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Comunicación de fibra óptica: telecomunicaciones

Comunicación de fibra óptica: telecomunicaciones

La comunicación por fibra óptica ha revolucionado la industria de las telecomunicaciones. También ha hecho que su presencia se sienta ampliamente dentro de la comunidad de redes de datos. Usando cable de fibra óptica, las comunicaciones ópticas han permitido que los enlaces de telecomunicaciones se establezcan a distancias mucho mayores y con niveles mucho más bajos de pérdida en el medio de transmisión y posiblemente lo más importante de todo, las comunicaciones de fibra óptica han permitido que se acomoden velocidades de datos mucho más altas.

Como resultado de estas ventajas, los sistemas de comunicaciones de fibra óptica se emplean ampliamente para aplicaciones que van desde la infraestructura principal de la red troncal de telecomunicaciones hasta sistemas Ethernet, distribución de banda ancha y redes de datos en general.

Desarrollo de fibra óptica

Desde los primeros días de las telecomunicaciones ha habido una necesidad cada vez mayor de transmitir más datos incluso más rápido. Inicialmente se utilizaron cables de una sola línea. Estos dieron paso a cables coaxiales que permitían que varios canales transmitieran por el mismo cable. Sin embargo, estos sistemas tenían un ancho de banda limitado y se investigaron los sistemas ópticos.

Las comunicaciones ópticas se convirtieron en una posibilidad después de que se desarrollaron los primeros láseres en la década de 1960. La siguiente pieza del rompecabezas encajó cuando se desarrollaron las primeras fibras ópticas con una pérdida suficientemente baja para fines de comunicaciones en la década de 1970. Luego, a fines de la década de 1970, se llevó a cabo una cantidad considerable de investigación. Esto resultó en la instalación del primer sistema de telecomunicaciones de fibra óptica. Corrió una distancia de 45 km y usó una longitud de onda de 0.5 mm y tenía una velocidad de datos de solo 45 Mbps, una fracción de lo que es posible en la actualidad.

Desde entonces, se han realizado mejoras considerables en la tecnología. Las velocidades de datos han mejorado y, además, el rendimiento de la fibra óptica se ha mejorado para permitir que se logren distancias mucho mayores entre repetidores. Como muestra de esto, las velocidades que ahora se pueden alcanzar a través de un sistema de fibra óptica superan los 10 Tbps.

Cuando se desarrollaron los primeros sistemas de transmisión de fibra óptica, se pensó que el cableado y la tecnología de fibra óptica serían prohibitivamente costosos. Sin embargo, este no ha sido el caso y los costos se han reducido en la medida en que la fibra óptica ofrece ahora la única opción viable para muchas aplicaciones de telecomunicaciones. Además de esto, también se utiliza en muchas redes de área local donde la velocidad es un requisito importante.

Ventajas de la fibra óptica para comunicaciones

Hay una serie de razones convincentes que conducen a la adopción generalizada del cableado de fibra óptica para aplicaciones de telecomunicaciones:

  • Niveles mucho más bajos de atenuación de la señal.
  • El cableado de fibra óptica proporciona un ancho de banda mucho mayor que permite entregar más datos
  • Los cables de fibra óptica son mucho más ligeros que los cables coaxiales que de otro modo podrían utilizarse.
  • La fibra óptica no sufre la captación de interferencias parásitas que se produce con el cableado coaxial

Sistema de transmisión de fibra óptica

Cualquier sistema de transmisión de datos por fibra óptica comprenderá varios elementos diferentes. Hay tres elementos principales (marcados en negrita) y uno más que es vital para los sistemas prácticos:

  • Transmisor (fuente de luz)
  • Cable de fibra óptica
  • Repetidor óptico
  • Receptor (detector)

Los diferentes elementos del sistema variarán según la aplicación. Los sistemas utilizados para enlaces de menor capacidad, posiblemente para redes de área local, emplearán técnicas y componentes algo diferentes a los utilizados por los proveedores de red que proporcionan velocidades de datos extremadamente altas a largas distancias. Sin embargo, los principios básicos son los mismos en cualquier sistema.

En el sistema, el transmisor de la fuente de luz genera un flujo de luz modulado para permitirle transportar los datos. Convencionalmente, un pulso de luz indica un "1" y la ausencia de luz indica "0". Esta luz se transmite a través de una fibra de vidrio muy fina u otro material adecuado para ser presentada en el receptor o detector. El detector convierte los pulsos de luz en pulsos eléctricos equivalentes. De esta manera, los datos se pueden transmitir como luz a grandes distancias.

Transmisor de fibra óptica

Aunque los sistemas originales de fibra óptica de telecomunicaciones habrían utilizado láseres grandes, hoy en día se pueden utilizar una variedad de dispositivos semiconductores. Los dispositivos más utilizados son diodos emisores de luz, LED y diodos láser semiconductores.

El dispositivo transmisor más simple es el LED. Su principal ventaja es que es económico, lo que lo hace ideal para aplicaciones de bajo costo donde solo se necesitan tiradas cortas. Sin embargo, tienen varios inconvenientes. La primera es que ofrecen un nivel de eficiencia muy bajo. Solo alrededor del 1% de la potencia de entrada ingresa a la fibra óptica, y esto significa que se necesitarían controladores de alta potencia para proporcionar suficiente luz para permitir que se realicen transmisiones a larga distancia. La otra desventaja de los LED es que producen lo que se denomina luz incoherente que cubre un espectro relativamente amplio. Normalmente, el ancho espectral está entre 30 y 60 nm. Esto significa que cualquier dispersión cromática en la fibra limitará el ancho de banda del sistema.

En vista de su rendimiento, los LED se utilizan principalmente en aplicaciones de redes de área local donde las velocidades de datos suelen estar en el rango de 10 a 100 Mb / sy las distancias de transmisión son de unos pocos kilómetros.

Cuando se requieren niveles más altos de rendimiento, es decir, es necesario que el enlace de fibra óptica pueda operar a distancias mayores y con velocidades de datos más altas, se utilizan láseres. Aunque son más costosos, ofrecen algunas ventajas importantes. En el primer caso, pueden proporcionar un nivel de salida más alto y, además, la salida de luz es direccional y esto permite un nivel de eficiencia mucho más alto en la transferencia de la luz al cable de fibra óptica. Normalmente, la eficacia de acoplamiento en una fibra monomodo puede llegar al 50%. Otra ventaja es que los láseres tienen un ancho de banda espectral muy estrecho como resultado del hecho de que producen luz coherente. Este estrecho ancho espectral permite que los láseres transmitan datos a velocidades mucho más altas porque la dispersión modal es menos evidente. Otra ventaja es que los láseres semiconductores se pueden modular directamente a altas frecuencias debido al breve tiempo de recombinación de los portadores dentro del material semiconductor.

Los diodos láser a menudo se modulan directamente. Esto proporciona un método muy simple y eficaz de transferir los datos a la señal óptica. Esto se logra controlando la corriente aplicada directamente al dispositivo. Esto a su vez varía la salida de luz del láser. Sin embargo, para velocidades de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia, es más eficaz hacer funcionar el láser a un nivel de salida constante (onda continua). Luego, la luz se modula mediante un dispositivo externo. La ventaja de utilizar un medio de modulación externo es que aumenta la distancia máxima de enlace porque se elimina un efecto conocido como chirrido láser. Este chirrido amplía el espectro de la señal luminosa y esto aumenta la dispersión cromática en el cable de fibra óptica.

Cable de fibra óptica

Los detalles completos y la descripción del cableado de fibra óptica se encuentran en un artículo / tutorial separado en esta área del sitio web. En esencia, un cable de fibra óptica consta de un núcleo, alrededor del cual hay otra capa denominada revestimiento. Fuera de esto hay una capa exterior protectora.

Los cables de fibra óptica funcionan porque su revestimiento tiene un índice de refracción ligeramente más bajo que el del núcleo. Esto significa que la luz que pasa por el núcleo sufre una reflexión interna total cuando alcanza el límite del núcleo / revestimiento y, por lo tanto, está contenida dentro del núcleo de la fibra óptica.

Repetidores y amplificadores

Existe una distancia máxima sobre la cual se pueden transmitir señales a través del cableado de fibra óptica. Esto está limitado no solo por la atenuación del cable, sino también por la distorsión de la señal luminosa a lo largo del cable. Para superar estos efectos y transmitir las señales a distancias más largas, se utilizan repetidores y amplificadores.

Se pueden utilizar repetidores optoeléctricos. Estos dispositivos convierten la señal óptica en un formato eléctrico donde se puede procesar para garantizar que la señal no se distorsione y luego se vuelva a convertir al formato óptico. A continuación, se puede transmitir a lo largo del siguiente estado del cable de fibra óptica.

Un enfoque alternativo es utilizar un amplificador óptico. Estos amplificadores amplifican directamente la señal óptica sin necesidad de volver a convertir la señal a un formato eléctrico. Los amplificadores consisten en un tramo de cable de fibra óptica dopado con un mineral de tierras raras llamado Erbio. Luego, el cable de fibra tratado se ilumina o bombea con luz de una longitud de onda más corta de otro láser y esto sirve para amplificar la señal que se transporta.

En vista del costo mucho más reducido de los amplificadores de fibra óptica en comparación con los repetidores, los amplificadores se utilizan mucho más ampliamente. La mayoría de los repetidores han sido reemplazados y los amplificadores se utilizan en prácticamente todas las instalaciones nuevas en estos días.

Receptores

La luz que viaja a lo largo de un cable de fibra óptica debe convertirse en una señal eléctrica para poder procesarla y extraer los datos transportados. El componente que está en el corazón del receptor es un fotodetector. Este es normalmente un dispositivo semiconductor y puede ser una unión p-n, un fotodiodo p-i-n o un fotodiodo de avalancha. Los foto-transistores no se utilizan porque no tienen suficiente velocidad.

Una vez que la señal óptica del cable de fibra óptica se ha aplicado al fotodetector y se ha convertido a un formato eléctrico, se puede procesar para recuperar los datos que luego se pueden pasar a su destino final.

La transmisión de datos por fibra óptica se utiliza generalmente para enlaces de redes de telecomunicaciones de larga distancia y para redes de área local de alta velocidad. Actualmente, la fibra óptica no se utiliza para la prestación de servicios a los hogares, aunque este es un objetivo a largo plazo para muchas empresas de telecomunicaciones. Al utilizar aquí cableado de fibra óptica, el ancho de banda disponible para nuevos servicios sería considerablemente mayor y aumentaría la posibilidad de mayores ingresos. Actualmente el costo de esto no es viable, aunque es probable que ocurra en el mediano plazo.

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Ver el vídeo: Avances en telecomunicaciones usando fibras ópticas multinúcleo (Octubre 2020).