.1. Esquema general de un sistema de comunicaciones ópticas.

• Modulador

• Detector

• Fuente de luz• Fibra óptica• Fotodetector• Amplificador

Unidad 3Unidad 2

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A grandes rasgos, el funcionamiento del sistema mostrado en la Fig. 1.1 es el siguiente (este funcionamiento se estudiará en detalle en las unidades 2 y 3):

1) El modulador adapta la señal recibida del codificador electrónico a las características del canal óptico.

2) La fuente de luz (LED o LASER) emite luz en función del esquema impuesto por el modulador y focaliza el haz producido en el interior de la fibra óptica, que hace las funciones de canal de comunicaciones.

3) La luz viaja en el interior de la fibra hasta alcanzar el receptor (se han obviado posibles amplificadores entre el transmisor y el receptor). Durante este viaje, los pulsos de luz que se propagan en el interior de la fibra pueden experimentar ensanchamiento, debido al fenómeno de dispersión cromática, y/o pérdida de potencia.

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4) En el receptor, los pulsos de luz excitan un fotodetector, produciéndose pulsos de corriente eléctrica que son proporcionales a la amplitud de los pulsos ópticos recibidos.

5) La señal eléctrica producida por el fotodetector es amplificada. Tras la amplificación, un detector aísla los pulsos eléctricos, recuperando el reloj con el que se transmitió la señal original.

Una vez recuperado este reloj, es posible decodificar la secuencia de bits recibida y, por tanto, recuperar la información que se transmitió.

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Origen de las comunicaciones ópticas (1/6)

• A lo largo de la Historia, el hombre ha utilizado la comunicación para transmitir mensajes. El modo de llevar a cabo esta comunicación ha sufrido innumerables modificaciones, desde las primitivas señales de fuego hasta los modernos enlaces ópticos, con capacidades de varios Tb/s.

• La idea de utilizar fibra de vidrio para transmitir pulsos ópticos fue propuesta originalmente por Alexander Graham Bell a finales del siglo XIX, aunque entonces no existía la tecnología necesaria para llevar esta transmisión a la práctica.

• En la década de 1970 tienen lugar dos hechos decisivos que permiten implementar la propuesta de Graham Bell:

Aparecen las primeras fibras de vidrio con pérdidas relativamente bajas a la longitud de onda de la luz utilizada en la comunicación.

La electrónica bajó sus precios hasta niveles aceptables para fabricar transceptores y amplificadores comerciales.

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• A día de hoy, las comunicaciones ópticas han adquirido un papel fundamental en la transmisión de elevados volúmenes de datos a grandes distancias, estando presentes, actualmente, en la mayor parte de los enlaces intercontinentales.

• Los gobiernos y las compañías de telecomunicaciones de la gran mayoría de los países desarrollados están impulsando la implantación de enlaces de fibra óptica para cubrir las comunicaciones nacionales, llegando incluso a instalarse este tipo de medio de transmisión en el bucle de abonado, sustituyendo al obsoleto par de cobre, que ha alcanzado el límite de su capacidad y no es capaz de soportar los modernos servicios que ofrecen los proveedores de telecomunicaciones.

Esta tecnología que acerca la fibra óptica hasta el domicilio del abonado se conoce como Fiber To The Home (FTTH).

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• Los tres hitos principales que han hecho posible la expansión de las comunicaciones sobre fibra óptica son los siguientes:

La invención del diodo LASER, a final de la década de 1950.

El desarrollo de fibras de vidrio de bajo coste, en la década de 1970.o Este hito fue posible gracias a las investigaciones de Charles K. Kao, quien, en

1966, realizó una profunda labor para determinar un modo eficaz de transmitir luz a grandes distancias sobre fibras ópticas. De acuerdo con sus conclusiones, con una fibra de vidrio de alta pureza, era posible transmitir señales de luz con bajas pérdidas a una distancia de 100 Km, sobrepasando con exceso los 20 metros que se alcanzaban con las tecnologías comunes de fabricación de fibras de vidrio disponibles en la década de 1960.

o Los cálculos hechos por Charles K. Kao le supusieron la concesión del premio Nobel de Física en el año 2009.

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La invención del amplificador basado en fibra dopada con erbio (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA), en la década de 1980.

• Actualmente, la atención en el campo de las comunicaciones ópticas está centrada en las llamadas All Optical Networks. Éstas son redes en las que el rutado entre usuarios finales se llevará a cabo completamente en el dominio óptico, evitando conversiones al dominio eléctrico, lo que supone un considerable incremento en la capacidad de los enlaces de datos.

• Ya existen redes ópticas en las que el rutado se efectúa en el dominio óptico, aunque estas redes aún distan de ser tan eficientes como aquellas en las que el rutado se realiza en el dominio electrónico. La causa principal de este hecho es la gran complejidad que encierra la fabricación de memorias ópticas, lo que hace extremadamente difícil la implementación de los búferes requeridos para llevar a cabo la tarea de rutado.

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• Aunque los primeros enlaces ópticos eran punto a punto, desde hace años existen redes ópticas que distribuyen señales entre diferentes usuarios a través de métodos de rutado más o menos complejos.

Los sistemas basados en multiplexión por división en longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM) han alcanzado gran relevancia, ya que permiten compartir el soporte de comunicación, incluyendo los amplificadores ópticos (Optical Amplifiers, OAMP), entre diversos canales, cada uno de ellos asociado a una longitud de onda diferente.

Figura 1.2. Esquema general de un sistema WDM.

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Mediante la introducción de multiplexores ópticos de agregado y extracción de canales (Optical Add and Drop Multiplexers, OADM), es posible aumentar la complejidad del rutado de señales.

• A medida que la complejidad de los servicios ofrecidos por los proveedores de telecomunicaciones crece y el número de usuarios aumenta, la cantidad de datos que cursan las redes incrementa, lo que hace necesaria la utilización de formatos de modulación apropiados, capaces de transportar grandes cantidades de tráfico con una tasa de error de bit despreciable.

Del formato de modulación de la señal óptica dependen:o El comportamiento de dicha señal frente a los fenómenos lineales y no-

lineales del canalo La máxima distancia permisible entre regeneradores de señalo La máxima tasa binaria soportada por el canalo La BER del canal

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Ventajas y limitaciones de un sistema de comunicaciones ópticas (1/9)

• En la actualidad, es comúnmente aceptado que los sistemas ópticos de comunicación ofrecen innumerables ventajas sobre los sistemas eléctricos, haciendo de los primeros la opción preferida en aquellos escenarios en los que se requiere un canal con un elevado ancho de banda y una probabilidad de error de bit despreciable.

• Algunos de los motivos que hacen de los sistemas de comunicaciones ópticas la opción deseable en los casos citados son los siguientes:

Coste del material:o Para una capacidad de transmisión dada, el coste de la fibra de vidrio es

significativamente menor que el de el par de cobre.

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Capacidad de datos:o Tomando como referencia una conversación telefónica, el cable coaxial más

eficiente soporta unos 2.000 canales de voz, lo que, asignando una capacidad de 64 Kb/s a cada canal, supone una capacidad total de 128 Mb/s. Esta capacidad es casi mil veces inferior a la capacidad que un único canal de un sistema WDM puede soportar con las tecnologías actuales.

o Utilizando una única longitud de onda por fibra, se han probado experimentalmente sistemas operando a 100 Gb/s. En el caso de que se multiplexen varios canales en una misma fibra óptica, es posible aumentar esta capacidad unas diez veces, aproximadamente, proporcionando capacidades de transmisión que, sobre cualquier otro medio, son completamente impensables.

o Estas asombrosas capacidades de transmisión, junto con las bajas pérdidas que este medio de transmisión ofrece en la actualidad, convierten a la fibra óptica en el medio más utilizado en la actualidad para enlaces de largo alcance y alta fiabilidad.

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Inexistencia de interferencia electromagnética:o Debido a la ausencia de conexiones eléctricas, no es posible ni captar ni crear

interferencias electromagnéticas, que, en sistemas de otra naturaleza, representan una de las fuentes principales de ruido. Esta es una de las razones por las que la BER en los sistemas ópticos es despreciable.

o El hecho de que las interferencias electromagnéticas no afecten a las comunicaciones soportadas por fibra óptica implica que, por ejemplo, en un entorno industrial, los datos que se transfieren sobre este medio son inmunes al ruido generado por motores, lo que supone una ventaja notable sobre las comunicaciones soportadas por hilos de cobre.

o En una red de área extensa (Wide Area Network, WAN), las posibilidades de rutado crecen enormemente con respecto al caso de que se utilice cable de pares como medio de transmisión, ya que, utilizando fibra óptica, es posible hacer el tendido cerca de líneas eléctricas o de distribución de agua sin riesgo alguno para personas.

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Distancia entre regeneradores:o A medida que una señal se propaga por un canal de comunicación, ésta

pierde potencia e incrementa su nivel de ruido.

o El método tradicional seguido para restaurar la señal, amplificando la potencia y, en ocasiones, eliminando el ruido, consiste en hacerla pasar por un amplificador o un regenerador.

o Puesto que hoy en día es posible fabricar fibras de vidrio con muy baja atenuación (del orden de 0.2 dB/Km), la distancia media entre regeneradores en sistemas actuales de comunicaciones ópticas oscila entre los 80-100 Km, en el caso de EDFAs, y los 100-160 Km, para los amplificadores de Raman.

o El número de regeneradores y la espaciación entre ellos es un factor determinante en el precio total del enlace óptico.

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Capacidad de datos abierta:o La capacidad teórica del total de fibra instalada es enorme, lo que implica que

los sistemas existentes pueden soportar la capacidad extra que demanden los futuros servicios conforme estos vayan apareciendo en el mercado.

o Las únicas modificaciones que habría que hacer en el sistema serían adaptar los equipos en ambos extremos del canal (transceptores) y actualizar los regeneradores.

• A pesar de las numerosas e importantes ventajas, de las cuales las más importantes han sido citadas anteriormente, que un sistema de comunicaciones ópticas presenta sobre un sistema de comunicaciones eléctrico convencional, los sistemas ópticos también presentan algunas limitaciones a tener en cuenta.

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• Las limitaciones más relevantes que presenta un sistema de comunicaciones ópticas son las siguientes:

Unión de fibras (1/3):o Dos fibras se unen mediante empalmes por fusión.

o Este método consiste en elevar la temperatura de los dos extremos a empalmar de las fibras que se van a unir y fundir dichos extremos entre sí. Para obtener un buen resultado, con pérdidas de potencia de señal despreciables, es necesario emplear equipos de precisión.

o A comienzos de la década de 1980 se utilizaban conectores que permitían conectar y desconectar fibras sin necesidad de emplear el proceso de fusión. Estos conectores introducían pérdidas muy elevadas en el sistema (alrededor de 3 dB por conector). En los últimos años, los conectores para fibras multimodo han mejorado, haciendo posible la inclusión de varios de estos conectores en una red de área local (Local Area Network, LAN) sin que se produzcan pérdidas importantes del nivel de señal.

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Unión de fibras (2/3):

Figura 1.3. Proceso de fusión de fibras (1/2).

A) Dispositivo de fusión. B) Corte transversal al eje de la fibra.

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Unión de fibras (3/3):

Figura 1.4. Proceso de fusión de fibras (2/2).

A) Colocación del extremo 1 en el dispositivo de fusión.

B) Colocación del protector en el extremo 2 (NO OLVIDAR) y colocación de dicho extremo en el dispositivo de fusión.

C) Alineación automática de los dos extremos e información sobre la pérdida (en dB) del empalme.

Más información sobre el proceso de fusión:http://www.thefoa.org/tech/ref/termination/fusion.html

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Coste de los equipos:o Aunque es cierto que el precio de los transceptores ópticos ha decrecido

notablemente en los últimos años, todavía es, aproximadamente, el doble que el de aquellos que trabajan en el dominio eléctrico de la señal.

Curvatura de las fibras:o A medida que la luz viaja por el interior de la fibra óptica, se producen

sucesivas reflexiones en el interfaz que separa la cubierta de la misma de su núcleo, siendo este fenómeno el que hace posible el guiado de la luz.

o Estas reflexiones sólo ocurren si el ángulo que forman el rayo de luz que viaja en el interior de la fibra y la recta normal a la superficie de incidencia de dicho rayo de luz en el punto de incidencia es superior a un ángulo crítico. Si la fibra se dobla excesivamente, la luz escapa de ella, disminuyendo drásticamente la potencia óptica que llega al receptor.

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• Unidad de medida de potencia: En comunicaciones ópticas, la potencia se suele medir en dBm:

dBmXmWX log10 dBmmW 1010

mWdBm 10

mWdBm 5017

Notas de interésUnidad de medida de potencia y de ganancias/pérdidas (1/2)

• Unidad de medida de ganancia / pérdidas: El decibelio (dB) es una unidad logarítmica que representa un cociente. En

comunicaciones, el cociente es Pout / Pin:

Pout : Potencia de salida Pin : Potencia de entrada

mWPout 5,4

mWPin 25,2

WP

WPdBLossGain

in

outlog10/

dBdBGain 3 mWPout 25,2

mWPin 5,4 dBdBLoss 3

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• Ejemplo:

mWPTX 200

dBdBdBGananciaTotal

23 13 10

dBdBdBdBPérdidaTotal

39 6 15 18

dBmmW

mWP

dBmTX 23 1

200log10

dBmPérdidaGananciaPPTotalTotalTXRX 7

mWPRX 5

?¿ RXP

Figura 1.5. Enlace de comunicaciones incluyendo ganancia de los amplificadores y pérdida de los vanos.

Notas de interésUnidad de medida de potencia y de ganancias/pérdidas (2/2)

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• Longitud de onda: En comunicaciones ópticas, la longitud de onda se mide en nm:

Violeta(aprox. 400 nm) ≤ Luz visible ≤ Rojo (aprox. 780 nm) Para la transmisión de información en fibras ópticas, las longitudes de

onda más comunes son 850 nm (primera ventana), 1310 nm (segunda ventana) y 1550 nm (tercera ventana). Las ventanas de transmisión se estudian en la Unidad 2.

Relación entre longitud de onda y frecuencia:

smcHzm

Figura 1.6. Espectro electromagnético visible.

Notas de interésLongitud de onda de la luz

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• Una señal analógica es una señal continua en el tiempo; es decir, para cualquier instante de tiempo en el que la señal exista, la amplitud de ésta puede tomar cualquier valor dentro del rango definido por la amplitud máxima y la amplitud mínima de la propia señal.

Notas de interésIntroducción a la digitalización de señales analógicas (1/5)

Figura 1.7. Señal analógica.

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• Una señal digital es una señal discreta en el tiempo; es decir, para cualquier instante de tiempo en el que la señal exista, la amplitud de ésta puede tomar un valor dentro de un conjunto discreto, definido por el número de bits del cuantizador.


Figura 1.8. Señal digital. (a) Señal analógica muestreada. (b) Cuantización de la señal analógica muestreada.

(a)

(b)

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• Proceso de muestreo de una señal analógica La señal analógica es evaluada cada Ts segundos (Ts : periodo de

muestreo) El valor de la muestra será posteriormente cuantizado o discretizado,

asignándosele un valor dentro de un conjunto limitado de valores Teorema de Nyquist: Para que sea posible recuperar la señal analógica

banda base original, la frecuencia de muestreo debe ser, al menos, doble de la frecuencia máxima de la citada señal analógica

• Proceso de cuantización o discretización de la señal analógica muestreada• A cada muestra se le asigna un valor concreto dentro de un conjunto de

valores posibles• El valor asignado a cada muestra será el más próximo a ella, con objeto de

reducir el error• En el caso de la diapositiva anterior, sobre la señal muestreada se ha

efectuado una cuantización uniforme de 3 bits (8 posibles valores de la muestra cuantizada: de Q0 a Q7)


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• Demostración del teorema de muestreo de Nyquist Señal de muestreo: tren de pulsos de periodo Ts


n n

tjnnsT

s

secnTtt

nT

dtetT

cs

T

T

ntjT

sn

s

s

s

s

11 2

2

ss

s

s Tsn

ssn

tjn

sT n

Te

Tt

21

Transformada de Fourier de la señal de muestreo

Figura 1.9. Señal δTs(t).

Figura 1.10. Señal δωs(ω).

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• Demostración del teorema de muestreo de Nyquist Muestreo de la señal x(t) con el tren de pulsos δTs(t)


ns

sns

s

nss nX

TnXXX

1

22

1

Se impone la condición ωs - w ≥ w, con objeto de evitar la superposición de espectros en la señal muestreada (aliasing). Esta condición implica que ωs ≥ 2w; es decir, la frecuencia de muestreo (ωs) debe ser, al menos, doble de la frecuencia más alta de la señal banda base analógica (w)

Figura 1.11. (a) Señal X(ω). (b) Señal Xδ(ω).

(a) (b)

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• H. J. R. Dutton, “Understanding optical communications”, IBM Books, Septiembre 1998

• R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, “Optical networks. A practical perspective”, 2nd Edition, 2002

• “6.013 Lecture 22: Optical communications”, MIT course materials, October 2002

• Nobel Prize Foundation web site

• Optoplex corporation, “Traditional optics for high-speed flexible telecom ystem applications”, Septiembre 2008

• G. Raybon, P. J. Winzer, “100 Gb/s challenges and solutions”, Alcatel-Lucent, Febrero 2008

• Mahmud Wasfi, “Optical fiber-amplifiers review”, IJCNIS, Vol. 1, No. 1, Abril 2009

Bibliografía

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