Fibra Optica 2008

Victor Hugo Ulloa

Universidad Tecnica de Ambato

Diseño de una red

Con las ideas un poco más claras sobre los componentes de los sistemas de fibras ópticas, revisaremos los criterios básicos para diseñar una red con fibras ópticas

Variables

se empieza con un conjunto de requerimientos, tales como la necesidad de enviar 100 Mb/s a través de 5 km de cable.

Se añaden algunas metas adicionales, por ejemplo, con el menor costo posible, menor que otras alternativas ó dentro de un presupuesto determinado. El sistema requerirá un BER menor a 10-9 y deberá`operar sin interrupción al menos por 5 años.

Principales variables en diseño

 Fuente de luz, potencia de salida (hacia la fibra).

Pérdidas de acoplamiento. Ancho espectral de la fuente de luz. Tiempo de respuesta de la fuente de luz y

del transmisor. Codificación de señal. Pérdidas de empalmes y conectores.

Principales variables en diseño

Tipo de fibra (monomodo ó multimodo). Atenuación y dispersión de la fibra. Diámetro del núcleo. Apertura Numérica de la fibra (AN). Longitud de Onda de Operación. Sensibilidad del receptor. BER ó S/N Ancho de Banda de Recepción.

Principales variables en diseño

Configuración del sistema. Número de empalmes, acopladores y

conectores. Tipo de acopladores. Costos.

Consideraciones adicionales

Muchas de estas variables están interrelacionadas. Por ejemplo la atenuación de la fibra y la dispersión dependen de la longitud de onda de operación y del tipo de fibra.

Las pérdidas de acoplamiento de factores como el diámetro del núcleo y la AN. Algunas de estas relaciones limitan las opciones disponibles, por ejemplo, la necesidad de bajas pérdidas en la fibra puede requerir que se opere en 1300 ó en 1550 nm

Presupuesto de Potencia

es la primera tarea de diseño. Esto es, se necesita estar seguro de que al

restar todas las pérdidas ópticas del sistema, de la potencia entregada por el transmisor, llegue suficiente potencia al receptor con el BER ó S/N deseados

Primer paso: Presupuesto de potencia

el Presupuesto de Potencia se define como: Potencia del Transmisor - Entrada al

Receptor =

Perdidas + Margen

El Margen de seguridad permitiá degradaciones del sistema y fluctuaciones (por ejemplo debidas a la degradación del transmisor o a los empalmes o a pequeñas roturas del cable

Presupuesto de Potencia

Algunos fabricantes suelen especificar la Potencia Pico, especialmente para los transmisores.

Para un sistema de fibra óptica digital, la potencia pico es alrededor del doble de la potencia promedio

Se deben considerar totas las pérdidas del sistema:

Pérdidas en la transferencia de la luz desde la fuente hacia la fibra.

Pérdidas de los conectores.

Pérdidas de los empalmes.

Pérdidas de los acopladores.

Pérdidas de la fibra.

Pérdida de acoplamiento del receptor a la fibra.

Ejemplo 1.- RED LAN

En un edificio se van a transmitir señales a través de 200 metros de fibra ya instalada. En otras palabras, se debe enrutar la señal a través de paneles de conexión (patch panels) con conectores. Hay 6 pares de conectores distribuídos en dos pisos, uno para enlazar el terminal de cada piso con la red (total 2), y un par para conectarlos al panel patch en cada piso. (Los conectores también unen la fibra con el transmisor y con el receptor, pero sus pérdidas están incluídas en la transferencia de potencia del LED y en la sensibilidad del receptor). La fibra multimodo de índice gradual y núcleo de 50/125 m usada, tiene una atenuación de 2,5 dB/km a 850 nm del transmisor LED

Ejemplo Red LAN

PdP red LAN

Multimodo

CFETF1011-105TX

PWR mínimo: -19.0 dBmTX PWR máximo: -14.0 dBmSensibilidad RX: -30.0 dBmIn PWR máxima: -14.0 dBmPresupuesto de enlace: 11.00 dB

CFETF1018-105TX

PWR mínimo: -19.0 dBmTX PWR máximo: -14.0 dBmSensibilidad RX: -33.5 dBmIn PWR máxima: -14.0 dBmPresupuesto de enlace: 14.50 dB

Calculo PdP red LAN

Presupuesto de Pérdidas: Potencia del LED hacia la Fibra: - 16.0

dBm Pares de conectores (6 @ 0,7 dB): - 4.2 dB Pérdida de la Fibra (200 m @ 2,5 dB/km): -

0,5 dB Margen del sistema: - 10.0 dB  _______________________________________

__Sensibilidad requerida en el Receptor: - 30,7 dBm

Calculo PdP red LAN

El cálculo muestra que la mayor pérdida está ocasionada por los conectores. La pérdida de la fibra puede ser despreciable para distancias pequeñas.

La sensibilidad calculada para el receptor tiene un nivel razonable, y el Margen del sistema podría ser mayor si tenemos un receptor más sensible. Este cálculo inicia con una pérdida dada, un margen del sistema, y una potencia de entrada; pero, podría empezar con la sensibilidad dada en las especificaciones del receptor, el margen del sistema y la pérdida, para calcular la potencia requerida en el transmisor. Hay que notar que los LEDs proveen baja potencia de entrada a la fibra.

Ejemplo 2.- Red Telefonica

Las fuentes de pérdidas en un sistema telefónico son diferentes

PdP red telefonica

Monomodo CFETF1016-105TX PWR mínimo: -5.0 dBm

TX PWR máximo: 0.0 dBmSensibilidad RX: -34.0 dBmIn PWR máxima: -7.0 dBmPresupuesto de enlace: 29.00 dB

Perdidas OTDR

Presupuesto de Pérdidas:   Potencia del Laser hacia la fibra: 0.0 dBm

Pérdida de la fibra (1300 nm) (50 km x 0.4 dB/km) - 20.0 dB

Pérdidas por empalmes (24 x 0.1 dB) - 2.4 dB

Pares de conectores (2 @ 1.0 dB) - 2.0 dB

 _____________________________________________________

Potencia en el Receptor: - 24.4 dB

Sensibilidad del Receptor: - (- 32.0) dBm

 Exceso de potencia (Margen mínimo del sistema) - 7.6 dB

PdP Red Telefonica

La pérdida dominante es en los 50 km de la fibra. La atenuación es menor que en el primer ejemplo porque está operando en la segunda ventana (1300 nm) y en una fibra monomodo. La potencia de entrada es mayor porque la larga distancia justifica el costo del laser. De forma similar, se justifica una mayor sensibilidad en el receptor. Los 24 empalmes que unen los segmentos de las fibras (bobinas de 2 km). Un conector (realmente un par acoplado) está en cada extremo para permitir la conexión del transmisor y del receptor a través de los paneles de conexión ó patch panels. El uso de conexiones cruzadas de los cables en estos paneles, muy común en las redes telefónicas, añadiría un par más de conectores a cada extremo, dando un total de 4 pares con una pérdida de conexión de 4 dB. Aumentando la sensibilidad en el receptor o la potencia en el transmisor, se tendrá un mayor margen en el sistema.

Ejemplo 3.- Red pasiva

en la figura siguiente hay una diferente complicación: la necesidad de dividir la señal de luz entre 10 receptores separados. Se escoge un acoplador direccional en estrella del tipo 10 x 10, que divide la señal de 10 fibras de entrada entre 10 fibras de salida. Se asume un exceso de pérdidas de 3 dB y se divide el resto de la señal en partes iguales, entre los 10 puertos de salida, dando un total de atenuación de entrada-salida de 13 dB. Este acoplador domina el presupuesto de las pérdidas del sistema.

PdP redes pasivas

PdP Red Pasiva

Presupuesto de Pérdidas:

 Transmisor LED (850 nm): - 16.0 dBm

Pérdida de Fibra (100 m @ 2.5 dB/km) - 0.25 dB

Pérdida de un par de conectores (2 @ 0.8 dB): - 1.6 dB

Pérdida del Acoplador (incluyendo sus propio conectores): - 13.0 dB

 ________________________________________________________

Potencia en el Receptor: - 30.85 dB

Sensibilidad del Receptor: - (- 30.0) dBm

 Margen del sistema: 0.85 dB

PdP Red Pasiva

El cálculo del Margen del sistema muestra que estamos en un grave problema, ya que el Margen es negativo!. Eso significa que el receptor no tendrá la suficiente señal como para operar apropiadamente, aún si los componentes continúan con un desempeño como el que hemos asumido. Para evitar esto deberíamos escoger una fuente más potente, como el laser de 0.0 dBm, o rediseñar el sistema para eliminar el acoplador estrella con su alta pérdida.

Presupuesto de Ancho de banda(info)

En el presupuesto de las pérdidas no se analizó si el sistema era analógico o digital. Los dos experimentan la misma atenuación. El ancho de banda y la velocidad de transmisión tienen que ser considerados de diferente forma; dependerá si el sistema es analógico o digital, y aún de la codificación digital usada. (Por simplicidad, tomaremos la codificación NRZ como un estandar). Aunque los detalles pueden ser ligeramente diferentes para otros tipos de codificación, los principios son los mismos.

Otra suposición inicial es necesaria para simplificar los cálculos del presupuesto del ancho de banda. Asuminos que podemos calcular todo lo necesario para saber el tiempo de respuesta de las entradas de la señal sin tener directamente la respuesta de frecuencia. Es razonable ya que hay una caraterística de tiempo (T) por bit a cualquier tasa de transmisión (R): T = 1/R

Presupuesto de Ancho de banda(info)

donde R es la velocidad en bits por segundo. De esta forma, el tiempo por bit es de 1 ns para 1 Gb/s.

Tiempo de respuesta total: para que la señal sea recibida correctamente, el tiempo de respuesta total debe ser menor que la duración de un bit. El tiempo de respuesta en este caso significa el mayor tiempo de subida o de bajada de la señal que sale del sistema. Si el tiempo de respuesta es demasiado largo, los pulsos sucesivos comienzan a superponerse y el sistema se degrada. (El mismo principio se aplica a la transmisión analógica). De modo que un sistema que transmite a 1 Mb/s debe tener un tiempo de respuesta más rápido que 1 s.

La desición del tiempo de respuesta simplifica los cálculos. El tiempo total de respuesta de un sistema es la raíz cuadrada de los cuadrados de los tiempos de respuesta de los componentes individuales:

t = ( ti)1/2

Tiempo de respuesta total (cont)

donde t es el tiempo de respuesta total y t i es el tiempo total de cada componente.

Los conectores, los empalmes y los acopladores no afectan significativamente el tiempo de respuesta, pero el transmisor, el receptor y la fibra si lo hacen. Lo cual significa que el tiempo de respuesta total de un sistema sería:

t = (ttransm2 + trecep 2+ tfibra 2 )

Tiempo de repuesta de la fibra

Tiempo de respuesta de la fibra: los tiempos de subida y de bajada de los transmisores y detectores están dados en los datos de los fabricantes y están listos para usarlos en la fórmula. El tiempo de repuesta de la fbra debe ser calculado en base a su longitud. Está compuesto de dos componentes: dispersión modal y dispersión cromática, que se combinan con la fórmula de la suma de los cuadrados. La dispersión modal puede ser calculada con el valor especificado y la longitud de la fibra, pero la dispersión cromática requiere el ancho del espectro del transmisor. Esta dispersión cromática puede ser muy significativa aún para fibras multimodo.

Nota de dispersion

DispersiónLa dispersión es la distorsión de la señal, resultante de los distintos modos (simple y multimodo), debido a los diferentes tiempos de desplazamiento de una señal a través de la fibra. En un sistema modulado digitalmente, esto causa que el pulso recibido se ensanche en el tiempo [ver figura]. No hay pérdida de potencia en la dispersión, pero se reduce la potencia pico de la señal. La dispersión aplica tanto a señales analógicas como digitales. La dispersión es normalmente especificada en nanosegundos por kilometro

Tiempo de respuesta de la fibra

En el ejemplo # 1 anterior, de ve cómo está involucrada la dispersión cromática en el cálculo del tiempo de respuesta, en una transmisión de 100 Mb/s a través de 200 metros de fibra 50/125 usando un LED de 850 nm. Una fibra comercial típica tiene un ancho de banda modal de 400 MHz-km, lo cual es equivalente a una dispersión modal de 2,5 ns/km. Para una longitud de 200 m, que corresponde a 0.5 ns de tempo de respuesta, de acuerdo a la fórmula:

tmodal = DL

donde tmodal es el tiempo de respuesta causado por la dispersión modal, D es la dispersión modal y L es la longitud de la fibra.

Tiempo de respuesta de la fibra La unidad de medida para la dispersión cromática es del ps/(nm-km) que

indica que un pulso con una anchura espectral de un nanometro se ensanchara por un picosegundo por cada kilómetro que viaja

A esto debe añadirse el efecto de la dispersión cromática, tcromática , calculada de la fórmula:

tcromática = Dc . . L

 

donde Dc es la dispersión cromática, es el rango de longitudes de onda en el fuente de salida y L la longitud de la fibra. Para una fibra comercial 50/125, la dispersión cromática es alrededor de 100 ps/nm-km a 850 nm, la cual combinada con ancho de línea de 50 nm de un LED de 850 nm, nos da un tiempo de respuesta de 1.0 ns. De modo que la dispersión cromática es mayor que la dispersión modal que se calculó en 0.5 ns.

Tiempo der respuesta

Estos dos términos añadidos, con la fórmula de la suma de cuadrados, nos da un tiempo de respuesta de 1.1 ns. Que permite plenamente la transmisión de 100 Mb/s, si se usan un transmisor y un receptor suficientemente rápidos.

Tiempo de respuesta del receptor

la limitación real de la velocidad de transmisión en cortas distancias está dada por el transmisor y el receptor. Si usamos una fuente de LED con un tiempo de respuesta de 7 ns y un detector de silicio barato con una respuesta de 10 ns, con la ley de la suma de los cuadrados tendremos un tiempo de respuesta de alrededor de 12 ns, demasiado lento para manejar la señal de 100 Mb/s. Consiguiendo un receptor más rápido, con un tiempo de respuesta de 7 ns, daría un tiempo de respuesta total de 10 ns, adecuado para 100 Mb/s.

Consideraciones de Costo/Rendimiento

Consideraciones importantes:

 La instalación, la conexión, la operación y el soporte no son gratuitos. La instalación y el mantenimiento de muchos sistemas de fibras ópticas cuestan más que el hardware. Se pueden ahorrar recursos a largo plazo pagando un hardware redundante que resulta más fácil y económico en la primera instalación, y que ahorraría muchos problemas futuros en mantenimiento y/o ampliación de una red.

Puede resultar más económico pagar un especialista en la instalación que hacerla sin una buena experiencia, al menos al empezar este tipo de tecnología. Es recoemdable realizar prácticas de empalmes y conexiones antes de gastar recursos que ocasiones desperdicios graves de hardware. Es mucho más fácil comprar cables con conectores preinstalados en muchos casos.

Relacion costo/eficiencia

El desempeño de una fibra de bajo costo, la sensibilidad de los detectores, y la potencia de los transmisores deben balancearse entre el precio y el rendimiento.

La fibras con bajas pérdidas y mayor ancho de banda, generalmente, aceptan menos luz que las de altas pérdidas y menor ancho de banda. Para cortas distancias se puede reducir el presupuesto y la atenuación total, permitiendo mayor pérdida al usar un cable más grueso y costoso, pero que con un transmisor tipo LED más económico, la cantidad de luz que entra en el núcleo grueso compensa las pérdidas. (Los costos de producción y materiales requeridos para los cables multimodo gruesos son más altos que para los monomodo).

Costo eficiencia

Los costos marginales de añadir fibras extras a los cables son bajos y mucho más baratos que instalar un segundo cable paralelo. Sin embargo, si la seguridad es más importante, el costo de un segundo cable por otra ruta, puede ser más conveniente.

Los LEDs son mucho más baratos y requieren menos protección ambiental que los lasers, pero producen mucah menos potencia y son más diíciles de acoplar a fibras con núcleos pequeños. Su amplio rango de longitudes de onda y su velocidad de modulación limitada, reducen el ancho de banda.

La atenuación de la fibra contribuye menos a las pérdidas en sistemas cortos que la transferencia de la luz hacia y entre fibras.

Costo eficiencia

La topología de redes multiterminales puede tener un gran impacto para requerimientos de muchos sistemas con presupuestos bajos, debido a sus diferencias en los componentes requeridos. Las pérdidas de los acopladores podrían restringir las opciones en algunos sistemas.

Las fuentes de luz y los detectores para 1300 nm cuestan más que para los 800 - 900 nm, aunque la fibra y el cable para longitudes de onda mayores es más barato.

Las fuentes de luz para los 1550 nm cuestan más que para los 1300 nm. Proveen un buen ancho de banda, deben tener un pequeño ancho de banda o ser usadas con fibras con desplazamiento de dispersión.

Las fibras y los cables tienen la mayor parte en el costo de un sistema, y más impacto en el desempeño, mientras más largo es el sistema.