Download Elementos de la red óptica - telecomunicaciones

ANEXO 7
Elementos de la Red Óptica
A. 7. 1. Redes de Fibra Óptica
Por presentar las redes de fibra óptica un sorprendente desarrollo y avizorando nuevos sistemas
con aún mayor futuro, deberemos prestarle una particular atención a sus elementos constitutivos.
Los cables de fibra óptica y sus sistemas componentes son aprovechados en una gran variedad de
redes de transporte y metropolitanas de telecomunicaciones, extendiéndose actualmente hasta las
redes de acceso hasta el abonado.
Se agrupa en este capítulo toda su temática, con elementos experimentados en uso, pero sin desechar el análisis de los aun en desarrollo, ya que actualmente la red óptica está en continuo perfeccionamiento y se debe conocer las directrices futuras.
Se trata los tipos de fibras y cables ópticos empleado, esencialmente en telecomunicaciones e informática, haciendo una introducción a la teoría óptica. En esta incidencia particularizamos principios técnicos de sus conectores y empalmes, los opto-transmisores, fotoreceptores, divisores, acopladores, filtros ópticos, etc.
Comenzaremos analizando la fibra óptica en sus fundamentos de física óptica, para más adelante
referirnos a los elementos constitutivos de una red óptica, estudiando las características sobresalientes de la transmisión óptica.
A. 7. 1. 2. Ventajas de las fibras ópticas
Se puede estimar como un ejemplo, un valor de atenuación para un sistema de fibra óptica, debidos
a la absorción de la luz por la fibra, conectores y empalmes, para la segunda ventana, de 1 dB /Km
para fibras multimodo y de 0.4 dB /Km en fibras monomodo.
En la práctica y para una línea óptica media, al valor obtenido se le debe añadir 1.5 dB, debido a la
introducción de otras pérdidas intrínsecas.
El operador de redes, encuentra en la fibra óptica especiales propiedades como medio de transmisión, lo que le permite obtener múltiples ventajas:











Gran ancho de banda = mayor rendimiento.
Bajas pérdidas = mayores distancias entre regeneradores de pulsos.
Exento a diafonía = alta calidad de transmisión.
Inmune a interferencias eléctricas = cercanía de transformadores eléctricos.
Exento de inducciones eléctricas = fibra dieléctrica sobre líneas de alta tensión
Imposibilidad de substracción de la información = seguridad de la información transmitida.
Resistente a las atmósferas corrosivas.
Inmune a descargas eléctricas.
Reducidos factores, espacio, diámetro y peso.
Materia prima no escasa, dióxido de silicio (SiO2).
Flexibilidad para el diseño.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
2
El área de aplicación es sumamente extensa:








Redes de enlace de telecomunicaciones en banda ancha.
Redes de acceso en banda estrecha y ancha.
CATV.
LAN, MAN y WAN.
Cableados estructurados y en edificios inteligentes.
Cableados de aviones y buques.
Cables subfluviales y submarinos.
Aplicaciones médicas
Las características comparativas de atenuación en función de la distancia, de las fibras ópticas, respecto a cables multipares trenzados y coaxiales se distinguen por la presentación de valores diferenciados considerables (Fig. 1).
cable con aislamiento de papel 0.65
Atenuación
(dB)
con aislamiento de polietileno celular 0.65
cable coaxial de 4.4 mm
50
cable coaxial de 9.5 mm
20
10
5
2
1
fibra multimodo de índice gradual
0.5
fibra monomodo
0.2
0.1
1
2
5
10
20
50
100
200
500
1000
Longitud (m)
Fig. 1 - Atenuación en función de la longitud
Los operadores de redes, son partidarios de los cables de fibra óptica además de sus cualidades de
transmisión, por ser estos livianos y delgados. Ello les proporciona amplias facilidades de instalación tanto en cañerías, como aéreos o para enterramiento directo.
Además, muchas canalizaciones existentes están llenas por completo, al reemplazar varios cables
multipares por un solo cable de fibra se liberan varios conductos evitando efectuar ampliaciones de
las canalizaciones o la construcción de nueva cañerías.
Un cable de cobre, de 1000 pares y de 1 kilómetro de longitud, pesa 8000 Kg, dos fibras ópticas
pueden tener la misma capacidad de transmisión y únicamente pesan 100 Kg. Son además más
manejables, requieren un transporte más económico y su instalación podrá ser manual.
Por otra parte las fibras ópticas no podrán ser interferidas ni intervenidas en sus comunicaciones,
por no portar corrientes eléctricas, y no ser influenciadas por corrientes electromagnéticas de redes
eléctricas próximas, de alta tensión o de transporte.
En valores de atenuación y longitudes, podremos comparar cables UTP de Categoría 5 respecto a
fibras multimodo. El cable de cobre permite llegar a 155 Mb/s hasta 100 m, mientras que la fibra a
622 Mb/s hasta 800 m, ó a 155 Mb/s hasta 3 Km.
Luego para estas velocidades después de los 100 m debe usarse fibra. Para distancias mayores a
las indicadas es necesario emplear fibra monomodo.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
3
A. 7. 1. 3. Propagación lumínica en la fibra óptica
Desde hace mas de 100 años que se utilizan las ondas electromagnéticas para la transmisión de informaciones. Su utilidad se debe a que para propagarse no se requiere necesariamente de un conductor metálico. Se puede mediante estas ondas efectuar una transmisión con elevada velocidad
tanto en la atmósfera (aire), como en la estratosfera (vacío) o en un medio dieléctrico, es decir no
conductor de la electricidad como lo es un plástico o el vidrio.
La luz visible, ocupa una porción reducida del espectro total de las ondas electromagnéticas (Capítulo 4). Se extiende desde los 380 nm (color violeta) hasta los 780 nm (color rojo), a la que se le
adiciona la zona de radiación ultravioleta, con longitudes de onda menores y la zona de radiación infrarroja con longitudes de onda mayores.
En las telecomunicaciones ópticas se emplean las longitudes de onda del infrarrojo, entre 800 y
1600 nm, a sea en entornos de 1m.
Las ondas electromagnéticas y por ende las luminosas son ondas transversales, es decir que su
campo magnético y eléctrico oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación. La propagación del sonido por el contrario tiene una propagación longitudinal, es decir que las oscilaciones
se producen en la misma dirección de propagación.
El concepto fundamental, es considerar a una onda como la excitación dada en una sustancia, con
una propagación sin la necesaria implicancia de transporte de materia de esa sustancia.
En el vacío estas ondas se propagan con la velocidad de la luz c0 = 299 792.456 Km/s. Para la propagación en el aire se toma como aproximación el valor entero c0 = 300 000 Km/s.
Para estudiar las propiedades de transmisión en las fibras ópticas, se deben conocer las bases de
la propagación óptica. La correcta propagación de un haz de luz en la fibra óptica se realiza si se
cumplen las dos leyes fundamentales de la física óptica: La Ley de la reflexión y la Ley de refracción
de Snell..
Estructura básica de una fibra óptica
Una fibra óptica (denominada coloquialmente pelo de fibra), está constituida por un núcleo
central (core), de vidrio extremadamente puro constituido por dióxido de silicato SiO2, mas
elementos dopantes, rodeada de una capa de vidrio SiO2, llamada revestimiento (cladding)
y que tiene un valor de densidad distinto al del núcleo.
Se tiene una fibra multimodo cuando el núcleo posee un diámetro entre 50 á 85 m y una fibra monomodo cuando toma diámetros entre 4 y 10 m. El revestimiento presenta para ambos casos un
diámetro de 125 m.
Estos elementos conductores del rayo de luz están recubiertos, para su protección mecánica e identificación, por una capa de un material plástico, al que le llamamos recubrimiento
primario (soft coating). Este elemento es del tipo adherente como capa de resina siliconada,
nylon o acrilato, con 250 m de diámetro, que para fibras multimodo podrá llegar a 500 m.
El mismo, se coloca en la fabricación de la fibra óptica y que se eliminar para efectuar los empalmes, quitándolo y limpiando luego la superficie de la fibra óptica, usando un líquido especial para
esa operación.
Este recubrimiento es generalmente del tipo doble, para absorber los esfuerzos transversales que
generan las curvaturas, llamando al segundo, recubrimiento secundario (hard coating).
La ITU -T indica como norma, emplear solo diámetros de revestimiento en 125 m. Sin embargo se
ha desarrollado, para fibras multimodo empleadas con bajas velocidades y en tramos cortos, núcleos de 100 m, con revestimientos de 140 m de diámetro.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
4
Esta fibra, por sus dimensiones, es más fácil de operar con sus conectores, pero al ser una técnica
no normalizada resulta más costosa (Fig. 2).
recubrimiento primario
revestimiento
núcleo
8 m
85 m
125 m
125 m
250 m
250 m
Fibra monomodo
Fibra multimodo
Fig. 2 - Vista en corte de los dos principales tipos de fibras
Para diferenciar los distintos tipos de fibra óptica, se emplean diferentes colores para sus cubiertas.
COLOR DE LAS FIBRAS ÓPTICAS
TIPO DE FIBRA
Monomodo
Monomodo de dispersión desplazada
Multimodo 50/125 (core/clad)
Multimodo 62.5/125
Multimodo 85/125
CUBIERTA
Amarillo
Rojo
Naranja
Carbón gris
Azul
Ley de la Reflexión
Sea una superficie de separación entre dos sustancias, donde la sustancia 1 tiene una velocidad de
propagación de la luz de c1 y la sustancia 2 una velocidad de propagación c2. Cuando una onda
lumínica incide sobre esa superficie de separación, una fracción de la misma se refleja. La proporción de la luz reflejada depende del ángulo formado por el rayo de luz con la perpendicular a ese
plano, entendiéndose por rayo de luz a la trayectoria descripta por la energía lumínica.
En esas condiciones, se cumple que el ángulo () del rayo incidente (i), es igual al ángulo () del rayo reflejado (r), respecto ambos a la normal al plano de separación de las distintas sustancias y que
denominamos plano de reflexión (Fig. 3).
 = 
i
sustancia 1 (C1)
r


sustancia 2 (C2)
Fig. 3 - Ley de la Reflexión
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
5
Como caso particular, cuando la proporción de la onda de luz reflejada, es igual a la proporción de
la onda de luz incidente, se dice que se tiene reflexión total, para ese ángulo y para esa relación entre las densidades C1 y C2. Este fenómeno lo estudiaremos algo más adelante.
Ley de Refracción de Snell
De dos sustancias transparentes, se considera ópticalmente más densa, aquella que posee menor
velocidad de propagación de la luz.
Si incidimos un rayo con un ángulo  y para el caso que la sustancia desde donde el rayo incide, es
menos densa C1 (por ej: aire) a otra sustancia más densa C2 (por ej: vidrio ó agua), la trayectoria
cambia aproximándose a la normal, con un ángulo de refracción  (Fig. 4).

sustancia 1 (C1)
sustancia 2 (C2)

Fig. 4 – Refracción de un rayo lumínico
En ese caso y para una sustancia isotópica, es decir que mantiene sus propiedades físicas en todas
las direcciones, se cumple la relación dada por la Ley de refracción de Snell, expresada según las
velocidades de propagación en cada una de las sustancias:
sen 
C1
[1]
=
sen 
C2
La relación del seno del ángulo incidente al ángulo refractado, tiene un valor constante llamado índice de de refracción, entre el medio B de refracción y el medio A de incidencia. Si consideramos la
transición del aire, con una velocidad de la luz de C0, a una sustancia con velocidad de la luz de valor C1, se tiene:
sen 
C0
=
sen 
=
n1
C1
A tal relación la denominamos índice de refracción n1 para esa sustancia, considerando al
índice de refracción del vacío n0 (aproximadamente igual al del aire), es igual a uno. Para
dos sustancias diferentes, será:
C0
C0
y C2 =
C1 =
n1
n2
[2]
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
6
Reemplazando [2] en [1], resulta la Ley de Snell, expresada según los índices de refracción de cada
una de las sustancias:
n2
C1
=
n1
Ley de Snell
C2
Velocidad de Grupo
Mientras que la luz en el vacío, se propaga con igual velocidad para diferentes longitudes de onda,
en sustancias transparentes su velocidad de propagación es diferente para distintas longitudes de
onda. Esta característica permite que se originen los efectos de dispersión.
El índice de refracción n de una sustancia determinada, es decir la razón de la velocidad de la luz
en el vacío, a la velocidad de la luz en esa sustancia, depende fundamentalmente de la correspondiente longitud de onda aplicada. En el caso del cuarzo y con luz infrarroja, este índice decrece
cuando se incrementa la longitud de onda.
La magnitud n vale para ondas luminosas que se propagan con solamente con una única longitud
de onda y con amplitud constante. Pero en este caso la onda no transmite información, ello solo se
logra si se modula la misma.
En transmisiones ópticas digitales la modulación se realiza por medio de pulsos luminosos. Estos
pulsos son grupos de ondas luminosas de corta duración y de diferentes longitudes de onda. Luego
las ondas integrantes no se propagarán a la misma velocidad. Por ello, se debe considerar la velocidad del grupo, para lo cual se define el índice de refracción del grupo ng, la que está dada por la
relación:
dn
ng = n - 
d
La expresión dn /d es negativa, para la gama de longitudes de onda consideradas, luego el índice
de refracción de grupo ng, resulta mayor que el índice de refracción n. Para calcular los tiempos de
propagación de señales ópticas, debe utilizarse únicamente el índice de refracción de grupo ng.
Se destaca que ng presenta un mínimo para las cercanías de 1300 nm de longitud de onda, es decir
que posibilitará las mayores velocidades de transmisión para esa sustancia. Las variaciones de n y
de ng, en función de una onda luminosa originan valores de , los que se pueden graficar (Fig. 5).
Los pulsos luminosos se propagan por la fibra con la velocidad de grupo Cg, que corresponde a la
relación entre la velocidad de la luz en el vacío C y el índice de refracción de grupo, en el núcleo ng
(el que a su vez es función de la longitud de onda ).
Cg = C / ng
El tiempo (tg), que el grupo insume en el recorrido de una fibra óptica de longitud (L), será:
tg = L / Cg = ng (L / C)
[3]
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
7
Índices de refracción
(n)
1.49
1.48
ng ()
1.47
1.46
n ()
1.45
1.44
1.43
600
800
1000
1200
1400
1600 nm
()
Fig. 5 - Índice de refracción n () y de grupo ng (), para 100% de SiO2
Ángulo Límite
Vimos que un rayo se reflectaba desde una sustancia menos densa a una más densa aproximándose a la normal. Inversamente, si incidimos un rayo desde una sustancia más densa a una menos
densa se aleja de la norma. En ese caso, llegará a un valor de ángulo límite 0 en el cual el rayo reflejado se propagará sobre la superficie de separación.
Superado ese valor de ángulo 0, se obtendrán solamente rayos reflejados. Es decir que los rayos
incidentes no pasan, escapando a la sustancia menos densa, sino que se propagan solo en la sustancia más densa.
A este fenómeno se le denomina reflexión total y en ese caso se cumple que:
como: sen  = sen 90º = 1, resulta:
Ejemplos de ángulos límites son:
sen 0
n2
=
sen 
n1
Para vidrio con n1 = 1.5 y aire con n0 = 1 se tiene: sen 0 = 1 / 1.5  0.67
≡
0  42º
Para agua con n1 = 1.333 y aire, n0 = 1 resulta: sen 0 = 1 / 1.333  0.75
≡
0  49º
Apertura Numérica
La reflexión total puede ocurrir únicamente, cuando un rayo luminoso incide desde una sustancia
ópticamente más densa (vidrio con n1 = 1.5), sobre otra menos densa (aire con n2 = 1) y no en el
caso inverso.
En una fibra óptica al disponerse un núcleo formado por un vidrio con índice de refracción n1 y rodeada de un revestimiento con un vidrio de densidad n2 y donde n1 tiene un valor levemente superior (10%) a n2, se aplica el fenómeno de reflexión total.
En ese caso, los rayos incidentes dentro del núcleo, no escapan a la sustancia menos densa, sino
que se propagan rebotando siempre dentro del mismo (Fig. 6).
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
8

ángulo de aceptación 
núcleo n1
n1 > n2
revestimiento n2
aire n0 = 1
Fig. 6 - Trayecto del rayo de luz en una fibra óptica
Si se cumple la relación de ángulo límite, todos los pulsos de luz (Láser o infrarrojo) con ángulos
menores a (90º - 0), serán reflejados manteniéndose dentro del núcleo sin escape al exterior.
Para acoplar un rayo luminoso, desde el exterior al núcleo, se debe de cumplir que:
sen 
n1
sen (90º - 0)
Con n0 del aire igual a uno, será:
=
n0
sen  = n1·· cos 0 = n1  1- sen2 0
En reflexión total será:
sen  = n1  1- (n2 / n1)2
Luego resulta:
sen  =  n12 -- n22 = AN
Al máximo ángulo de acoplamiento max se le denomina ángulo de aceptación de la fibra óptica y al
seno del ángulo de aceptación se le denomina apertura numérica (AN) de la fibra.
La apertura numérica define el concepto de transmisión del rayo en la fibra. La rotación del ángulo
de aceptación máximo max define al cono de aceptancia (Fig. 7).
n2
m
ax
n1
n2
Fig. 7 - Cono de aceptancia
A. 7. 1. 3. 7. Óptica Ondulatoria
Dado que el diámetro del núcleo de una fibra óptica se halla típicamente entre 10 y 100 m, es decir
algo mayor que la longitud de onda de la luz infrarroja transmitida por ese núcleo, aproximadamente
alrededor de 1 m, ocurren fenómenos de interferencias que solo se pueden describir mediante la
ayuda de la física ondulatoria.
En general se denomina interferencia, a la superposición de dos o más ondas y su combinación para formar una onda única. La interferencia típica se obtiene, solo cuando ambas tienen una misma
longitud de onda y una diferencia de fase constante en el tiempo.
Si en un determinado punto del espacio, ambas ondas presentan una diferencia de fase igual a un
múltiplo entero de , se produce una suma de sus amplitudes. En cambio, si esa diferencia de fase
es igual a un múltiplo entero de ½ , se produce una resta de sus amplitudes. En este caso, si ambas amplitudes son iguales se produce una anulación total de las dos ondas.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
9
A este tipo de ondas se le denominan ondas coherentes. Para la transmisión de luz por fibras ópticas fue necesario encontrar fuentes luminosas coherentes o sea las que emiten una luz lo más coherente posible.
La luz Láser (Light Amplification by Stimulatated Emission of Radiation), luz por radiación de emisión estimulada, puede ser altamente coherente tanto temporánea como espacialmente o ambos.
La luz láser se produce tanto en luz visible como infrarroja y menos común en la región del espectro
de electromagnético ultravioleta. Para ello, los átomos son excitados por la descarga eléctrica a
través de un gas, o por la corriente a través de un diodo de estado sólido. Esta experiencia produce
una transición del nivel de energía, de lo que resulta la emisión de un flujo de fotones.
Algunos haces de tipo Láser, tienen la conformación de pulsos de luz, otros constituyen ondas continuas. Los haces Láser pueden ser modulados por señales de muy ancho de banda. Las modulaciones digitales ópticas utilizadas son de 8, 35 y 140 Mb/s.
Los emisores Láser son diodos luminosos. Estos brindan emisión de luz forzada, lo que da la posibilidad de contar con diferencias de fases constantes a igual . Con ello, aparecen interferencias en la
fibra óptica, que producen la propagación de la luz por su núcleo, a determinados ángulos.
Estos ángulos corresponden, a direcciones en las cuales las ondas asociadas al superponerse se
refuerzan, como suma de amplitudes. A este fenómeno de interferencia se le denomina interferencia
constructiva.
Las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse por el núcleo de una fibra óptica, se
denominan modos. También se las llama, ondas naturales o fundamentales. Estos modos de propagación se pueden determinar matemáticamente, mediante las Ecuaciones de Maxwell.
Las ondas fundamentales o modos, presentan superficies de ondas planas, por lo que se pueden
polarizar linealmente. De allí la denominación, LPvu., donde v y u son los índices modales.
Podríamos efectuar un ejercicio reflexivo. Porqué dos fuentes luminosas, dos lámparas incandescentes que superponen sus rayos de luz, no presentan efectos de interferencia?. La respuesta se
halla en el proceso de emisión de los filamentos incandescentes, que brindan luz incoherente.
Debido a sus fenómenos espontáneos aleatorios de emisión, cada átomo de los filamentos, emite
destellos luminosos de cortos trenes de onda, con duración de aproximadamente 10-8 s.
Considerando la velocidad de la luz en 300.000.000 m/s, cada tren de onda tiene una longitud de
unos 3 m. A esta longitud se la denomina longitud de coherencia. La superposición de los trenes de
onda de tal longitud, no ocasiona interferencias, sino solo iluminación.
A. 7. 1. 4. Parámetros Ópticos
La calidad de transmisión en una red óptica incumbe a los parámetros mensurables en las fibras
ópticas constituyente.
Los principales parámetros para el estudio de las redes ópticas son la atenuación y la respuesta de
frecuencia de banda base que limita su ancho de banda de trabajo.
Ambos factores deben considerar las propiedades de la fibra, la longitud del cable, el espaciamiento
de regeneradores de pulsos, sus conexionados y empalmes.
La atenuación y el ancho de banda, son producidos por fenómenos físicos tales como la absorción y
la dispersión. La atenuación describe la las pérdidas de potencia lumínica a lo largo del trayecto
descrito por la fibra óptica, mientras que la difracción constituye un actuación dispersiva (Fig. 8).
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
10
Señal de entrada
Señal de salida
Atenuación
modo 1
Dispersión
modo 2
modo 3
Atenuación +
Difracción
Fig. 8 - Efectos de atenuación y difracción
Veamos las causas que provocan el efecto de atenuación, para estudiar seguidamente los distintos
casos de difracción.
Debido a que los distintos efectos de difracción se anulan o minimizan por medio de la modificación
de los perfiles de la fibra óptica, describiremos la evolución de los perfiles en su relación vincular.
A. 7. 1. 4. 1. Atenuación
La pérdida de energía lumínica en líneas de fibra óptica, se expresa en valores de atenuación como
unidades de dB /Km, dependiendo éstos de la longitud de onda de trabajo empleada o frecuencia
moduladora (Fig. 9).
La atenuación se podrá clasificar según tres grandes categorías:
Pérdidas por factores intrínsecos a la fibra
Pérdidas por factores extrínsecos a la fibra
Atenuación
Modos fugados
Atenuación
(dB / Km)
1000
cable con aislamiento de polietileno
cable coaxial de 4.4 mm
100
cable coaxial de 9.5 mm
10
fibra multimodo de índice escalonado
1
fibra multimodo de índice gradual
fibra monomodo
0.1
0.1
1 MHz
10
100
1 GHz
10
100
1 THz
fr
Fig. 9 - Atenuación en función de la frecuencia moduladora
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
11
A. 7. 1. 4. 2. Factores Intrínsecos a la fibra
Las pérdidas de atenuación clasificadas, como debida a factores intrínsecos a la fibra, obedecen a
la composición del vidrio y del rayo lumínico y los podemos clasificar a su vez, debido a la absorción
y a la dispersión de los rayos. La absorción, se origina debido a los rayos infrarrojos (IR), a los rayos
ultravioletas (UV). La difusión, se origina debido a la difusión de Rayleigh, de Mie y de Brillouin y
Raman.
a rayos infrarrojos (IR)
Por absorción
a rayos ultravioletas (UV)
Factores intrínsecos
difusión de Rayleigh
Por esparcimiento
difusión de Brillouin y Raman
difusión de Mie.
Por absorción
a) En infrarrojo, limita el trabajo a altas longitudes de onda.
b) En ultravioleta, es despreciable para  > 1 m
Por esparcimiento
a)
Difusión de Rayleigh, se refiere a micro inhomogeneidades de orden menor a las longitudes de la onda transmitida, que provocan fluctuaciones de la corriente dieléctrica. Estas inhomogeneidades se deben a fluctuaciones de densidades, burbujas, fisuras y /o imperfecciones en la guía de onda. En este caso, cuando la luz se propaga se genera luz en otras
direcciones, dispersión de la onda electromagnética, distintas a la propagación deseada,
denominada Luz de Tyndall. Este es un fenómeno fundamental y no puede ser eliminado.
El valor de la atenuación debido a esta e factor es proporcional al índice de refacción, la
8
4
temperatura absoluta y la longitud de onda empleada n T / 
b)
Difusión Mie, corresponde a inhomogeneidades del mismo orden de ,. Ocurre en el sentido de propagación y no pueden separarse del efecto que produce en los modos de alto orden. Este es un fenómeno no dependiente de la frecuencia. En fibras de mala calidad,
causan principalmente retrodifusión, o sea que una pequeña porción de la potencia luminosa se difunde en sentido hacia el emisor.
c)
Difusión estimulada de Brillouin y Raman, se debe a la iteración entre el material y la señal
óptica no lineal  presente, superado un cierto umbral de densidad de potencia óptica. Este
fenómeno, limita la potencia a transmitir.
A. 7. 1. 4. 3. Factores Extrínsecos a la fibra
Los factores de pérdidas clasificados con extrínsecos a la fibra, intervienen en la fabricación de la fibra y /o en su cableado. Ellos se pueden catalogar también, como debido a la absorción o al esparcimiento. A su vez debido a la absorción se divide en por impurezas de iones metálicos o por radicales OH, y debido al esparcimiento, en por microcurvaturas o por macrocurvaturas.
a impurezas de iones metálicos
Por absorción
a radicales OH
Factores extrínsecos
microcurvaturas
Por esparcimiento
macrocurvaturas
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
12
Por absorción
-
b)
Los radicales OH absorben en distintas bandas la energía lumínica. Las bandas de mayor
absorción, que afecta a la propagación óptica, son las que corresponden a la longitud de
onda de 0.85 m, 1.39 m y 1.55 m. Por ejemplo, una concentración de 1 ppm (parte por
millón) de OH , ocasiona una atenuación de 0.1 dB /Km a 800 nm, 1 dB /Km a 950 nm,
1.7 dB /Km a 1240 nm y 35 dB /Km a 1390 nm de ..
b)
Pequeñas contaminaciones por impurezas de iones metálicos del cobre Cu, níquel Ni, hierro Fe, manganeso Mn, cobalto Co y cromo Cr, producen elevadas pérdidas de energía de
luz, en una fibra óptica de dióxido de silicato SiO2. Cada una de estas, afectando con distinta cuantía. Por ejemplo,1 ppm de Cu provoca una atenuación de varios dB /Km a 880
nm de .
Por esparcimiento
a
Microcurvaturas (microbending). Se refiere a ejercer curvaturas de la fibra óptica, en un
tamaño de la guía de onda óptica (waveguide scattering) que causan transferencia de
energía fuera de la misma.
b
Macrocurvaturas. Similar al caso de microcurvaturas, las pérdidas se producen en valores
de torsión fuera de norma para esa fibra óptica. El aumento de atenuación es función de la
curvatura que se somete a la fibra.
El radio de curvatura admisible especificado, para un cable de 48 fibras, es de 60 cm, lo que impide
cualquier curvatura excesiva. Los riesgos se presentan en las cajas de empalmes, si no se cumpliesen los correctos recorridos preestablecidos, que mantienen curvaturas superiores a unos 5 cm, para cada fibra.
Atenuación por modos fugados
El acoplo normal ente modos, permite una distribución de equilibrio en un trayecto rectilíneo. La dispersión de energía debida al acoplo nodal se denomina modos fugados. Al curvar una fibra óptica,
la componente transversal del campo de propagación, resulta en un campo de fuga y modos fugados.
Se trata de ondas que se encuentran en la gama límite entre los modos guiados y los que no son
capaces de propagarse. Parte de estos modos, circulan por el revestimiento a velocidad mayores y
se pierden en un corto trayecto. A ese campo de fuga se le denomina flujo evanescente. El mismo
está asociado a tales modos, con la consiguiente pérdida de potencia óptica.
Este tema, es visto con mayor detenimiento, al tratarse seguidamente, el perfil gradual de las fibras
multimodo.
Ventanas ópticas de transmisión
Una ventana se corresponde a los menores valores de atenuación proporcionada por la fibra óptica,
según el rango de longitudes de onda posibles de usar. Una longitud de la onda utilizada para un
sistema dado, se debe referir siempre a la ventana correspondiente, empleada en la fibra óptica.
Para la transmisión de luz por fibra óptica se utilizan, hasta el presente, tres rangos de frecuencias,
aquellos en los que las fibras muestran menor absorción, son las bandas alrededor de 0.85, 1.30 y
1.55 m.
Se encuentran por lo tanto en la zona infrarroja del espectro, la zona de luz visible está entre 0.4 y
0.7 m. Estas bandas, denominadas ventanas de transmisión de la fibra, se les llama respectivamente, de primera, segunda y tercera ventana.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
13
VENTANAS ÓPTICAS
LONGITUD DE ONDA
-6
(m) (10 m)
0.400 - 0.700
LONGITUD DE ONDA
-9
(nm) (10 m)
FRECUENCIA
(THz)
LUZ
400 - 700
750 - 429
visible
1º ventana 0.850
850
353
IR
2º ventana 1.310
1310
229
IR
1.400
1400
214
IR
3º ventana 1.550
1550
193
IR
1.600
1600
188
IR
Se está trabajando en laboratorios de investigación con ventanas, en bandas mayores a 1.6 m y
también entre 1.3 y 1.55. El pico de atenuación alrededor de los 1.4 m, se debe a valores de
hidroxilo como residuos de agua dentro del vidrio, por ello se buscan fibras especiales y perfiles que
eviten sus efectos.
La primera ventana tiene la mayor atenuación, solo se la utiliza para fibras multimodo. Se adopta
mayormente la tercera ventana, pues dispone del menor valor de atenuación, que se aplica en fibras monomodo para cubrir grandes distancias sin emplear repetidores.
Para analizar los efectos de absorción que introduce cada tipo de fibra óptica se debe determinar el
tipo y cantidad de iones de impureza o radicales que contiene. Se observará los bajos niveles de
contaminación intervinientes, lo que indica el grado de pureza requerido para su fabricación.
Graficando estas características, se podrá estudiar la relación de pérdidas por atenuación respecto
a las distintas longitudes de onda (Fig. 10).
Fig. 10 - Factores contaminantes de atenuación
Los distintos factores de atenuación, como ser la absorción de rayos ultravioletas, la dispersión de Rayleigh, los oxidrilos, la absorción de rayos infrarrojos, etc., para una fibra óptica
dada, definen la atenuación total resultante y con ello las posibles ventanas de transmisión
(Fig. 11).
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
14
Fig. 11 - Ventanas de transmisión óptica
Los valores de atenuación varían, para las distintas ventanas y entre los distintos tipos de fibra óptica utilizados, como se muestra en la siguiente tabla:
VALORES DE ATENUACIÓN PARA DISTINTOS TIPOS FIBRAS (dB /Km)
Núcleo
 (mm)
Revestimiento
 (mm)
850 nm
Ventana
1300 nm
1550 nm
Monomodo
5
85 - 125
2.3
-
-
Monomodo
8.1
125
-
0.5
0.25
Multimodo
50
125
2.4
0.6
0.5
Multimodo
62.5
125
3.0
0.7
0.3
Multimodo
100
140
3.5
1.5
0.9
TIPO DE FIBRA
Para nuestra mejor comprensión, podremos ubicar tales longitudes de onda empleadas, dentro del
espectro electromagnético.
Las ondas inferiores, mas cortas, se emplean para distintos sistemas, eléctricos, de telecomunicaciones y para tratamientos terapéuticos, mientras que las superiores corresponden al espectro óptico, es decir la radiación ultravioleta, la luz visible, los rayos X y los rayos gama (Ver Anexo X).
Las ondas superiores del espectro óptico, son empleadas para tratamientos medicinales, mientras
que el espectro útil para telecomunicaciones, se ubica restringido casi exclusivamente a un sector
de las ondas de luz infrarroja.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
15
DESCOMPOSICIÓN DEL ESPECTRO ÓPTICO
LONGITUD DE ONDA
LUZ
m
0.00075 - 0.100
0.75 - 100
0.100 - 0.350
100 – 350
Violeta
0.380
380
Azul
0.480
480
Radiación ultravioleta
Luz ultravioleta
nm
Verde
Luz
Espectro
0.540
540
Amarillo
visible
óptico
0.580
580
Naranja
0.620
620
Rojo
0.780
780
0.800 - 1.600
800 – 1600
1.600 – 5000
1600 – 5000000
Luz infrarroja
Radiación infrarroja
A. 7. 1. 5. Perfiles
Se denomina perfil del índice de refracción de una fibra óptica, a la variación del índice de refracción
en función de la distancia al eje de la fibra.
Hemos visto que se dispone principalmente de dos tipos de fibras la multimodo y la monomodo, en
el análisis de la marcha del rayo de luz observamos que se organizaba en dos índices de refracción,
n1 para el núcleo y n2 para el revestimiento.
Estos casos son los denominados de perfil tipo escalón, ya que el cambio de índices de refracción
es abrupto.
Existen otros distintos perfiles, que mejoran la calidad de propagación de los modos en la fibra. En
forma general se dirá, que el perfil del índice de refracción de una fibra óptica, es el valor del índice
de refracción n en función de su radio r.
En la práctica interesan los perfiles exponenciales, es decir aquellos perfiles de índices de refracción, que presentan una variación exponencial del radio.
Los perfiles exponenciales, responden a la expresión:
n2(r) = n21 [ 1- 2  (r /a)g ]
para el núcleo (r < a)
n2(r) = n22 = cte
para el revestimiento (r  a)
donde:
n1
r
a
g
n2

índice de refracción en el eje del núcleo (r = o)
distancia del eje de la fibra, m
radios del núcleo, m
exponente del perfil
índice de refracción del revestimiento
diferencia normalizada de índices de refracción = AN2 / 2 n21 = (n21 - n22) / 2 n21
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
16
Casos particulares del valor de g son (Fig. 12):
g = 1 : perfil triangular
g = 2 : perfil gradual parabólico
g =  : perfil escalonado
n(r)
n1 (max).
n1 (núcleo)
transición n 1 / n 2
n2 (revestimiento)
-r
a
0
a
r
Fig. 12 - Perfiles de índices de refracción de fibras
El índice de refracción es constante en el núcleo para el perfil escalonado, mientras que en el resto
de los perfiles se incrementa en forma gradual. El perfil gradual de tipo parabólico es el más utilizado, por presentar muy buenas características técnicas para la conducción de la luz.
Otra relación importante utilizada, es el parámetro estructural V:
V=
2a
AN
[4]

A. 7. 1. 5. 1. Cantidad de Modos
Llamamos ondas fundamentales o modos, a las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse por el núcleo de una fibra óptica. También vimos, que existen dos grandes grupos de fibras
ópticas, las que propagan múltiples modos y las que admiten un solo modo.
Seguidamente efectuamos un integral análisis de ambos grupos, sus parámetros y propiedades.
Se toma en forma aproximada, la cantidad N de modos conducidos en el núcleo para un perfil exponencial g como:
V2 g
N 
2 (g + 2)
Para un índice escalonado se toma: N  V2 / 2
Mientras que en un perfil gradual es: N  V2 / 4
Sea una fibra óptica de perfil gradual, con:
2a = 50 m
AN = 0.2
 = 1 m
El parámetro estructural V es:
V = 2 (a / ) AN = (2 50 / 2) 0.2  31.4
y la cantidad de modos es:
N  V2 / 4 = 31.42 / 4  247
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
17
A este tipo de fibra óptica, que disponen de varios modos, se las denominan fibra multimodo.
De la fórmula, vemos que si deseamos disminuir el número de modos se deberá reducir el diámetro
de núcleo 2a y /o la amplitud numérica AN, y /o aumentar la longitud de onda.
No es conveniente disminuir la AN, pues de ella depende el mejor acoplamiento del emisor a la fibra
óptica. Disminuir el diámetro de la fibra, dificulta la operación y encarece los componentes de conexionado. Por otra parte, es dificultosa y costosa la fabricación de emisores y receptores para frecuencias muy elevada.
Si en un conductor con perfil escalonado, el parámetro V se reduce hasta un valor inferior a 2.405
se puede obtener una fibra óptica con un solo modo, denominado modo fundamental LP01. El valor
2.405 se determina mediante el análisis de las Ecuaciones de Bessel.
A este tipo de fibra óptica, que dispone de un solo modo, se le denomina fibra monomodo. A pesar
de disponer estas fibras de un solo modo, existen en ella dos modos de polarización con ondas fundamentales que oscilan en dirección perpendicular entre sí.
A. 7. 1. 6. Factores de dispersión
Se entiende por dispersión al fenómeno por el cual, al inyectarse un determinado número de fotones
(partículas asociadas a la energía electromagnética), en un extremo de una fibra óptica y en definido instante, los mismos se identificarán en el otro extremo en tiempos distintos. Los factores de la
dispersión se pueden clasificar como modal y cromática, la que a su vez está compuesta por efectos del material y de guía de onda.
modal
Dispersión
del material
cromática
de guía de onda
Los factores adversos generadores de dispersión son contrarrestados modificando los perfiles de
los índices de refracción. Al disminuir la dispersión, posibilitamos obtener alcances de la línea mayores. Evitamos con ello en muchos casos, la inclusión de regeneradores de pulsos.
Las definiciones de cada uno de estos factores de dispersión, se exponen al considerar cada caso
que estudiaremos en particular, para la fibra multimodo y para la fibra monomodo.
A. 7. 1. 6. 1. Dispersión en Fibra Multimodo
Las fibra óptica multimodo usuales podrá tener perfil del tipo escalón o de índice gradual.
Perfil Escalón
Sean las dimensiones de una fibra óptica multimodo con perfil escalón de:
Diámetro del núcleo
Diámetro del revestimiento
Índice de refracción del núcleo
Índice de refracción del revestimiento
100 m
140 m
1.48
1.46
2a
D
n1
n2
2
2
La apertura numérica es: AN = sen  =  n1 - n2  0.242, luego   14º
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
18
La diferencia normalizada de índices de refracción es:
 = AN2 / 2 n21 = 0.2422 / 2 1.482  0.0134%  1.34 %
El parámetro V, con  = 850 nm es: V =  (2a / ) AN = (  100 / 0.85 ) 0.242  89.4
Luego resulta tener un número de nodos aproximado a N  V2 / 2 = 89.42 / 2  4000
Con estas características, en el extremo inicial, cada uno de los distintos modos es excitado con un
ángulo diferente, luego tendrán trayectorias distintas y distintos tiempos de llegada al otro extremo
(Fig. 13).
índice de refracción del revestimiento n2
índice de refracción del núcleo n1
Fig. 13 - Trayectos de los modos de un rayo de luz en una fibra con perfil escalonado
La relación entre tiempos máximos y mínimos es del orden, de la diferencia normalizada de los índices de refracción (  1%). Luego, sea una fibra, con las características dadas y de 1 Km de longitud, la luz tarda unos 5 s en recorrerla (1 / 2 105). Entonces t  5 s · 1% = 50 ns
La distorsión producida en los distintos modos, por estas diferencias de tiempos, se denomina distorsión modal.
La misma causa el ensanchamiento del pulso luminoso en su trayecto, ello constituye una desventaja en las telecomunicaciones ópticas, pues reduce la velocidad de transmisión o sea la cantidad de
bits por unidad de tiempo y de su ancho de banda.
Perfil Gradual
La dispersión modal en una fibra óptica multimodo se podrá reducir considerablemente, si se provee
un perfil de índice gradual, donde el índice de refracción en el núcleo disminuye en forma parabólica, desde un valor máximo n1 en su eje, hasta un valor mínimo n2 en su límite con el recubrimiento.
Entonces, los rayos luminosos recorren la fibra óptica describiendo trayectorias onduladas helicoidales.
En el perfil de índice gradual, la fibra esta constituida como si tuviera capas concéntricas de distinto
valor del índice de refracción.
En ese caso, si bien los rayos que oscilan lejano al eje deben recorrer un camino más largo que el
que realizan los rayos cercanos al eje, desarrollan una mayor velocidad, proporcional al menor índice de refracción que tiene el material en los puntos más alejados del eje, y así se compensa en el
tiempo el recorrido (Fig. 14).
índice de refracción del
revestimiento n2
Ordenes menores
Órdenes mayores
índice de refracción
del núcleo n1
Fig. 14 - Trayectos de los modos de un rayo de luz en una fibra con perfil gradual
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
19
Como resultado de esta compensación, desaparece las diferencias de tiempo en los recorridos. Se
obtienen para fibra óptica de 1 Km, tiempos de recorrido de 5 s y dispersiones solo algo mayores a
0.1 ns.
Para una fibra óptica con un perfil gradual, en la expresión de perfil exponencial se debe
considerar g = 2.
Fuesen las dimensiones de una fibra multimodo de perfil gradual:
Diámetro del núcleo
2a
50 m
Diámetro del revestimiento
D
125 m
Índice de refracción máximo del núcleo n1
Diferencia de índices de refracción

1.46
0.010
En tal fibra, se produce una exigua diferencia del tiempo de recorrido, algo mayor a 0.1 ns, medido
para una fibra de 1 Km y con un tiempo total de recorrido de 5 s.
Esta diferencia del tiempo de recorrido, se produce por la dispersión del material y también por la
denominada dispersión del perfil. El cálculo de la dispersión del material se verá en fibras monomodo. La dispersión del perfil se origina, en virtud de que los índices de refracción varían en el núcleo y
en el revestimiento de diferentes maneras con la longitud de onda.
En consecuencia varían, tanto la diferencia de índices de refracción, como el exponente del perfil
g, en función de la longitud de onda .
Como en este caso el índice de refracción n1, depende de la distancia r al eje del núcleo, también lo
será el ángulo de aceptación . Este ángulo es de suma importancia para el acoplamiento de la luz
al núcleo. La apertura numérica vale en este caso:
AN = sen  = n1  2   1.46  2 (0.01)  0.206
Luego será:
máx  11.9º
Modos Fugados
Existen otros tipos de modos, los que son en parte guiados y en parte reflejados. Estos modos, son
muy amortiguados y con limitadas posibilidades de propagación, a los que se los denominan modos
fugados.
La dispersión por modos fugados, tiene su origen en que los modos de orden próximo intercambian
energía con los modos colindantes, es decir que cada modo no está solo, sino que convive en un intercambio energético con los modos contiguos.
Los modos de orden superior son atenuados en mayor grado. La variación del índice de refracción
en el núcleo en función de su distancia al eje de la fibra, afecta a la transferencia entre los modos.
Este acoplamiento de los modos de propagación, produce una distribución de equilibrio de energía
modal en su desplazamiento. Desde el punto de vista cuántico, la energía emitida por un fotón de
luz, se dispone en un campo plano de modo transversal a la dirección de propagación. Si este trayecto es rectilíneo, el campo se mantiene en forma plana actuando la fibra como guía de onda.
En trayectos curvos, el campo transversal debería tomar en algunos puntos, velocidades superiores,
para mantener el campo plano. Esto produce un desacople y fuga de energía fuera del núcleo circulando energía por el revestimiento, fenómeno que se denomina de modos fugados.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
20
De la componente transversal resulta en un campo de fuga denominado flujo evanescente asociado
a ese modo, con la consiguiente pérdida de potencia óptica. Cuanto mayores son las longitudes de
onda, tanto más se incrementa la penetración del modo fundamental LP01, desde el núcleo al revestimiento.
Como el revestimiento tiene un índice de refracción menor que el núcleo, resultando mayor la velocidad total del modo fundamental, a esa longitud de onda ,. Dentro del ancho espectral  se
tendrá un promedio ponderado de las velocidades de propagación total, en el núcleo y en el revestimiento.
A. 7. 1. 6. 2. Dispersión en Fibra Monomodo
La dispersión modal la podemos eliminar totalmente dimensionando una fibra monomodo de manera que conduzca a un único modo, el modo fundamenta LP01 (Fig. 15).
índice de refracción del revestimiento n2
índice de refracción del núcleo n1 > n2
Fig. 15 - Trayecto del rayo de luz en una fibra óptica monomodo
Sin embargo, sucede que este único fundamenta LP01, también se ensancha en el tiempo al atravesar a este tipo de fibra, por causa del material constitutivo, denominándose a este efecto dispersión
en el material.
La dispersión del material, se refiere, a la luz que viaja por la fibra no es monocromática, lo que produce el efecto de que cada componente de luz viaje a distintas velocidades, causando en la recepción un ensanchamiento del pulso.
La dispersión del material Mo se calcula derivando al índice de refracción de grupo con respecto a
la longitud de onda:
1
dng ()
C
d
Mo() =
1
d tg()
L
d
[ps / nm Km]
de [3] resulta:
El índice de refracción de grupo presenta un mínimo para el vidrio de cuarzo en  = 1300 nm, luego
su derivada se anula y Mo() toma un valor despreciable. Variando el dopado del vidrio, podemos
modificar Mo() a valores mínimos, tanto en fibras monomodo como en multimodo.
Además, en una fibra óptica monomodo existe la llamada dispersión por guía de ondas, resultante
de la distribución de la luz del modo fundamental LP01 entre el núcleo y el revestimiento.
Esta dispersión por efecto de guía de onda, se debe a la minúscula estructura del núcleo de la fibra
monomodo, con diámetros del orden de 8 m, el cual produce que la energía óptica se propague no
solo por el mismo, sino también por el revestimiento.
Cuanto mayor es la longitud de onda  tanto mayor es la penetración, indicando la dispersión por
efecto de guía de onda como M1(). Debido a este efecto se especifica y emplea para las fibras
monomodo el diámetro del campo modal, núcleo mas parte del revestimiento, valores del orden de
9  1 m. Este diámetro modal es el que define la concentración de potencia transmitida.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
21
La combinación de ambas, dispersión en el material y dispersión por guía de ondas, se le denomina
dispersión cromática. La misma, tiene un valor: Mo() + M1() = M() (Fig. 16)
Dispersión
ps / nm Km
40
dispersión en el material
32
dispersión cromática
16
0
1100
1300
1500
1800 nm
- 16

dispersión en la guía de ondas
- 32
-40
Fig. 16 - Composición de la dispersión cromática
Al modificar el núcleo a monomodo se han obtenido reducidos valores de dispersión, consecuentemente sería conveniente hacer mínima o nula la dispersión cromática, al valor de longitud de onda
de trabajo. Al ser la dispersión cromática combinación de la dispersión del material y de la dispersión guía de onda, además al ser sus efectos opuestos, para el vidrio de cuarzo SiO2, en longitudes
de onda mayores a 1300 nm, podremos anular los mismos de acuerdo a la longitud de onda o sea
de la ventana a utilizar.
Esto se logra modificando los perfiles del núcleo y del revestimiento, resultando como veremos más
adelante, los perfiles múltiples.
Por tratarse primordialmente de las propiedades del material, esta dispersión se produce en general
en todos los tipos de fibras. Sin embargo, la dispersión cromática resulta relativamente pequeña
frente a la dispersión modal, para las longitudes de onda que van desde los 1200 nm a los 1600 nm.
Las fibras ópticas monomodo, logran atenuaciones del orden de 10 veces menor, a las fibras ópticas multimodo.
Si la dispersión fuese nula, el ancho de banda sería infinito. Ello no ocurre, pues aunque se anule la
dispersión modal subsiste la dispersión cromática o intramodal. La acepción cromática indica irisación de la luz, o sea descomposición en los distintos tonos de colores del arco iris.
El tiempo de retardo como consecuencia de las atenuaciones debidas a las distintas causas de dispersión, es función directa del apartamiento de la longitud de onda para la cual fue diseñada esa fibra óptica. Si la fibra se ha diseñado para 1300 nm, en esa longitud será mínimo el tiempo de retardo.
El ensanchamiento del pulso debido al fenómeno de la dispersión cromática en la fibra, se expresa
como:
 = L Dc 
Donde:

L
Dc

ensanchamiento del pulso óptico por dispersión
longitud total del cable
dispersión cromática
ancho espectral de la fuente del pulso
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
22
La dispersión cromática es un parámetro característico de cada fibra, depende de la longitud de onda de trabajo y la del cable Dc =  /  L , de donde resultan sus unidades expresadas como: [ ps / (nm Km) ]
Diámetro del Campo de Modos
En una fibra óptica monomodo no se define el diámetro del núcleo 2a, sino en cambio, el diámetro
del campo modal 2 w0. La distribución luminosa del campo principal o densidad de potencia lumínica, es de suma importancia para evaluar las pérdidas resultantes de acoplamientos, curvaturas y
empalmes de la fibra. Para describir esta distribución se ha definido el concepto de amplitud del
campo de modos y el radio del campo de modos w0.
Se designa con w0 al radio para el cual la amplitud radial del campo, tenga un valor igual a:
1/e = 1 / 2.71828 de su máximo en el eje, aproximadamente 37% del mismo (Fig. 17):
Amplitud del campo de
modos normalizada
1
V = 1.5 2 3
1/e
0
1
núcleo
2
3 radio normalizado = r /a
revestimiento
Fig. 17 - Amplitud del campo de modos normalizada, en función del radio normalizado
El radio del campo w0 es una función directa de la longitud de onda. Si el radio del campo w0, está
referido al radio del núcleo a, es únicamente función del parámetro estructural V, el que depende a
su vez de la longitud de onda  y de la apertura numérica AN (Ver [4] ).
A fin de obtener una fibra óptica con perfil escalonado, de baja atenuación y por la cual las longitudes de onda se propaguen únicamente en modo fundamental, es necesario reducir el diámetro del
campo 2 w0 hasta algo menos de 10 m. Una fibra óptica con estas características es una real fibra
óptica monomodo.
Para ese caso debe cumplirse que el parámetro estructural valga:
V = 2.405 (1+2 /g )1/2
El valor de g a partir del cual la fibra óptica se comporta como monomodo, se denomina longitud de
onda de corte c, ( cutoff). La ITU-T define a c, como aquella donde la relación entre la potencia
total y la potencia del modo fundamental es igual a 0.1 dB. Las fibra óptica monomodo se calculan
para una longitud de onda c, es decir para la cual el modo de segundo orden deja de propagarse.
Para este caso, en un perfil de índice abrupto (escalón), g tenderá a , resultando V = 2.405.
Para una fibra óptica monomodo, en el rango de V entre 1.6 y 2.6, se puede utilizar la relación:
2.6
w0 
a
V
[5]
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
23
El rango de V indicado corresponde al rango de longitudes de onda, entre 1150 nm y 1875 nm, el
que comprende a las usualmente empleadas de 1300 nm y 1550 nm. De esta relación se obtiene
que las fibras monomodo tengan diámetros cercanos a 9 m.
Perfil Múltiple
Vimos que en una fibra óptica monomodo, existen aún dos tipos de dispersión, la dispersión
en el material y la dispersión por guía de ondas, además que la combinación de ambas se
la denomina dispersión cromática.Variando la concentración de impurezas en el vidrio de
cuarzo, se puede modificar la dispersión en el material a valores insignificantes.
En cambio, la dispersión por guía de ondas se puede modificar variando la estructura del
perfil de índice de refracción. En un perfil escalonado estándar, se anula la sumatoria de ambas
dispersiones en las cercanías de  en 1300 nm. Para desplazar esta anulación de las dispersiones
a otras longitudes de onda, es necesario modificar la dispersión por guía de onda.
Por lo tanto, se debe de actuar sobre la estructura del perfil del núcleo y del revestimiento de la fibra
óptica. Se llega así a estructuras de perfiles de índice de refracción múltiple, también llamados perfiles segmentados.
En estas fibras, se podrá obtener perfiles de fibras con dispersión nula desplazada más allá de los
1550 nm, son las fibras ópticas denominadas de dispersión desplazada. También se obtienen fibras
que aprestan valores mínimos de dispersión entre 1300 y 1550 nm, son las fibras denominadas de
dispersión aplanada o dispersión compensada (Fig. 18).
Dispersión
cromática
(ps / nm Km)
8
6
perfil escalonado estándar
dispersión desplazada
o de Shifter
4
2
0
-2
1300
1400
1500
1600
1700 nm

-4
-6
-8
dispersión aplanada
o flattened
Fig. 18 – Diferentes dispersiones cromáticas según longitud de onda
Perfiles múltiples, de las fibras monomodo más comunes, son del tipo mostrados en la Fig. 19:
Sin desplazamiento de la dispersión
Fig. 19(a)
Fig. 19(b)
19(a) perfil escalonado simple (simple step index ó matched cladding)
19(b) perfil escalonado con índice de refracción rebajado en el revestimiento (depressed cladding)
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
24
Con desplazamiento de la dispersión (dispersión corrida) o de Shifter
Fig. 19(c)
Fig. 19(d)
Fig. 19(e)
19(c) perfil segmentado con núcleo triangular (segmented core)
19(d) perfil triangular (triangular profile)
19(e) perfil segmentado con doble escalón del índice de refracción en el revestimiento (double clad)
Con dispersión plana o flattened
Fig. 19(f)
Fig. 19(g)
19(f) perfil segmentado con cuatro escalones en el revestimiento (quadruple clad)
19(g) perfil W (double clad)
Distintas clases de perfiles del tipo segmentado, del tipo de dispersión desplazada o de Shifter, con
núcleo triangular, similar al de la figura 19(c), se emplean en Telefónica de Argentina, para longitudes de
onda de 1550 nm. Para estos perfiles, Telefónica de Argentina, establecen ciertos requisitos de control:
 Longitud de onda de dispersión cero (0) entre 1525 y 1575 nm.
 Valor de máxima dispersión cromática de 3.5 ps / (nm Km) en el rango de 1550 n  25 nm.
 Máxima pendiente de la dispersión cromática 0.085 ps / (nm Km) para la longitud de onda de
dispersión cero 0.
De tal forma se obtiene una fibra de alto rendimiento al trabajar en tercera ventana para transmisión
en redes interurbanas. Pudiéndose laborar no obstante, en segunda ventana, para redes urbanas.
En lo que respecta a la respuesta de frecuencia en banda base, se puede advertir que la dispersión
de modos y la dispersión cromática, producen cuestiones a recalcar:
Dispersión de modos:

Para las fibras más largas, mayor será la distorsión.

Para mayor apertura numérica, es mayor la cantidad de modos afectados.

Son originados por defectos de la interfaz núcleo-revestimiento.

Son debidos a defectos en el interfaz del empalme.
Dispersión cromática

Dispersión del material: la luz no monocromática, ensancha el pulso.

Dispersión de guía de onda,: efecto mayor en fibra óptica monomodo.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
25
A. 7. 2. Fabricación de las fibras ópticas
Las fibras de sílice /sílice dopado están constituidas por silicio en un 80 al 90% y por lo menos con
un 10% de un óxido de dopaje. La incorporación del dopaje en variables concentraciones, permite el
control del índice de refracción. Los dopantes comúnmente utilizados son óxido de germanio GeO2,
de fósforo (P2O5), de boro G2O3) o de flúor (SiF4).
Para obtener materiales de tan elevada pureza, se establece una reacción de compuestos en estado gaseoso, obteniendo un elemento madre llamado preforma. La preforma consiste en un cilindro
que tiene un diámetro que oscila desde pocos milímetros hasta unos 20 mm y una longitud desde
un metro a metro y medio.
Se han empleado varios sistemas de fabricación, pero básicamente se recurrió a dos metodologías,
de crisol y de preforma. Para grandes producciones y uso en telecomunicaciones se emplea solo el
método de preforma. Para medicina, aeronáutica, redes de edificios o computadoras de corto alcance, se suele utilizar el primer método.
Para la fabricación de la preforma se emplean variados procedimientos:
-
OVD, Outside Vapor Deposition (Corning Glass Works),
VAD, Vapor Phase Axial Deposition (NTT de Japón).
MCVD, Modified Chemical Vapor Deposition (Laboratorios Bell de USA),
PCVD, Plasma Chemical Vapor Deposition (Philips),
A. 7. 2. 1. OVD (Outside Vapor Deposition)
Este método se efectúan en dos etapas, creación de la preforma y estirado de la preforma.
En el denominado OVD (Outside Vapor Deposition), se efectúa la deposición sobre la superficie externa de una varilla en rotación. Parte de una varilla de cerámica o grafito de un metro de longitud,
la que recibe el nombre de sustrato y sobre la cual se depositan las sustancias dopantes, por ejemplo: metales halogenados de silicio SiCl4, de germanio GeCl4, de boro BCl3, y de fósforo PCl3, etc.
Se le suministra oxígeno O2 al quemador por lo cual estos compuestos se convierten en óxido, de
SiCl4 se obtiene SiO2, de GeCl4 se forma GeO2. y de POCl el P2O3, que van a constituir la fibra óptica.
El quemador permanece fijo, mientras la varilla se traslada en vaivén y rota, por lo que la corriente
de gases de reacción recorre la misma. Estos gases van depositando elementos dopantes sobre la
superficie de la varilla, formando una capa uniforme a lo largo de ella (Fig. 20).
Fig. 20 – Depósito de dopantes del método OVD - Corning Glass Works
Variando la cantidad de sustancia dopante a la sustancia básica SiO2, se obtiene los distintos perfiles deseados, monomodo o multimodo. Una vez realizada la deposición de extrae la varilla de grafito, quedando un tubo hueco que es la preforma.
Seguidamente, se incrementa la temperatura de la llama y somete la varilla a una temperatura de
entre 1400 ºC á 1600 ºC, lo que hace que el tubo se contraiga "colapsado" y se transforme en una
varilla de vidrio maciza.
26
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
Mientras se realiza esta operación, se inyectan alrededor de la varilla, gases secos, consistentes en
oxigeno, helio y cloro. El helio penetra en el material, originalmente poroso, extrayendo los gases
extraños, al mismo tiempo que el cloro remueve los vapores de agua.
Posteriormente, esta varilla es llevada a una torre de estirado. El proceso de sinterización, estirado,
se realiza en un horno de grafito a una temperatura de 2000 ºC. En una longitud de cuatro metros
se controla la fuerza de tracción vertical según el valor del diámetro normado. Al mismo tiempo que
se estira, se la pasa por un baño de acrilato para protegerla del medio ambiente y se la enrolla en
un tambor horizontal (Fig. 21).
Preforma
Horno eléctrico
de grafito
Detección del
diámetro de la fibra
Recubrimiento
primario
Circuito de
realimentación
Detección del
diámetro del
recubrimiento
Cabestrante
Cabestrante
Tensiómetro
Fig. 21 - Proceso en torre de estirado
Luego de este proceso se pasa a la máquina de cableado para la formación de los mismos.
A. 7. 2. 2. VAD (Vapor Phase Axial Deposition)
En el método, deposición axial en fase de vapor VAD (Vapor Phase Axial Deposition), se efectúa la
deposición de finas partículas de vidrio sintetizadas en la fase de vapor.
Se parte de una varilla de grafito, uno de cuyos extremos se coloca dentro de un horno donde mediante un grupo de quemadores se va logrando la deposición del material sobre la varilla.
Se hace crecer así, una preforma en sentido axial. Al ser el crecimiento en el sentido de su eje, el
método resulta ser continuo, para lo cual se desplaza la preforma manteniendo constante la distancia entre el quemador y la preforma.
El proceso de colapsado y estiramiento es similar al método anterior OVD (Fig. 22).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
27
Varilla de alineación
Preforma transparente
Calentador de anillo
Preforma porosa
Partículas vítreas
Soplete
oxihidrógeno
Materias primas
SiCl4 + BBr3
Materias primas
SiCl4 + GeCl4 + PCl3
Fig. 22 - Método VAD - NTT de Japón
A. 7. 2. 3. MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition)
El procedimiento, deposición de vapor químico modificado MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), consiste en la deposición de vidrio por sustancias dopantes sobre la superficie interior de un
tubo de silicio de 3 cm. de diámetro y un metro de longitud, el tiene un movimiento de rotación.
Para producir esta deposición, se le suministra al tubo una temperatura de 1600 ºC, por medio de
un quemador de gas que se desplaza en forma longitudinal. Simultáneamente, por uno de los extremos ingresa una corriente de gases de reacción impulsado por una bomba de de vacío.
Los elementos de reacción son gases de fósforo, tetracloruro de silicio y tetracloruro de germanio,
los que se depositan en forma uniforme sobre la cara interna del tubo.
Una vez depositadas las capas para el perfil elegido, se aumenta la temperatura de la llama, hasta
lograr que el tubo se colapse. La varilla resultante integra el tubo primitivo empleado para efectuar el
revestimiento (Fig. 23).
Vaporizador
de gases
Tubo de silicio en rotación
Vidrio sintético
Escape
Llama oxigeno
hidrógeno
Movimiento de la llama
Fig. 23 - Método MCVD - Laboratorios Bell, de USA
El proceso de estirado es similar al empleado en el método OVD.
28
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
A. 7. 2. 4. PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition)
El procedimiento, deposición de vapor químico activado por plasma PCVD, (Plasma Chemical Vapor Deposition) es similar al anterior, como deposición sobre la superficie interior de un tubo de vidrio de cuarzo en rotación.
El tubo se calienta a 1300 ºC y se introduce en una cavidad resonante de microondas. La energía
es suministrada desde adentro con una llama de plasma. El estirado es similar al empleado para el
procedimiento OVD. Este método presenta la ventaja de ser más rápido respecto al MCVD, visto
con figura 22.
Se logran atenuaciones menores a 0.2 dB /Km en 1550 nm y ancho de banda superiores a los 2
GHz Km en 1300 nm, con baja dispersión menor a 3.5 ps/(nm Km) entre 1290 nm y 1330 nm
A. 7. 3. Tipos y conformación de los cables ópticos
Un cable de fibra óptica podrá estar conformado tanto por un solo par de fibras o por un número
considerable de ellas. Se han creado cables de hasta 4000 fibras ópticas para uso medicinal. En redes de telecomunicaciones se han instalado cables de hasta 2000 fibras ópticas. Para ello se utilizan distintas configuraciones de cables.
Las fibras ópticas por sus características de atenuación o rotura por flexión, torsión o alargamiento,
se deben proteger debidamente ante las solicitaciones de tracción, doblado o compresión. También
se debe preservar al contacto con gases o líquidos que contaminen y degeneren, a largo plazo, el
material de la fibra.
Se proveen cables para instalación aérea, subterránea, interiores de edificios, de enterrado directo y
submarina. Su conformación podrá, según las exigencias del proyecto, poseer varias capas de distintos materiales, con diferentes funciones.
Un gran grupo lo representan los cables dieléctricos, para instalar, ya sean enterrados, aéreos o
engrampados, en proximidades de instalaciones de energía eléctrica, incluso montados en redes de
alta tensión.
Estos están constituidos totalmente por elementos no metálicos, en donde al no disponer de elementos conductores de electricidad, no permitirá la inducción de potenciales eléctricos y la creación
de diferencias de potencial que provoquen arcos eléctricos internos, pudiendo dañar su constitución
física o destruir al cable.
Tanto los elementos de tracción, capas y tubos aislantes, compuestos de relleno, cubiertas y blindajes serán del tipo dieléctrico.
Otro grupo podrá estar constituido, tanto por elementos metálicos como dieléctricos. Sus propiedades mecánicas son similares a la de los cables dieléctricos, pero su costo resultará ser menor.
Enumeramos algunos de los elementos utilizados, comenzando desde su eje interior:
 Miembro central para la tracción y protección al doblado del cable.
 Vainas de protección para alojamiento de las fibras ópticas, tubos de relleno, separadores de
plástico, cintas de envoltura de Mylar, hilos de rasgado, etc.
 Compuestos de relleno hidrófugo de petrolato.
 Cubierta de polietileno interior de baja densidad y exterior de alta densidad, o policloruro de vinilo
PVC si se trata de cables para interior de edificios.
 Armaduras y blindajes de láminas de acero corrugado o hilos de acero.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
29
A. 7. 3. 1. Miembros centrales para la tracción
El cable dispone de un elemento central que actúa mecánicamente a los fines de evitar dobleces y
absorber los esfuerzos de tracción en su instalación. El tendido en conductos debido al rozamiento
sobre los mismos, crea fuerzas en la tracción que se incrementa linealmente con la longitud y exponencialmente en las curvas.
Se emplean para ello, cables de acero, nylon, acero y nylon, hilos de fibra de aramida, hilado sintético (Kevlar), etc. La fibra de aramida tiene una relación entre el peso y la resistencia mecánica tres
veces superior al de hilos de acero. Estos elementos, podrán estar recubiertos de una capa de polietileno PE, polivinilo de cloruro PVC, etc, según su aplicación.
A. 7. 3. 2. Fibras ópticas
Como ya se analizó anteriormente, las fibras están constituidas en sí por un núcleo (core) y un revestimiento (cladding), de SiO2 más elementos dopantes.
Los dopantes son, dióxido de germanio GeO2 ó pentóxido de fósforo P2O5 para obtener un índice de
refracción alto para el núcleo, u óxidos como el trióxido de boro B2O3, para obtener un índice de refracción bajo para el revestimiento. Una protección como recubrimiento (coating), está constituido
por una capa externa de silicona o de acrilato.
Ejemplos del índice de refracción son:
núcleo
1.48
revestimiento 1.46
recubrimiento 1,52
ANCHO DE BANDA EN FIBRAS MULTIMODO
Fibra
Ancho de Banda
(MHz-Km)
50/125 (core/clad)
1500 – 1800
62.5/125
600 – 1000
85/125
800l
100/140
500
Un apartado especial lo constituyen las fibras ópticas de plástico transparente. Disponen de valores
típicos de atenuación de 100 dB /Km a una longitud de onda de 600 nm. Utiliza conectores con 15
dB /Km. Se han logrado valores de atenuación de 15 á 20 dB /Km y productos ancho de banda longitud de onda de 100 MHz Km. Se fabrican sobre la base de polietileno o metacrilato de polimetilo. Sus dimensiones son de 1000 /1200 m.
A. 7. 3. 3. Recubrimientos de protección
El recubrimiento primario dispuesto sobre la fibra óptica, como protección a manipuleos operativos,
consiste en una delgada capa de goma siliconada o acrilato. Generalmente esta capa toma diámetros de 250 m, para monofibras monomodo podrá llegar a los 500 m.
Este recubrimiento no es suficiente protección a la fibra, contra los esfuerzos transversales y a la
absorción de las tensiones de tracción. Por ello se la proveen recubrimientos dobles, como primarios y secundarios.
Se podrá diferenciar los cables por emplear vainas de protección de la fibra del tipo, suelta, huecas,
rellenas o sólidas.
La protección denominada suelta (loose), consiste en tubos huecos de 2 mm de diámetro, donde las
fibras se mueven libres. De esta forma son independientes de las fuerzas o solicitaciones en su instalación.
30
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
Las vainas están constituidas por dos capas, una interior de bajo coeficiente de rozamiento a la fibra
y otra exterior, a los fines de protección mecánica, de alto módulo elástico, por ejemplo, nylon, poliéster o poliamida.
El recubrimiento holgado puede albergar una (monofibra) o varias (multifibra), variando el diámetro
exterior en cada caso (Fig. 24).
MONOFIBRA
Fibra óptica con recubrimiento primario (acrilato)
Tubo como recubrimiento secundario (polietileno)
MULTIFIBRA
Fig. 24 - Protección suelta (loose)
La protección usando vainas rellenas con gel, permite al material de la fibra mayor preservación al
contacto con gases o líquidos. El agua que pudiese penetrar por alguna fisura de la cubierta, si se
congelase debido a su aumento de volumen podrá crear microcurvaturas e incluso la rotura de la fibra. Asimismo, la permanencia de aguas impuras deteriora en periodos largos al material protector
e incluso a la misma fibra óptica.
Se utilizan vainas o tubos plásticos de 0.90 mm., los que se rellena de un material de bajo módulo
elástico. El material de los tubos podrán ser del tipo, polietileno (PE), policloruro de vinilo (PVC) o
plásticos fluorados (FEC).
La protección mediante capas sólidas, tiene la ventaja de reducir el diámetro de cable, pero se debe
cuidar que las tracciones no se transmitan a las fibras. Esta protección, denominada sistema ajustado o adherente (tight) consistente en la aplicación de varias capas superpuestas, de materiales de
distintos módulos elásticos. Sobre el revestimiento, la primera capa interna como recubrimiento primario, es de material con bajo módulo elástico como ser resina acrílica y sirven a los fines de amortiguador (muffle) a las tensiones transversales.
Las capas externas de recubrimiento secundario, son de material con alto módulo elástico como ser
goma siliconada y nylon, que sirven a los fines de absorber las tensiones transversales y axiales de
tracción. El recubrimiento secundario ajustado tiene un diámetro exterior de 0.9 ± 0.2 mm. El cable
de fibra se completa con una capa de fibras de aramida para absorber las tensiones de tracción y
una cubierta de material ignifugo (Fig. 25).
Fibra óptica, núcleo y revestimiento
Recubrimiento primario (acrílato)
Recubrimiento secundario (goma siliconada)
Recubrimiento secundario (nylon)
Fig. 25 - Protección en sistema adherente (tight)
Se emplean otras conformaciones de cables, como de cintas o de grupos. En las protecciones secundarias por grupos, se podrán alojar 1, 2, 8 ó 16 fibras.
La cantidad de fibras en un cable de fibra suelta, esta dado por la cantidad de tubos protectores en
el cable y la cantidad de fibras por tubo. Un cable podrá llevar, por ejemplo 2, 4, 6, 8, hasta 16 tubos, luego se tendrá cables con 2, 4, 8, 16, 24, 48, 64, 96 y 128 fibras (Norma Europea), o múltiplos
de 6, obteniendo capacidades de 2, 6, 12, 48, 72, y 144 fibras (Norma de USA).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
31
A. 7. 3. 4. Configuraciones del armado de los cables
El armado de los cables de fibra, puede tomar distintas estructuras de cableado (Fig. 26):
Cables en una capa.
Cables de dos capas.
Cables por grupos.
Cable de cintas, se constituye en varias cintas de fibra óptica superpuestas. Dispone el elemento de
tracción ubicado en la periferia del cable.
Elemento de tracción
Vaina protectora
Gel de relleno
Fibra Óptica
Hilos de aramida
Cubierta externa
De una capa
Por grupos
De dos capas
De cintas
Fig. 26 - Cableados por capas, grupos o cintas
También se disponen de cables formados en una capa sobre soporte ranurado (slotted core cable),
en estos las fibras ópticas se alojan en ranuras practicadas en forma helicoidal sobre un elemento
central portante, el que a su vez constituye el elemento resistente a la tracción mecánica (Fig. 27).
Ranurado
Fig. 27 - Estructuras de soporte ranurado
32
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
Otros cables son los diseñados para su instalación conjunto con líneas de transporte de energía
eléctrica:
Cable de energía con conductores de fibra óptica, las fibras se ubican en los intersticios entre cada
una de las fases de los conductores metálicos.
Cables dieléctricos, son los compuestos integralmente con materiales no metálicos, por lo que se
podrán instalar, enterrados bajo líneas de alta tensión o montados directamente en las mismas torres de soporte aéreo. Muchas veces se suspenden debajo del hilo de guarda (de tierra) en las torres de las líneas de alta tensión. En algunos casos, incluso como núcleo central de la armadura de
cables de acero de estos cables de guarda. El método empleando estas líneas es de suma utilidad
para países con una abrupta orografía, donde enterrar los cables para las redes de interurbanas es
impracticable por ser su instalación sumamente costosa.
A. 7. 3. 5. Compuestos de relleno
El trenzado de las vainas protectoras sobre el elemento de tracción, confiere espacios libres entre
ellas que permite absorber las solicitaciones de los esfuerzos mecánicos aplicados sobre el cable.
Para asegurar la hermeticidad del cable, estos intersticios libres se rellenan bajo presión, con un
compuesto inicuo, hidrófugo de petrolato o polibutano.
Los espacios libres dentro y /o fuera de la protección secundaria podrán ser rellenados con fibras de
Keylar o aramida, permitiendo absorber los esfuerzos longitudinales y transversales. También se
usan elementos plásticos ciegos, que ocupan espacios de vainas sin fibras, al solo efecto de mantener la conformación geométrica normal del cable.
Recientemente, se han introducido el cable libre de gel. En el mismo se ha incorporado un material
expandible ante la presencia de agua, con la ventaja de evitar la circulación libre de agua por su interior. Estos cables se proveen compuestos de tubos sueltos conteniendo los pelos de fibra, sin usar
gel que constituye un malestar al operar en los empalmes. Además el gel, significa un mayor costo
debido al tiempo que se insumía en la limpieza retirando el gel y en su restitución una vez obrado el
empalme.
A. 7. 3. 6. Trenzados
La formación de los cables, se realiza mediante el trenzado de las vainas, enrollándolas helicoidalmente y en distintas capas, sobre el elemento de tracción. Existe dos sentidos de trenzado, de paso
constante S o Z, y el trenzado S-Z. En el trenzado en hélice de paso constante, se mantiene el sentido de arrollamiento y con ángulo constante respecto al eje longitudinal.
En el trenzado S-Z se cambia el sentido de trenzado luego de una determinada cantidad de vueltas,
describiendo primero la forma S y luego la forma Z (Fig. 28).
sentido Z
sentido S
sentido S-Z
Fig. 28 - Distintos sentidos de trenzado
El arrollamiento en hélice, similar al comúnmente empleado en los cables multipares, no permite
efectuar sangrías sin tener que intervenir en cada fibra. Por esta razón se ha ideado el arrollamiento
tipo S - Z, que permite desenrollar fácilmente una fibra para efectuar una derivación o rehacer empalmes en medio de un ramal existente, sin necesidad de intervenir las fibras.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
33
A. 7. 3. 7. Cubiertas
Según el tipo de red llevará distintos tipos de cubiertas, tipo PAL, consistente en una cinta longitudinal de aluminio fundida a una cubierta de polietileno, de PVC que no propaguen la llama, para cables internos de edificios, etc.
En cables aéreos expuestos a los rayos ultravioletas que descomponen el material de polietileno, se
emplean aditivos de carbón negro (2.5%). Se emplea poliamida contra termitas u hormigas.
En cables monofibra, la fibra óptica lleva un recubrimiento primario, un recubrimiento secundario de
0.9 mm, una capa de fibras de aramida y por último una cubierta de material ignífugo coloreado (rojo o amarillo), totalizando un diámetro externo de 3 mm.
A. 7. 3. 8. Armaduras y blindajes
Los cables submarinos o de enterrado directo para zonas con roedores, se proveen con armaduras
o blindajes externos de protección. Son realizados con capas de polietileno, envolturas de flejes de
acero, o mallas tejidas de hilos de acero e hilos internos de aramida (Kevlar).
También se emplean flejes longitudinales corrugados o capas de láminas de acero corrugadas para
posibilitar su flexibilidad, recubiertas con capas de polietileno.
A. 7. 3. 9. Códigos de colores
Las fibras ópticas se numeran empleando un código de colores combinado, de la protección primaria (de la fibra) y de la protección secundaria (tubo protector). Con esta combinación de colores se
permite individualizar cada fibra dentro de un cable.
Asimismo, se sigue el procedimiento de ordenamiento de las fibras a lo largo de una ruta de cables
ópticos, utilizando estos códigos de colores como guía para efectuar las derivaciones y los empalmes.
Las normas europeas indican tanto para la fibra como para el tubo:
1
2
3
4
verde (VE)
rojo (RO)
azul (AZ)
amarillo (AM)
5
6
7
8
gris (GR)
violeta (VI)
marrón (MA)
anaranjado (AN)
Por ejemplo, sea un cable con 2 fibras por tubo, 4 tubos activos y 2 de relleno, se repite en pares los
colores de los tubos:
COLOR DELTUBO
VE
COLOR DE LA
FIBRA
VE
VE
RO
2
RO
AZ
3
RO
AM
4
AZ
GR
5
AZ
VI
6
AM
MA
7
AM
AN
8
FIBRA Nº
1
En forma similar repitiendo colores de a cuatro, ocho, o más, se podrán numerar el total de las fibras
de los cables hasta 144 fibra óptica o mayores.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
34
A. 7. 3. 10. Nomenclatura para la designación de los cables
Las características deL cable y de las fibras se designan por:
A – D F (ZN) 2Y .x2 E 10/125 . F ---- LG
trenzado en capas
dispersión (ps / nm x Km)
longitud de onda (nm)
diámetros de fibra óptica (µm) / revestimiento (µm)
fibra monomodo
cantidad vainas / cantidad de fibra por vaina
tipo de cubierta y elementos de tracción no metálicos
tipo de relleno
tipo de cable, interior, exterior, etc.
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS NORMA EUROPEA
Nº fibras
Nº tubos
Ǿ tubo
Ǿ elemento
Ǿ cable
Ǿ cubierta
Peso
8
4+2 res.
(mm)
2.0
tracción
2.6
(mm)
9.2
(mm)
13.7
(Kg/Km)
153
16
4+2 res.
2.5
2.6
9.2
13.7
153
24
6
2.5
2.6
9.2
13.7
153
32
4+2 res.
2.8
2.9
10.1
14.6
185
48
6
2.8
2.9
10.1
14.6
185
64
8
2.8
2.9
11.8
15.3
220
A. 7. 4. Manipulación de los cables ópticos
El vidrio es químicamente, un líquido de silicio de alta viscosidad a temperatura ambiente. Por ello
los iones del agua, en forma de hidróxidos, reaccionan químicamente con el vidrio y producen su
corrosión. Este efecto se acentúa con su contacto en el transcurso del tiempo.
Debido a esta particularidad, la superficie del revestimiento, la protección del recubrimiento primario
y secundario, los intersticios del cable y las cubiertas deberán estar diseñados para permitir una alta
protección a la introducción y accionar del agua.
Para ello, se pueden rellenar estos, con un compuesto de gel blando, hidrófugo basado en aceites
de baja viscosidad, con gel de sílice de dispersión uniforme y completa.
El recubrimiento sobre la fibra óptica, podrá ser de una sola capa o del tipo multicapa ajustado, ambas sobre la base de siliconas o acrilatos. Su finalidad será de protección al agua y al manipuleo de
las operaciones, además minimizar las pérdidas por microcurvaturas.
Se deberá cuidar en la tracción de la fibra, de no producir tensiones internas o defectos en la superficie del revestimiento, que produzca con el envejecimiento fisuras de la fibra. Un empalme de fibra
protegido podrá soportar hasta 0.850 Kg. de tracción causando elongaciones no comprometidas, es
decir no modificando sus valores de atenuación.
El mecanismo de fractura en una fibra óptica se produce en un punto bien definido, justo en el punto
más débil, donde se encuentre la imperfección mayor.
Se entiende por imperfección una rajadura o hendidura submicroscópica.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
35
Tal imperfección crece con el tiempo, debido a distintos factores simultáneos:
 Tensión aplicada.
 Humedad.
 Imperfección.
La humedad afecta tanto a la fibra desnuda como a la fibra con recubrimiento primario, mientras que
un compuesto de relleno podrá evitar el accionar de una eventual imperfección.
Para describir la cinemática del crecimiento de las imperfecciones, diremos que la función matemática que la gobierna es según una ley exponencial.
Se podrá expresar como primera aproximación, que la velocidad de crecimiento de la imperfección
(V), está en relación directa a la profundidad inicial de la imperfección, condiciones de las temperaturas y del ambiente (A), al factor de intensidad de tensión (K), a una constante de corrosión (n):
V = A Kn
La manipulación de la fibra óptica en cajas de empalme, pedestales, terminales de distribución, y
cajas de conexionado, adiciona una alta probabilidad de ser afectada a esfuerzos de corte. Esto se
incrementa con la afectación adicional de altas temperaturas y humedad.
Se ha normado un radio de curvatura mínimo admisible de 10 veces el diámetro externo del cable,
aunque la fibra individual tiene un radio mínimo de flexión de 5 mm.
A. 7. 5. Conversión electro-óptica
Para la transmisión de señales lumínicas a través de un tramo de red de fibra óptica, se requiere un
emisor en un extremo de la misma y un receptor en el otro extremo, que conviertan las señales
eléctricas en ópticas y viceversa. En el extremo emisor, las distintas señales de telecomunicaciones
se multiplexan para poder ser transmitidas por una sola fibra óptica.
Esta señal compuesta para mejorar su transmisión se codifica, luego se convierte de señal eléctrica
a lumínica eléctrica y emite mediante un LED o Láser. En el extremo receptor esta señal óptica mediante un conversor óptico/eléctrico PIN ó APD se lleva a variaciones de señal eléctrica.
Como la señal llega distorsionada se reconstruye electrónicamente a través de un ecualizador y un
regenerador, posteriormente se decodifica y demultiplexa, recuperando las señales eléctricas individuales originales (Fig. 29).
Equipo
Terminal
Multiplexor
Conversor
E/O
Codificador
Ecualizador
Conversor
E/O
Regenerador
Decodificador
Demultiplexor
Equipo
Terminal
Fig. 29 - Sistema de transmisión óptico
Se logran por medio de equipos regeneradores ópticos intermedios, enlaces mayores en distancias,
que permiten los alcances de los emisores y las sensibilidades de los receptores.
Los conversores electro-ópticos están constituidos por semiconductores. Los mismos, se obtiene
sobre la base de combinaciones de elementos químicos, por ej. InGaAsP/InP. Estos semiconductores poseen dos bandas de energía, la de valencia y la de conducción, separadas por una distancia
dada.
36
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
Un semiconductor en el cual la conducción está en su mayor parte a cargo de electrones (portadores de carga negativa), se denomina semiconductor n. Mientras que un semiconductor en el cual la
conducción está en su mayor parte a cargo de huecos o lagunas (portadores de carga positiva), se
denomina semiconductor p. La unión de una capa de semiconductor P y otra N, o sea una juntura
PN, conforma un diodo PN.
Un fotón que incide sobre el semiconductor cede su energía a un electrón en la banda de valencia,
el que pasa a la banda de conducción, de mayor energía, dejando en la banda de valencia un espacio vacío llamado hueco, se ha creado una carga eléctrica. El fotón desaparece, se trata del proceso
de absorción. El proceso de absorción se realiza en un fotorreceptor,.
Los electrones pueden volver espontáneamente a la banda de valencia, si la banda de conducción
está ocupada en exceso de su equilibrio. En este caso el semiconductor puede emitir un fotón, por
cada electrón en exceso. Este proceso de emisión espontánea o luminiscencia se produce en un
diodo emisor de luz LED.
En cambio, se trata de emisión estimulada, cuando fotones existentes en el semiconductor excitan a
los portadores de carga, para obtener una recombinación irradiante de fotones. Es el caso del proceso de emisión estimulada dado en los diodos Láser. La radiación emitida tiene idéntica longitud
de onda y fase, que la radiación excitadora.
Estos tres procesos se podrán desarrollar simultáneamente. Si hacemos predominar alguno de ellos
podremos aprovecharlo técnicamente.
En un sistema óptico, el emisor debe transmitir con un valor de potencia constante y el fotorreceptor
captar la señal con un valor de sensibilidad admisible mínima, para lograr una señal fiable. Los valores de potencia y sensibilidad suelen darse en la unidad dBm y se calcula por la expresión:
(dBm) = 10 log P (mW)
Así un emisor de una potencia de 1 mW tiene un equivalente de 0 dBM, y uno de 1 w un equivalente de -30 dBm. Un emisor LED tiene una potencia típica entre -10 y -25 dBm y un emisor Láser
entre 0 y -13 dBm, mientras que la sensibilidad, o sea la potencia mínima admisible, de un fotorreceptor LED es de -20 á -35 dBm y para un fotorreceptor Láser de -20 á -45 dBm.
A. 7. 6. Emisores Ópticos
El funcionamiento de los emisores óticos se basa en el proceso físico de los semiconductores.
En un semiconductor tipo P, la conductividad se debe esencialmente a los huecos, mientras que en
uno tipo N a los electrones. Si se superponen estos dos tipos de materiales, se obtiene un diodo de
unión P-N, y si a este diodo se le aplica una tensión eléctrica de signo adecuado, se obtiene una corriente de electrones desde la región MN hacia la región P y una corriente de huecos en sentido
opuesto. En tal situación, si un electrón y un hueco se encuentran en la región intermedia, se
podrán recombinar emitiendo un fotón de luz a una frecuencia determinada.
Para irradiar fotones por medio de emisión espontánea o estimulada, es necesario entregar portadores de carga en exceso, al semiconductor de la capa P. Igual proceso se logra, inyectando huecos
en la capa N. La retroalimentación que se logra representa la emisión de luz en diodos del tipo LED
(Light Emitting Diode).
Si se aplica un fuerte campo eléctrico a través de la unión PN, de un diodo Láser, aumentamos la
energía del electrón, se forma un par electrón-hueco. Los fotones resultantes de estas recombinaciones, a su vez pueden ser absorbidos y formar nuevos pares electrón.-hueco, y recombinarse en
choques sucesivos. Cuando la estimulación de emisión por radiación logra un cierto nivel, se produce el efecto de avalancha, produciendo la amplificación de luz Láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
37
En un diodo Láser, una corriente de gran intensidad provoca un gran exceso de portadores de carga
en la banda de conducción, que posibilita la emisión estimulada. Esta avalancha de fotones es
guiada por un resonador óptico conformado por dos espejos planos paralelos semitransparentes.
Los fotones que chocan contra el primer espejo (opaco), son reflejados, mientras que los que chocan contra el segundo espejo (semitransparente) parte pueden pasar y parte ser reflejados. Debido
a la enorme densidad de electrones excitados se producen sucesivos choques. El electrón que recibe un impacto emite dos fotones idénticos, que irradian en la misma dirección y fase.
La luz emitida es reflejada dentro de esta cavidad, repetidas veces en forma errática, cediendo una
emisión de fotones muy superior que la absorción y proyectando un haz de luz muy densa y coherente fuera de la cavidad, la que denominamos rayo Láser.
Este proceso se denomina de retroalimentación positiva. La cavidad resonadora descripta toma el
nombre de Fabry-Perot, al igual que este tipo de Láser emitido. Solamente las longitudes de onda,
que coincidan con la curva de ganancia del material en la cavidad, serán amplificadas. El resultado
es una serie de estrechas longitudes de onda, llamadas modos multilongitudinales.
Se han desarrollado resonadores, que mediante una grilla corrugada ubicada sobre el extremo de la
cavidad resonante, limita la emisión a una sola frecuencia. Esta grilla crea múltiples reflexiones y su
geometría permite que solo una frecuencia pueda oscilar. Una aplicación de este tipo de resonador
se encuentra en el Láser de realimentación distribuida DFB (Distributed Feedbach). Estos, emiten
prácticamente una única longitud de onda, por lo que se los denominan diodos Láser de modo monolongitudinal.
La realimentación se produce por la perturbación periódica geométrica a lo largo de la cavidad resonante. En el emisor DFB las ranuras de la grilla se ubican en la zona activa, mientras que en el
Láser del reflector con ranuras distribuidas de Bragg DBR (Distributed Bragg Reflector), las ranuras
se encuentra fuera de ella.
Las curvas características, de potencia lumínica entregada a corriente aplicada en un diodo, diferencia los comportamientos de LED y diodos Láser L D. Las características de entrada salida de un
LED son totalmente lineal, mientras que en un transmisor Láser no lo es, por ello se requiere una
mayor estabilización del punto de trabajo (Fig. 30).
Potencia
lumínica
Diodo
Láser
Diodo
LED
Umbral
Corriente
en el diodo
Fig. 30 - Curvas características LED y Láser
Los emisores podrán tener disímiles conformaciones de acuerdo a la tecnología y uso empleado. La
emisión de luz se puede realizar, por superficie o por borde, tanto en un LED como en un Láser.
A. 7. 6. 1. Diodo LED
En los sistemas que utilizan diodos LED, la transmisión de un pulso de luz, que equivale a un bit,
genera múltiples rayos de luz pues se trata de luz no coherente, se dice que cada rayo tiene un modo, los múltiples modos producen el efecto de dispersión.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
38
Debido a esto se produce un cierto ancho espectral. En el caso de Láser, los diodos emiten luz coherente, hay un solo rayo y la fibra se comporta como una guía de onda, la onda se propaga sin
dispersión.
El uso de LED de Borde para las LAN que emplean fibras ópticas reduce los costos, pero también
limita la velocidad a unos 400 - 600 Mb/s. Su máxima velocidad es actualmente de 622 Mb/s (OC12), en modo ATM. Por sobre esa velocidad es necesario emplear emisores Láser, que permiten
enviar pulsos más cortos (Fig. 31).
Zona N
Zona activa
Zona P
Radiación
de borde
disipador
Disipador
Fig. 31 - Diodo LED de Borde
En las LAN menores a 2 Km. se usan emisores LED de primera o segunda ventana, mientras que
los emisores Láser y las fibras ópticas monomodo, en tercera ventana se emplean en MAN, hasta
160 Km. Se ahorran de esta forma, regeneradores de pulsos, aunque se empleen emisores de mayor costo.
Los diodos emisores de luz LED, se caracterizan por ser emisores de gran ancho espectral. Por
ello, se los utilizan en trayectos ópticos de unos pocos kilómetros, como ser accesos de abonados
locales o aplicaciones intraoficinas. Su ancho espectral aumenta proporcionalmente con la longitud
de onda y fuertemente a elevadas longitudes de onda (Fig. 32).
Potencia
óptica
40 nm
0
Longitud de onda
Fig. 32 - Ancho de banda espectral de un LED
Un diodo LED de emisión por superficie, también llamado de Burrus, para longitud de onda de 800 á
850 nm, está formado por la estructura cúbica de un cristal semiconductor.
Sobre un sustrato de GaAs con dopado N se hace crecer en forma epitaxial (ley de crecimiento
orientada), una doble hetereoestructura de tres capas de AlGaAs de diferentes espesores y dopados.
En la base una capa aislante de Al2O3 limita el flujo de corriente a un contacto P. La luz infrarroja
emitida hacia arriba se acopla a la fibra óptica (Fig.33).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
39
Fibra de
50 µm
Contacto N
Canal de ataque
GaAlAs 10 µm – N
Zona de
emisión
primaria
GaAlAs 2 µm – P
Fig. 33 - Diodo LED de doble heteroestructura
Los diodos LED para longitud de onda de 1300 á 1550 nm, se emplea un semiconductor cuaternario
InGaAsP sobre substrato de InP.
La conformación de un diodo Láser LD (LASER Diode), podrá ser de una gran variedad y tipos, por
ejemplo el GaAlAs/GaAs para longitud de onda de 800 á 900 nm ó el GalnAsP/InP para longitud de
onda de 1300 á 1600 nm (Fig. 34).
Fig. 34 - Diodo emisor Láser
Según fuese el ancho espectral requerido para el emisor óptico se pueden utilizar tres tipos diferentes de fuentes, diodos LED, Láser de modo multilongitudinal MMUL o láser de modo monolongitudinal MMOL.
A. 7. 6. 2. Diodo Láser Multilongitudinal
Los diodos Láser de modo multilongitudinal MMUL (Mode Multilongitudinal Laser) se caracterizan
por emitir en longitudes de onda discreta y tener un ancho espectral menor que los LED, es decir
emiten un cono de radiación mas estrecho. Por ello, en un trayecto presentan menor dispersión
cromática.
Se los utiliza esencialmente en aplicaciones de tipo urbano, hasta unos 20 Km sin necesidad de regeneración de la señal (Fig. 35).
40
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
Fig. 35 - Espectro óptico de un Láser MMUL
A. 7. 6. 3. Diodo Láser Monolongitudinal
Los diodos Láser de modo monolongitudinal MMOL (Mode Monolongitudinal Laser) son caracterizados por emitir en una única longitud de onda. Presentan un ancho espectral muy pequeño y en consecuencia son prácticamente insensibles a la dispersión cromática en el trayecto. Se los utiliza fundamentalmente en redes de larga distancia (Fig. 36).
Fig. 36 - Espectro óptico de un Láser MMOL
A. 7. 6. 4. Diodos Láser VCSEL
El VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) emplea un método similar al de los discos compactos (CD), razón por la cual es muy económico para su fabricación. Los emisores Láser VCSEL
de primera ventana resultan competitivos frente a los emisores Láser utilizándose por ejemplo en
redes Fast Ethernet, como en la 100Base-FX.
Los diodos Láser VCSEL actúan primariamente hasta el presente en primera ventana, por ello, para
las redes del tipo 1000Base-LX, de segunda ventana, se debe emplear técnicas mucho más costosas como el Láser Fabry-Perot.
Un valor característico de los diodos emisores de luz, es el tiempo de conmutación. Se refiere al
lapso de tiempo de emisión después del cese de la corriente. Su valor determina el tiempo de reacción del diodo. Es del orden de nanosegundos, que corresponde a un ancho de banda en la gama
de 100 MHz.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
41
VALORES CARACTERÍSTICOS DE LOS DIODOS
LED
LÁSER
Longitud de onda
1300 / 1550 nm
1300 / 1550 nm
Ancho espectral
100 nm
3 á 5 nm
Semiconductor
InGaAsP/InP
InGaAsP/InP
Tiempo de conmutación
5 á 20 ns
< 1 ns
Longitud
1 á 5 Km
35 Km
Velocidad de transmisión
50 á 200 Mb/s
1.2 Gb/s
Para uso en redes troncales de fibra óptica para telecomunicaciones de larga distancia, se ha diseñado un diodo Láser a 2.5 Gb/s, que cubre ambas ventanas de transmisión, 1310 nm y 1550 nm y
es apto para sistemas SONET / SDH.
A. 7. 6. 5. Circuito de polarización
Los emisores Láser requieren disponer de una corriente de polarización para el control de
la potencia de salida a fin de mantenerla constante. Para ese cometido un detector APD ó
PIN se coloca en la cara trasera del Láser.
Se compara la señal digital de salida con el promedio a largo plazo y se modifica la corriente de polarización para mantener la potencia de salida constante (Fig. 37).
Fibra óptica
Lente
Diodo Láser
contactos
Lente
Diodo APD
contactos
Fig. 37 - Control de la potencia de salida
A. 7. 7. Fotorreceptores Ópticos
Vimos que en un fotorreceptor, constituido por un semiconductor incide un fotón este es absorbido y
un electrón es excitado para moverse libremente. El espacio vacío que deja al moverse se denomina hueco, que también puede moverse libremente, se ha establecido un potencial eléctrico formado
por un par electrón-hueco.
Como elementos fotorreceptores óptico, se utilizan fotodiodos del tipo PIN o fotodiodos de avalancha APD. En su fabricación se emplean principalmente silicio (apto por debajo de 1000 nm) y germanio (para longitud de ondas mayores). En rangos entre 1300 y 1600 nm se emplean compuestos
de indio, galio, arsénico y potasio, InGaAs ó InGaAsP.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
42
A. 7. 7. 1. Fotodiodo tipo PIN
En semiconductores de juntura con bajo coeficiente de absorción se incrementa la zona de absorción para la radiación intercalando entre el semiconductor n y el p, una capa de semiconductor no
dopado, denominada zona intrínseca i. A esta juntura se la denomina fotodiodo PIN.
El fotorreceptor de juntura tipo PIN polarizado en tensión inversa genera electrones de acuerdo a
los fotones que absorbe. La relación entre los electrones y fotones se denomina rendimiento cuántico. El valor de este rendimiento, la carga de los electrones y la energía de los fotones nos indica la
sensibilidad del fotorreceptor expresado en Amper / Watt.
La luz infrarroja incide sobre el diodo a través de una zona p, esta superficie se recubre con una capa de Si3N4 para evitar pérdidas por reflexión (Fig. 38).
Diagrama de bandas de energía
Juntura PIN
Si3N4
Al
N+
NNNP+
Al
Fig. 38 - Corte esquemático de un diodo PIN
Se puede aumentar la sensibilidad de los fotodiodos PIN agregando un transistor de efecto de campo FET (Field Effect Transistor). Con la combinación PIN-FET se alcanzan sensibilidades muy elevadas. El fotodiodo PIN se usa en 1ª y 2ª ventana
A. 7. 7. 2. Fotodiodo de avalancha APD
Si en una juntura PN los portadores de carga negativa (electrones), son acelerados en un campo
eléctrico de alta diferencia de potencial (3·105 V/cm en la juntura), estos adquieren velocidades tan
altas que por efecto de choques ionizan a otros portadores de carga.
Se forman, otros pares hueco-electrón en proceso de multiplicación por efecto de avalancha. La
sensibilidad global del fotorreceptor por avalancha es superior al fotorreceptor del tipo PIN.
SENSIBILIDAD vs. VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN
VELOCIDAD DE
TRANSMISIÓN
PIN
APD
560 Mb/s
140 Mb/s
34 Mb/s
-37 dBm
-45.5 dBm
-49 dBm
-42 dBm
-49 dBm
-56 dBm
El fotodiodo PIN tiene menor ancho de banda de recepción, menor superficie de detección, menor
ganancia y menor corriente de umbral respecto al de avalancha APD. (Fig. 39).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
43
Contactos
Detector APD
Lente
Fibra óptica
Fig. 39 - Fotorreceptor del tipo APD
El bajo costo de los fotodiodos PIN representa la principal ventaja respecto a los fotodiodos APD.
Las pérdidas de retorno mínimas para los receptores ópticos son fijadas en 60 dB.
A. 7. 8. Parámetros del conexionado óptico
El conexionado óptico se podrá realizar, mediante distintos métodos, empalmes ópticos permanentes: por fusión o por empalme óptico mecánico, o del tipo transitorio con conectores ópticos. Otros
dispositivos de conexionado son los acopladores, divisores, atenuadores, filtros, cajas de conexionado, paneles de distribución, etc.
La unión de los distintos tramos de un enlace, puede introducir pérdidas de inserción en sus empalmes. Estas pérdidas deben ser mantenidas dentro de reducidos límites debido a la extensión de
la línea y evitar el uso de regeneradores de señal. Las pérdidas podrán catalogarse como intrínsecas o extrínsecas. Las intrínsecas dependen de las características de las dos fibras en el punto de
conexión, mientras que las extrínsecas se deben a imperfecciones en la realización del empalme.
A. 7. 8. 1. Pérdidas intrínsecas
Entre las pérdidas intrínsecas más importantes se pueden citar (Fig. 40):
a) Excentricidad núcleo/ revestimiento
Δy
(Δx2 + Δy2)1/2
Ec =
Ǿ núcleo
%
Δx
b) Elipticidad del núcleo
x
2 (x + y)
y
E=
x+y
Fig. 40 - Fotorreceptor del tipo APD
c) Diferencias del diámetro del núcleo, respecto al valor nominal.
d) Diferencias del diámetro del revestimiento, respecto al valor nominal.
%
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
44
e) Reflexión de Flesnel. Las pérdidas por reflexiones Flesnel, se originan en los espacios libres que
separan dos terminaciones, por ser deferente el índice de refracción respecto al del núcleo de la
fibra. Para eliminar estas pérdidas se deben efectuar empalmes permanentes, utilizar materiales
de acoplamiento o proveer una separación entre las terminaciones de fibras del orden de 10-8
cm. Este último procedimiento se denomina unión FC (Fiber Contact).
f) Diferencia entre los valores de los índices de refracción (y por ende de la apertura numérica).
g) Diferencias entre los perfiles de las dos fibras ópticas.
A. 7. 8. 2. Pérdidas extrínsecas
Esta serie de pérdidas se refiere a factores constructivos:
a) Corrimiento transversal (axial) de los núcleos y/o revestimientos (Fig. 41). Otras pérdidas se refieren a la calidad inapropiada de las superficies de acoplamiento de las fibras, entendida la calidad
inapropiada como (Fig. 42):
eje de la fibra
corrimiento
b) Separación entre las terminaciones de las fibras
separación s
c) Desalineación angular o Tilt
desalineación
Fig. 41 - Fotorreceptor del tipo APD
a) No ortogonalidad respecto al eje longitudinal.
b) No planaridad de una o ambas superficies.
c) Superficie no terminada a espejo, con rugosidad superficial o limpieza indebida.
Fig. 42 - Fotorreceptor del tipo APD
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
45
Las pérdidas introducidas en dB, debidas a los diferentes inconvenientes de acoplamiento entre fibras, se corresponden a los diámetros del núcleo de: 60 m, 80 m y 100 m, las que son representadas por curvas según (Fig. 43):
a) corrimiento axial “u”, expresado en m
b) separación “s”, expresado en m
c) desalineación anular “α”, expresado en grados
Pérdidas por corrimiento
axial u (m)
Pérdidas por
separación s (m)
Pérdidas por
desalineación
angular α (en grados)
Fig. 43 – Comparación de pérdidas por acoplamiento entre fibras
Las diferencias de núcleos podrán consistir a su vez en excentricidad del núcleo y revestimiento
respecto al recubrimiento.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
46
Como es de mayor importancia la alineación de los núcleos respecto a la alineación de los diámetros exteriores, actualmente las máquinas de empalmar regulan los corrimientos, separación y el
alineamiento. Luego del proceso de empalme, miden y seleccionan la mayor transferencia de energía, para posteriormente proceder a efectuar el empalme.
De tal forma se evita el proceso de investigación previo.
A. 7. 9. Procesos del conexionado óptico
La red óptica esta conformada por distintos elementos de conexionados y de acoplamiento, cada
uno con su proceso particular de montaje.
A. 7. 9. 1. Empalme óptico por fusión
Los empalmes de las fibras ópticas permanentes del tipo por fusión, se realizan calentando hasta el
punto de fusión los extremos de las fibras, mediante una descarga de arco voltaico y ejecutando
luego una adecuada tracción entre las fibras hasta restablecer sus características primitivas.
La temperatura de fusión depende del material de las fibras. Para fibras ópticas de alto contenido de
sílice se requiere temperaturas de 2000 ºC. Los valores típicos de tensión varían entre 3000 V y
7000 V, con corrientes de descarga entre 10 mA y 20 mA.
Los pasos del procedimiento de empalme son en primer término la preparación de la fibra:
1)
2)
3)
4)
Quitar la protección secundaria, capa de nylon.
Limpiar mediante una gasa y líquido especial a ese fin, la superficie de la fibra.
Marcar el corte de la fibra y doblar por medio de la herramienta conforme.
Insertar el conjunto, tubo de poliolefina, de bajo punto de fusión y tubo termoretráctil.
Los pasos seguidos son del empalme propiamente dicho:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Posesionar los extremos de las fibras.
Efectuar la alineación en los planos horizontal y luego vertical.
Realizar el acercamiento de ambos extremos.
Ejecutar la prefusión.
Ejecutar la fusión y unión.
Proceder al estiramiento de la fusión.
Los pasos siguientes son referidos a la protección del empalme:
1)
2)
3)
4)
Desplazar el conjunto de manguitos plásticos sobre el sector de fusión.
Colocar una varilla de acero inoxidable, como protección mecánico a la flexión.
Contraer el manguito plástico termoretráctil, por calentamiento.
Prueba y verificación del valor de atenuación del empalme.
Las actuales máquinas de empalmar las fibras ópticas, son verdaderas computadoras programadas
que efectúan todos los pasos requeridos sin casi la intervención del operario. La limpieza de los extremos de las fibras a empalmar y su preciso corte, son fundamentales a la obtención de un buen
empalme.
En el proceso automático, solo requiere posesionar los extremos de las fibras en la máquina de empalmar, la que realiza la aproximación y presión axial entre las dos fibras, el centrado horizontal y
vertical satisfactorio, la prefusión, la fusión, el estirado y la medición de la atenuación resultante.
Las sucesivas mediciones se realizan produciendo fugas lumínicas por microcurvatura en la entrada
y salida de la fibra, desde donde se toma los valores de la señal (Fig. 44).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
47
Tubo interior
Tubo exterior
Fibra óptica
Refuerzo mecánico
Aspecto final
Fig. 44 - Empalme de fibra óptica
En los empalmes por fusión se deben obtener una atenuación menor a 0.2 dB. Con las últimas
técnicas de empalme se obtienen atenuaciones menores a 0.1 dB. Cada una de estas operaciones
de empalme se realiza en menos de 5 minutos.
A. 7. 9. 2. Empalme óptico por medio capilar
La técnica de empalme óptico por medio capilar se basa en el empleo de un tubo de vidrio en cuyos
extremos se introducen las extremidades de las fibras que se desean unir. El tubo es de dimensiones capilares apropiadas a las fibras y el cual lleva un orificio transversal en su parte central, por
donde se introduce un material adhesivo transparente, con características de adaptación al índice
de refracción de las fibras.
Las extremidades del capilar están conificadas, a fin de facilitar la introducción de las fibras. Una
vez ejecutada la operación de empalme, se protege al mismo mediante una manguita termoretráctil
de seguridad. Se obtuvieron valores de atenuaciones de 0.25 dB para fibras ópticas multimodo de
índice escalón y de 0.21 dB para fibras de índice gradual.
Otro método similar con está técnica, es utilizar un capilar de pirex cuyo punto de ablandamiento es
más baja que la del cuarzo. Se introduce por uno de sus extremos una fibra con adhesivo y se calienta el conjunto hasta que el tubo colapsa. Por el otro extremo del capilar se introduce la otra fibra
sellándola con material epoxi. Luego se cierra en un tubo metálico de protección. Esta técnica ha
dado pérdidas del orden de 0.2 á 0.3 dB, con fibras de perfil gradual (Fig. 45).
Fibra óptica
Fibra óptica
Capilar colapsado
Fig. 45 - Empalme capilar Pirex
A. 7. 9. 3. Empalme óptico de surco
Distintas técnicas de empalme permanente, se refieren a los procedimientos por surcos en V, que
permiten el alineamiento eficiente de las fibras. Este método, es utilizado en cintas multifibras. Los
empalmes se logran incidiendo las fibras, debidamente preparadas, en hendiduras de prealineación,
las que luego se presionan introduciéndolas en los surcos, una tapa garantiza la estabilidad mecánica. Se utiliza glicerina como adaptador de índice de refracción.
Su utilización, debido a ser un empalme permanente, se reduce a situaciones provisionales de
emergencia en espera de efectuar un empalme definitivo por fusión. Sus pérdidas por inserción son
inferiores a 0.5 dB, pero debido a su poca precisión se emplea solo en fibras multimodo.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
48
Se ha diseñado métodos de empalmes por fusión para su empleo en cables planos de cintas con
hasta cinco fibras. Estos empalmes reensambrables son de promisorio futuro, permiten empalmar
en una sola operación hasta cinco fibras, además sirven de alojamiento y protección al los mismos.
En estos métodos, el pulido de las fibras y la fusión se realiza en una sola operación (Fig. 46a).
cubierta
Sustrato con múltiples surcos V
Fig. 46a - Empalme reensambrable para cable plano de 5 fibras
Otras técnicas se realizan con implementos que empalman cables planos de cintas hasta 13 ó mayor cantidad de fibras (Fig. 46b).
Fibras descubiertas
Surcos para las fibras
Cinta de 13 fibras
Sujeción de la cinta
Surcos donde se
realizan los empalmes
Fig. 46b - Empalmes múltiple para cable óptico de cintas
Los métodos descriptos anteriormente con tubos capilares, se podrán mejorar con la variante de
combinar este implemento con el empleo de la alineación tipo surco en V, elementos que estarán
dispuestos en las caras internas de los tubos.
A. 7. 9. 4. Empalme óptico mediante conectores
La conexión entre fibras ópticas se realiza preferentemente por empalme de fusión, sin embargo para empalmes por reparaciones provisorias o en redes poco extensas, se podrá utilizar empalmes
mecánicos mediante conectores.
El procedimiento para estos empalmes mecánicos se realiza cortados los extremos de las fibras en
planos perfectamente normales, puliéndolos y limpiándolos, luego se acoplan en elementos de alineación que los anclan sin permitir su desplazamiento. También podrán ser introducidos en un orificio concéntrico de una pieza de vidrio, cerámica o piedra preciosa y adherirla a ésta para mantenerla en su lugar.
En los empalmes mecánicos, el desplazamiento longitudinal entre los extremos de las fibras, produce pérdidas por refracción en el pasaje vidrio-aire, para prevenir este efecto se usa un gel conductor
de la luz con índice de refracción apropiada, que evita al haz de luz el cambio de medio de transmisión. Así se introducen mínimas pérdidas y además se reserva de daños a las caras de las fibras.
Sin embargo, es de mayor importancia el desplazamiento transversal de las fibras, pues podrá introducir altas pérdidas al solo desplazarse una micra de su diámetro, sobremanera en una fibra monomodo que su núcleo dispone de 10 micras o menos.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
49
Distintos métodos se emplean para realizar los empalmes mecánicos, que se clasifican como:
 De cilindro con rubí.
 De tres o de cuatro cilindros o esferas.
 De ranuras acanaladas en forma de V, para monofibra o multifibra.
 De convergencia del haz mediante lentes.
El dispositivo para el empalme con rubí se compone de un cilindro hueco o férula (ferrule), donde en
uno de sus extremos se ha insertado una piedra de rubí con una perforación concéntrica de diámetro interior igual al de la fibra. La fibra se introduce en el cilindro ajustándola mediante un protector
que sirve de adaptador y es fijada con un adhesivo epoxi de índice de refracción similar al de la fibra
(Fig. 47).
adhesivo
fibra desnuda
vaina de acero
inoxidable
adhesivo
CONECTOR A
RUBÍ DE RELOJ
rubí de reloj
cubierta de la fibra
lente
CONECTOR
USANDO LENTES
epoxy transparente
extremo de la fibra
Fig. 47 - Conector de rubí y conector de lente
El procedimiento más crítico, de estos empalmes, se refiere al método de alineación de ambas fibras. Para ello se utilizan tres o cuatro esferas, o cilindros, que obligan a las fibras ópticas a un posicionamiento y enfrentamiento perfecto (Fig. 48).
fibra óptica
0.155
2.155
Fig. 48 - Conector de tres esferas
Aunque estos empalmes tienen el carácter de permanente, algunas de ellas técnicas permiten la reinserción mediante herramientas especiales. Otros disponen un adhesivo epoxi con un tiempo de
curado suficiente para permitir "sintonizar" la máxima transferencia de potencia luz, mediante rotación de las fibras.
Una técnica también difundida, es la del empleo de un tubito de vidrio capilar, que ya hemos considerado anteriormente como empalme definitivo.
Los empalmes ópticos mecánicos, presentan una pérdida de inserción promedio de 0.15 dB á 0.30
dB para fibras multimodo y de 0.35 dB á 0.40 dB para fibras monomodo. Las pérdidas de retorno
son en general de alto valor.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
50
PÉRDIDAS DE RETORNO EN EMPALME ÓPTICO
Elemento
Pérdida de retorno
Empalme mecánico con corte
transversal en instalación aérea
Empalme mecánico con corte
oblicuo en instalación aérea
Empalme mecánico con corte
transversal, instalación subterránea
Empalme mecánico con corte
oblicuo, instalación subterránea
45 dB
63 dB
50 dB
68 dB
A. 7. 9. 5. Conectores Ópticos
Las uniones mediante conectores, se realizan en la central de conmutación, para las terminaciones
de red óptica OLT (Optical Line Termination), en los puntos de derivación de la red, en los nodos
remotos como unidad óptica de la red ONU (Optical Network Unit) y en el domicilio del abonado para las terminaciones de red ONT (Optical Network Termination)
Los conectores tienen la ventaja de ser desmontables e intercambiar la conexión cuando se requiera. Sus pérdidas suelen ser de 0.30 á 1 dB. Las pérdidas por inserción IL (Insertion Loss) típica es
de 0.20 dB, máximo de 0.40 dB, para la generalidad de los conectores, mientras que las pérdidas
de retorno RL (Retorn Loss), varían para cada conector de 50 á 70 dB. Sus características deberán
ser: insensibles a la temperatura, polvo ambiente y mantener la misma atenuación luego de un gran
número de desconexiones.
Las terminaciones en los OLT, se realizan mediante empales por fusión a chicotes de cables monofibra de hasta 5 m de longitud, denominados pig tail, los que ya disponen de un conector en su otro
extremo. También se usan chicotes de fibras del tipo parch cord para conexionados puente, o para
efectuar mediciones de pruebas. Estos chicotes, disponen en ambos extremos de conectores ya
instalados en fábrica. Los pig tail se proveen en diámetros de 0.9 mm y 3 mm, mientras que los
parch cord solo en diámetros de 3 mm.
Los conectores, para poder efectuar la unión de dos tramos de fibras en una red, emplean dos diferentes piezas, un conectador adaptador macho (plug), para fijar cada extremo de las fibras a conectar y de un acoplador que guía el enfrentamiento y fija el posicionamiento. Cada conector está constituido básicamente por un casquillo cilíndrico (ferrule), con un capilar central de diámetro apropiado
a la fibra y con una carcasa conformada por piezas soporte del casquillo, que a su vez proporciona
un montaje antirrotación de la fibra.
Los distintos tipos de conectores se diferencian principalmente, por el tipo de la carcasa exterior, si
el plug es cónico o cilíndrico y si el acoplamiento es a bayoneta o rosca. Son cinco los tipos dominantes en el mercado, el SMA 906, Biconic, Conector ST, FC y D4 (Fig. 49).
SMA 906
BICONIC
Conector ST
Conector FC
Conector D4
Fig. 49 - Conectores comunes en el mercado
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
51
Describiremos sucintamente algunos de los distintos tipos de conectores empleados, según su aparición histórica.
A fines de los años 1970, la firma Amphenol Co. De USA, introdujo el conector tipo SMA. Su nombre derivaba de la designación dada al Sub Miniatura-A (SMA), como conector empleado para cables coaxiales. Consistía de un casquillo cilíndrico de sujeción, llamado ferrule, de 3 mm de diámetro en el Tipo 905 y de 3.2 mm en el Tipo 906. Este casquillo fue fabricado en plástico, zinc, aluminio, acero o cerámica, según su clase y costo.
Su acoplamiento se efectuaba mediante una unión a rosca que actúa sobre dos férulas (sujeciones)
independientemente de la fibra, que la mantiene flotante (Fig. 50).
Tubo protector
Cubierta del cable
Elemento de fuerza
Fibra óptica
Adaptador
Recubrimiento
Ferrule primario
Cuerpo de ensamblaje
Fig. 50 - Conector SMA (Amphenol Co)
El conector Bicónico fue diseñado por AT&T. Un ferrule en forma de cono trucado y una manga
hembra que lo aloja dan el nombre de bicónico. Los materiales de fabricación son vidrio, plástico o
acero. Los actuales conectores Bicónicos no permiten hacer girar las fibras, lo que evita fallas de
conectividad (Fig. 51).
macho
fibra descubierta
adaptador de alineación
fibra revestida
elemento de protección
Fig. 51 - Conector Bicónico (ATT)
En el año 1985 la AT&T introdujo el conector ST, más pequeño, de mejor rendimiento y de menor
costo. Fabricado con un ferrule cilíndrico de 2.5 mm de diámetro en plástico, acero, vidrio o cerámica, encaja en una manga ranurada. Un mecanismo de bayoneta mantiene un ajustado acoplamiento
(Fig. 52).
Manga de acople
Ranura de alineación
Llave de alineación
Capucha
Manga de ajuste
Cubeta de inserción
Cubierta
Acople
Férula
Enchufe
Fig. 52 - Conector ST (ATT)
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
52
Desarrollado por NTT de Japón, el FC es un conector de alto rendimiento. Con un ferrule de 2.5 mm
en cerámica con una manga en acero. La fibra desnuda se inserta en un agujero dispuesto en el
centro del ferrule, se cementa y pule.
Como en el conector ST la manga ranurada permite el acoplamiento, con un muelle flotante que
asegura su conexión sin producir esfuerzos sobre la fibra óptica. Su ajuste se termina mediante una
combinación de bayoneta y rosca. Consta de un acoplador al que se lo inserta los adaptadores terminales (Fig. 53).
plásticos
fibra óptica
férula de alta precisión
manga hendida
alojamiento
Fig. 53 - Conector FC (NTT)
Desarrollado por NEC, el D4 es un conector de robusta retención. La empresa 3M ha simplificado el
diseño del conector, obteniendo un elemento de alta retención. Con formato rectangular este conector tiene un mecanismo de push - pull (tira y afloja) de fácil inserción y alta repetitividad.
La construcción del ferrule en una cerámica especial, asegura una baja atenuación. En equipos
Siemens el tipo DIN, de engarzado a rosca.
Los distintos tipos de conectores utilizados en terminaciones de red, se distinguen igualmente según
el tipo de corte y contacto realizado en las fibras ópticas. La nomenclatura que define al conector
utilizado, combina el tipo de mecanismo de sujeción y la técnica de corte utilizada.
Se diferencian los tipos de contacto:
 NC (Non Contact)
sin contacto entre caras,
 PC (Physical Contact)
contacto físico con corte perpendicular,
 SPC (Super Physical Contact) con super pulido,
 UPC (Ultra Physical Contact)
ultra pulido,
 APC (Angle Physical Contact) en corte oblicuo.
Después del pulido realizado según el método PC ó SPC, el plano de corte del conector, presentará
una estructura como la indicada en Fig. 54a, mientras que para el método UPC se presenta como
muestra el detalle de la Fig. 54b.
Fig. 54a - Método PC ó SPC
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
53
Fig. 54b - Método UPC
En el método APC, un corte oblicuo permite que la potencia del haz reflejado sea lanzada en una dirección tal que no pueda ser guiada nuevamente por el núcleo, hacia el emisor. Se obtiene una preferible alta pérdida de retorno, aunque se incremente algo la pérdida por inserción. Para aplicar este
método, entre el plano de corte y el plano perpendicular al eje del núcleo se proporciona un ángulo
de 8º.
PÉRDIDAS SEGÚN TIPO DE CONTACTO ESTABLECIDO
Pérdidas
Por inserción
De retorno
NC
< 1 dB
12 dB
PC
< 0.4 dB
> 50 dB
APC 8º
< 0.5 dB
> 60 dB
También con respecto a los métodos SPC y UPC, se obtienen mejores valores de pérdidas de retorno:
PÉRDIDAS DE RETORNO MÍNIMAS Y MEDIA PARA CONECTORES ÓPTICOS
Conector
FC/SPC
Pérdida de
Retorno mínima
40 dB
Pérdida de
Retorno media
43 dB
FC/UPC
50 dB
54 dB
FC/APC
60 dB
75 dB
En Telefónica de Argentina se ha normalizado el conector tipo FC /PC para su uso con fibras monomodo de dispersión estándar o de dispersión desplazada que operen en armarios para repartición
u otros sistemas de distribución que admitan el acceso de estos cables.
También se emplean en Telefónica de Argentina el tipo SC /UPC y SC /APC. El sistema SC, de la
NTT, tiene un anclaje mecánico (Fig. 55).
acoplador
carcasa del conector
cable de fibra
resorte
anillo de sujeción
kevlar
férula
receptáculo
Fig. 55 - Conector SC de la NTT
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
54
A. 7. 10. Dispositivos activos y pasivos de la red óptica
La red óptica además de sus cables y empalmes comprende diversos elementos con distintas funciones como ser, divisores de señal, atenuadores, filtros, regeneradotes, protecciones, etc.
A. 7. 10. 6. Divisores Ópticos
Los divisores ópticos (splitter), son dispositivos de derivación que se emplean para bifurcar la señal
en forma uniforme, tantas veces según tipo de divisor empleado 1:2, 1:3, 1:4, 1:8 y 1:16.
El principio de trabajo se basa en dividir la señal o iluminarla sobre un espejo desde el cual se refleja la cantidad de fibras deseadas. En las operaciones de las redes CATV, para pruebas o reparaciones, es critica la dilatación de sus tiempos, al proceder a desacoplar un divisor óptico, abriendo
una salida a ramal. Esta situación representa ser la peor condición en el total de pérdidas de una
red, ello se tendrá en cuenta en la selección de los divisores, a fin de minimizar estos tiempos.
La carcaza externa tiene como máximo:
Para 1:2, 1:3 y 1:4 = 90 mm x Ø 4 mm
Para 1:8 y 1:16 = 105 mm x 10 mm x 7 mm
Las pérdidas por inserción máxima corresponden a cada tipo de divisor especificado
PÉRDIDAS POR INSERCIÓN MÁXIMA DEL DIVISOR
Tipo
Atenuación máxima (dB)
1x2
4
1x3
6
1x4
7.5
1x8
11
1x16
14.5
Existen dos configuraciones posibles para la conexión de las entradas y salidas de los splitters, por
medio de conectores o por empalme de fusión (Fig. 56).
Conexión de Splitter
FC/APC
Distribuidor en Central
conectores FC/UPC
Fig. 56 - Conexionado de los splitters en relación 1x4
Se fija como característica de especificación los siguientes valores, medidos en 1260 nm á 1360 nm
y 1480 nm á 1580 nm: pérdidas de retorno mínimas para cualquier puerta mayor a 50 dB, las directividad mínima entre cualquier puerta de salida de 50 dB y las variaciones de las pérdidas de inserción no mayor a 0.3 dB.
Las tecnologías y materiales deberán garantizar una invariabilidad de sus características para un
uso de 20 años.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
55
A. 7. 10. 7. Acopladores Ópticos
Los acopladores ópticos permiten distribuir una cierta información de entrada entre dos salidas en
una proporción predeterminada.
Las salidas son conectadas a derivaciones o ramales que podrán alimentar terminales u otros dispositivos.
En cada salida se obtiene la misma información de entrada. Dado que cada división se realiza por
medios ópticos pasivos, cada señal de salida tendrá un valor de atenuación de acuerdo a una proporción predefinida y de acuerdo al valor de acoplamiento que posee el dispositivo.
El acoplador posee una caja hermética de protección, cuyas dimensiones son de 90 mm x Ø 4 mm.
Las fibras ópticas que parten del acoplador deberán tener por lo menos una longitud de 1.50 m. Los
acopladores se identifican y proveen según su relación de acoplamiento.
TIPOS DE ACOPLADORES
Acoplador
% Potencia de
Salida - Puerta 1
% Potencia de
Salida - Puerta 2
5/95
5%
95%
10/90
10%
90%
15/85
15%
85%
20/80
20%
80%
25/75
25%
75%
30/70
30%
70%
35/65
35%
65%
40/60
40%
60%
45/55
45%
55%
Se fija como característica de especificación valores similares a los dados para los divisores ópticos.
Medidos en 1260 nm á 1360 nm y 1480 nm á 1580 nm deben presentar:

Pérdidas de retorno mínimas para cualquier puerta mayor a 50 dB.

Directividad mínima entre cualquier puerta de salida de 50 dB.

Variaciones de las pérdidas de inserción no mayor a 0.3 dB.
Las tecnologías y materiales deberán garantizar una invariabilidad de sus características para un
uso de 20 años (Fig. 57).
Compuerta 1
Compuerta 2
Compuerta 3
Fig. 57 - Principio de un acoplador óptico
Las pérdidas por inserción máxima, son especificadas según su relación de acoplamiento.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
56
PÉRDIDAS DE INSERCIÓN DE LOS ACOPLADORES
5/95
Atenuación máxima (db)
Puerta 1
15.5
Atenuación máxima (db)
Puerta 2
0.6
10/90
11.3
0.9
15/85
9.2
1.1
20/80
7.9
1.4
25/75
6.9
1.7
30/70
6.1
2.1
35/65
5.4
2.4
40/60
4.8
2.8
45/55
4.1
3.2-
Acoplador
A. 7. 10. 8. Atenuadores Ópticos
Un atenuador óptico es un dispositivo pasivo que se intercala en la red óptica con el objeto de reducir la potencia óptica que ingresa al fotodetector del receptor.
Los atenuadores mayormente utilizados son del tipo SC y FC. Esta designación la da el tipo de conector utilizado para un extremo y el tipo de acoplador del otro extremo, tanto fueren SC/APC ó FC
/APC. También son designados por la atenuación introducida, por ejemplo el 01/SC tiene una atenuación de 1 dB, mientras que el 20/FC tiene una atenuación de 20 dB. La pérdida de retorno mínima admitida es > 50 dB.
A. 7. 10. 9. Filtros de medios
Los filtros de medios son necesarios en los equipos que utilizan cables de par trenzado telefónico
de tipo 3, para adaptar los conectores del cable. Se utilizan por ejemplo, para efectuar la conexión
entre una placa adaptadora Token Ring y conector estándar tipo RJ-45 / RJ-11. Permiten reducir
asimismo, los ruidos de línea.
A. 7. 10. 10. Cajas de distribución
Las cajas de distribución para abonados podrán tener variadas capacidades, desde 4 fibras ópticas
hasta 100 o mayores (Fig. 58).
al multiplexor
conector
PC
4 Fibras ópticas
Fig. 58 - Cajas de abonados para 4 fibras ópticas
A. 7. 10. 11. Cajas de empalmes
Se emplearán cajas de empalme ópticas dispuestas con reparticiones que permiten organizar y dar
holgura a los cables, con el espacio necesario que respete las curvaturas admisibles y el alojamiento cómodo de los empalmes.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
57
Para obtener amplias capacidades de empalmes, de hasta un máximo de 144 fibras, las fibras y los
empalmes se organizan en placas dispuestas en varias capas rebatibles (Fig. 59).
Fig. 59 - Caja de empalmes de fibras ópticas
A. 7. 10. 12. Paneles de conexiones
Se utilizan paneles de conexión para organizar los cableados, tanto para las redes LAN, edificios
con cables estructurados, en edificios inteligentes, como en oficinas centrales nodos remotos, por
ejemplo el cableado que se conecta a un concentrador de una red interna (Fig. 60).
cable monofibra
al equipo
cable multifibra
desde el plantel
exterior
bandeja de
conectores
bandeja de
empalmes
cubierta
Fig. 60 - Panel de conexiones de cableados
A. 7. 10. 13. Equipo regenerador remoto
Un nodo regenerador remoto, consta esencialmente de un equipo transmisor regenerador, el que
incluye la conversión electro-óptica y del proceso de interconexión a la planta externa.
Este sistema podrá estar alojado en un recinto erigido o en un gabinete tipo pedestal (Figs. 61 y 62).
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
58
Equipo
electro-óptico
Transmisor
Receptor
Gabinete de interconexión
----a plantel exterior
Fig. 61 - Nodo regenerador remoto
Regenerador
de señal
Pasaje de cables
Caja de empalmes de fibra óptica
Fig. 62 - Regenerador de señal en pedestal
A. 7. 11. Métodos de instalación
Los cables de fibra óptica, al igual que los cables de conductores de cobre pareados, se emplean en
rutas interurbanas y urbanas.
Generalmente son instalados, para los enlaces locales de acceso y entre oficinas, en canalizaciones, para los enlaces interurbanos en enterrado directo y en enlaces internacionales como cables
subfluviales o submarinos, aunque según los requerimientos del diseño podrán adoptarse el método
mas conveniente, incluso como instalación aérea sobre rutas de postes.
Según su función y el sector de red donde actúe, se podrán requerir distintas capacidades de fibras
y técnicas de transmisión. Por ejemplo:
 Enlace interurbano, utiliza de 32 fibras á 144 fibras, en tercera ventana (1550 nm).
 Enlace urbano, utilizar de 64 á 128 fibras ópticas, en tercera ventana (1550 nm).
 Acceso, utilizar 64 fibras ópticas, en segunda (1300 nm) y tercer ventana (1550 nm).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
59
El tráfico de transmisión estimado a sustentar definirá la cantidad de fibra óptica a proveer.
Sus valores de atenuación y dispersión máxima, serán adoptados según fuesen tipos de redes urbanas, interurbanas o internacionales y los tramos a cubrir.
El tendido de los cables de fibra óptica en un área urbana es muy simple, ello se debe al reducido
peso y diámetro de los cables ópticos, pudiéndose efectuar en muchos casos en forma manual sin
intervención de alguna máquina tiracable. Se ubica a lo sumo un operario por cámara de registro y
procede a jalar el cable en forma manual, pudiéndose así cubrir longitudes de varios kilómetros.
En las canalizaciones se emplean subductos, para aumentar la capacidad de las cañerías, colocando monoductos en el interior de los conductos existentes.
Estos monoductos son de PVC y tienen 33 mm de diámetro, para una cañería existente de 87 mm.
También se emplean triductos planos para adicionar a las cañerías en construcción o para la instalación en enterrado directo.
Para el tendido de cables de fibra óptica en rutas interurbanas, aunque se hallan construido canalización con subductos o se hallan instalado tritubos enterrados, será dificultosa su instalación debido
al las extensas extensiones a cubrir entre empalmes.
Esto se salva empleando distintos métodos de tendido, ya fuese mediante la ayuda de aire comprimido o agua a presión. El método de agua es mas efectivo en tiempo de colocación, no obstante
trae aparejado el inconveniente de obtener, transportar y recuperar el agua operativa.
El ámbito de su uso definirá su constitución de armado y estructura física como sus cubiertas y blindajes especiales. La elección del tipo y modelo de cable, se procede teniendo en cuenta el uso y
destino de la red a construir:
 Cable dúplex para corta distancia (Fig. 63a).
 Para la red subfluvial o submarinos, cables con blindajes reforzados (Fig. 63b).
 En la red aérea cables autosuspendidos de cubierta en forma 8, o para devanar (Fig. 63c).
 En canalizaciones subterráneas (Figs. 63d).
 Para la red enterrada en zonas con roedores blindajes con alambres de acero.
 Para la red interna de edificios se emplean cubiertas de PVC, totalmente dieléctrica si será influenciada por perturbaciones en cercanía de fuentes electromagnéticas.
Aramida
Hilos de aramida
Cubierta PVC ó PAL
Recubrimiento tight
Recubrimiento secundario
Fibra óptica
Fig. 63a - Cable dúplex para corta distancia (Pirelli)
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
60
Arado de enterramiento
cable
cable enterrado
subsuelo
agua
Fig. 63b – Instalación subfluvial
Fig. 63c – Instalación de cable aéreo devanado
cabrestante
Carrete de cable
Fig. 63d – Instalación de cable subterráneo
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
61
Para la instalación en cañería subterránea, se pueden adoptar varias técnicas. Se emplean equipos
para el pasaje de la fibra óptica, los que son activados por corrientes de aire comprimido (Fig. 64).y
en otros casos por agua a presión (Fig. 65). Este último método tiene el inconveniente del transporte
del agua y además resumir el agua residual
compresor
compresor
compresor
Fig. 64 - Instalación en cañería subterránea mediante aire comprimido
Fig. 65 - Método de instalación por medio de agua a presión
Las cajas para empalmes ópticos se podrán ubicarán en postes siguiendo el método de empalmar a
la altura del suelo y luego posicionarlas sobre el poste.
Se provee cable enrollado para eventuales aperturas posteriores. También se podrán instalar aseguradas sobre el alambre suspensor (Fig. 66).
grapas
> 0.80 m
Soporte cable
Caja de empalme suspendida
cintillo de plástico
grapas
caja de empalmes
Fig. 66 - Método de instalación de cajas ópticas en ruta aérea
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
62
En las cámaras de registro subterráneas, los cables de fibra óptica serán ubicados en el diedro superior formado por las paredes y el techo, a fin de protegerlo del manipuleo habitual de otros cables.
Se recomienda en general, dar una vuelta en exceso, con el recorrido del cable dentro de la cámara, para futuras aperturas (Fig. 67)
Abrazaderas plásticas
tubo plástico abierto longitudinal
chapa de
Identificación
banda roja
cable FO
Banda roja
manguito
termocontraible
Fig. 67 - Instalación de cable óptico en cámara subterránea
A. 7. 12. Conmutación óptica
Dadas las características de las fibras ópticas al presentar un formidable ancho de banda potencial,
casi 30 000 GHz, y de su uso generalizado para redes de transporte y de acceso, se plantea la conveniencia de emplear tanto conmutación óptica en las centrales, como en las mismas redes.
Generalmente, los nodos de conmutación al vincular enlaces entre centrales o a troncales de alimentación en la red de acceso, emplean señales electrónicas, por lo que las señales ópticas para
ser conmutadas, deben primero efectuar la conversión óptoelectrónica, mediante la mutación fotón
a electrón (Fig. 68).
fibra LED
óptica
regenerador de
señal eléctrica
fotodiodo
Fig. 68 - Regenerador de señal óptica en anillo óptico
fibra óptica
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
63
Para los canales de fibra óptica se emplea una variante de la Multiplexación por división de frecuencia FDM, que se denomina Multiplexación por división de longitud de onda WDM. Sean dos fibras
que llegan juntas a un prisma o reja de difracción donde las distintas bandas de cada una de las fibras se combinan en una misma fibra que comparte el total de las bandas transmitidas hasta un
punto distante, en donde mediante otro prisma o reja de difracción, las bandas de distintas longitud
de onda son nuevamente divididas en otras dos fibras (Fig. 69).
fibra 1
fibra 3
fibra compartida
fibra 2
fibra 4
Fig. 69 - Multiplexación por longitud de onda
En el ejemplo de la figura 32, solo los bits de la fibra 1 van a la fibra 3 y los de la fibra 2 a la fibra 4,
sin embargo se pueden construir sistemas WDM conmutados. En estos sistemas, mediante dispositivos acopladores que dispongan de muchas fibras de entrada y muchas fibras de salida, mediante
filtros se podrá seleccionar la correspondencia entre cada una de las fibras de entrada y cada una
de las fibras de salida.
El acoplador trabaja como una estrella pasiva, donde cada luz de cada fibra de entrada ilumina toda
la estrella de fibras de salida. Si la luz de una fibra de entada está a una longitud de onda de
1.50206 micrones se requiere un filtro con esa característica en la fibra deseada de salida. Para ello
se dispone en cada una de las fibras de salida, un filtro ajustable el que pueda variar dinámicamente
la gama de longitudes de onda. Tales filtros ajustables se pueden construir mediante la utilización
de interferómetros de Fabry - Perot o de Mach-Zehnder.
En las futuras redes, serán totalmente ópticos, por un lado los enlaces entre centrales y por otro lado, los anillos de acceso de alto tráfico, los troncales de la red de acceso hasta unidades ópticas de
distribución y en muchos casos, la línea de acceso llegando hasta la casa del abonado. Luego, las
señales deben pasar de señal óptica a electrónica, sufrir el proceso de con-mutación y nuevamente
deben realizar de conversión de señal electrónica a óptica. Sin embargo, esto se hace innecesario,
si se emplea la conmutación por fotones, conservando la continuidad óptica extremo a extremo. Se
evitaría además de la doble conversión la limitación del ancho de banda de los medios electrónicos.
La diferencia con respecto al método de MDF, es que con WDM la multiplexación es totalmente
óptica, por lo tanto altamente confiable. La razón por la cual la WDM se ha hecho tan rápidamente
popular, es debido a que en la actualidad es imposible lograr mayor rapidez de conversión entre el
medio eléctrico y el medio óptico, solo se puede operar en la fibra con la energía de solo algunos
GHz. Puesto que el ancho de banda, en una sola banda de fibra llega a los 25000 GHz, existe un
gran potencial para multiplexar muchos canales juntos. Se prevén las siguientes necesidades de
conmutación óptica:
 Reenrutadores ópticos de tráfico en la red de enlace. Al aumentar la velocidad en la red de acceso, se incrementa también la velocidad en la red de transporte, con lo cual pronto se podrá llegar
a utilizar mas de 50 Gb/s en estas redes. En esta situación se hace critica la rotura de una fibra.
La solución es el reencaminamiento en la misma red. En ciertos sectores de la red de acceso se
hace también imprescindible su uso.
 Módulos multiplexores y demultiplexores ópticos. La inserción o extracción de tramas de alta velocidad se podrá realizar directamente en forma óptica.
 Conexión entre distintas redes ópticas de acceso pasivas. Un acoplador y/o divisor óptico estrella
podrán asignar una o varias longitudes de onda de recepción a ramales de distribución. Se permitirá así encaminar y difundir la señal portadora y determinar a que usuario se dirige la longitud
de onda deseada.
64
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
 Conmutadores de paquetes ópticos. Al igual que en las redes eléctricas se podrá asociar a cada
paquete de fotones una cabecera de identificación o asignar una longitud de onda diferente y
construir así nodos de conmutación ópticos.
Distintos tipos de conmutación óptica se podrán emplear:
 Conmutación de haz. Es el equivalente de conmutación espacial eléctrico. Establece un camino
óptico, independiente de los anchos de banda y formatos de modulación, entre las fibras de entrada y de salida.
 Conmutación de impulso. Podrá ser conmutación temporal o espacial, aplicable a trenes de señales ópticas con modulación digital binaria de amplitud.
 Conmutación de longitudes de onda. Consiste en el encaminamiento de señales ópticas en función de las longitudes de onda, mediante técnicas de transmisión coherente.
Son varios los métodos ideados como sistemas de conmutación óptica:
 Conmutador mecánico. Podrán utilizar prismas, espejos o fibras ópticas móviles. Una sola fibra
óptica entrante se podrá conectar a varias fibras salientes o viceversa mediante lentes de índice
gradual giratorios. Un ejemplo es el conmutador 1 x 2 utilizado en cables submarinos, el que
consiste en un elemento mecánico accionado por medios magnéticos. Su limitación reside en
que la velocidad de conmutación es del orden de los milisegundos.
 Conmutador monolítico pasivo. El principio de conmutación se basa en modificar el índice de refracción del material que constituye el conmutador, de manera que la luz de la rama entrante se
acople a alguna de las dos posibles salidas. Luego el conmutador se establece, según un conjunto de conmutadores elementales. La forma de modificar el índice de refracción dependerá del
material que sirve de guía de onda óptica del conmutador.
 Conmutador con elementos regenerativos. Parten del mismo principio que los conmutadores
monolíticos pasivos y se introduce el agregado de elementos regenerativos. En este caso se
atemperan los efectos de pérdida de inserción y diafonía dados en tal conmutador, pero introduce ruidos de emisión que obliga al uso de filtros ópticos a su salida.
 Conmutador de longitudes de onda. Constan de un acoplador en estrella de nxn, entradas - salidas, donde a cada entrada se le asigna una longitud de onda diferente y asocia a cada salida un
filtro sintonizable, que extrae la señal deseada. El principal inconveniente radica en obtener filtros
de alto margen de sintonía. Este conmutador óptico introduce muy bajas pérdidas por inserción.
 Conmutador temporal - espectral Cada fibra de entrada transporta células multiplexadas tanto en
el tiempo como en longitud de onda. El conmutador consiste en un conjunto de elementos de
conmutación temporal y espectral, que respectivamente intercambian la posición temporal de las
celdas o cambian la longitud de onda de las mismas.
Diversos son los estudios llevados a cabo para lograr la conmutación óptica, por ejemplo, conmutación en el tiempo, en división de frecuencia, en el espacio libre o en guías de ondas.
Los futuros componentes de una red ATM, podrán contener conmutación en el tiempo que exceda
los 100 Gb/s, por lo que necesariamente deberá ser óptica. Por otra parte, la luz coherente tiene un
ancho de banda de mas de 200 THz, lo que supone poder multiplexar cientos de canales en división
de frecuencia, en bandas de varios GHz.
Así como, los trayectos podrán ser conmutados en el espacio libre (free - space) mediante espejos,
prismas o filtros ópticos de polarización, o en el medio estructurado de guías de onda, como lo es
una fibra óptica. Esto hará posible disfrutar de redes que dispongan de elevadas capacidades, para
el manejo de ultra altas velocidades de transmisión.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
65
A. 7. 12. 1. Conmutadores ópticos inteligentes
En las redes ópticas se ha hecho perentorio la disposición de conmutadores ópticos a escala comercial. Vimos que tales dispositivos permiten derivar una señal digital luminosa de una red a otra,
sin necesidad de convertirla en señal eléctrica, que es lo que se hizo hasta ahora. La transmisión
óptica de extremo a extremo agiliza notablemente el transporte de las señales.
Las grandes redes de telecomunicaciones están formadas actualmente por miles de kilómetros de
cables de fibra óptica: por donde circulan las señales digitales de datos y voz a gran velocidad: hasta 1 Terabit por segundo o sea un billón de bits cada segundo, 1012.
Estas señales no son más que haces de luz que se encienden y se apagan constantemente conforme sean un 1 ó un 0 digital. Con los nuevos sistemas, es posible transmitir cada uno de estos
haces luminosos a unos 6000 kilómetros de distancia sin regeneración eléctrica, gracias a la excepcional transparencia de las fibras ópticas actuales, que permite que la señal casi no se degrade con
la distancia recorrida.
El principal prodigio de los últimos años ha sido, sin embargo, que cada haz luminoso puede descomponerse en distintas longitudes de onda, con lo cual por el interior de una fibra pasa un haz con
16, 32, 64 o más señales distintas, gracias a la técnica conocida como multiplexación densa por la
división de la longitud de onda DWDM. Este aumento brutal de la velocidad y la capacidad de las fibras ópticas, es lo que permite decir que el costo del transporte de una señal digital de un sitio a
otro es casi nulo.
El problema se plantea cuando alguna de las señales tiene que cambiar de red. En cada uno de estos cambios la señal óptica se tiene que transformar en señal eléctrica, encaminarla a través de los
routers y volverla a convertir en señal óptica ya dentro de la red deseada. Al haber aumentado la velocidad y el número de longitudes de onda de cada haz óptico, la conversión o multiplexación de las
señales se ha convertido en un proceso muy complejo. El resultado es que las señales recorren cada tramo de la red en un instante y después se deben detener para esperar el proceso de su encaminamiento, con lo que la velocidad de transmisión total se restringe.
Los primeros conmutadores ópticos han permitido eliminar ese cuello de botella. Se trató de un aparato de múltiples espejos que desviaba cada longitud de onda y la ponía dentro de otra red sin
transformarla. Hace algunos años que los laboratorios están desarrollando conmutadores ópticos.
Existen actualmente diversas tecnologías, las más prometedoras han sido las correspondientes a
sistemas electromecánicos con microespejos MEMS (Micro Electromechanical System), en el cual
unos pequeños elementos espejados dirigen cada una de las longitudes de onda de un haz de luz,
de una fibra a otra. Una señal electrónica controla el ángulo de cada espejo y así pasa el haz de un
punto a otro. Otro sistema, aun más innovador es el conmutador MEMS difractivo.
Entre las compañías más avanzadas se encuentran Lucent, Nortel, Corbis y Ciena, Alcatel, Siemens, Cisco, Agilent, NEC, Fujitsu y Pirelli. La firma Lucent, introdujo primeramente el Wavestar
Lambdarouter, una cajita de 2,5 centímetros de lado que soportara hasta 256 entradas y salidas. La
compañía indicó que es 16 veces más rápido que los routers tradicionales, que convierten la señal
óptica en eléctrica y después otra vez a óptica.
Nortel, dispuso su X-1000 capaz de conmutar hasta 1.152 pares de puertos, le siguió Corvis, otro de
los pioneros en el campo de la fotónica.
Este tipo de conmutación óptica ha sido el primer paso. El objetivo es que haya redes IP (Protocolo
de Internet) totalmente ópticas de extremo a extremo. Esto significa que el conmutador deberá ser
tan inteligente como para dirigir cada paquete de datos a su red, sin convertir la señal, y en tiempo
real. Los espejos, o el sistema que se emplee, deberán cambiar de inclinación continuamente. Todo
un reto de la micromecánica y de la fotónica. La flexibilidad que tienen las grandes matrices de
conmutación de las redes de transporte es muy pequeña.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
66
Se ha avanzado en la velocidad y en la capacidad de las grandes redes troncales de telecomunicaciones o backbone, pero se trata básicamente de redes que transportan siempre los datos de la
misma manera. Si el transportista quiere hacer cambios en la red, hay que modificar los programas
de soporte de estas matrices de conmutación.
Ahora se requiere, además de velocidad y capacidad, flexibilidad para, en función de las necesidades, pasar de una red troncal a otra de menor capacidad. El fuerte ritmo innovador de la fotónica, el
doble que la microelectrónica, hace pensar que en pocos años, habrá routers ópticos totalmente inteligentes.
A. 7. 12. 2. Conmutadores MEMS difractivos
Durante los últimos años, el MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) ha surgido como una tecnología eficaz en la industria de las telecomunicaciones, como dispositivos para el uso como conmutadores.
El llamado dispositivo MEMS difractivo, también está jugando un papel significativo en las redes
ópticas. Mientras ambos, el MEMS difractivo y el MEMS por inclinación de espejo, están basados en
la tecnología de micro-estructura de silicón, los dispositivos de MEMS difractivo, operan en un principio fundamentalmente diferente, y tiene únicas ventajas de performance, comparado a sus primos,
MEMS por inclinación de espejo. Un dispositivo difractivo de MEMS es esencialmente una difracción
dinámica por enrejado, empleado en aplicaciones de telecomunicaciones.
Como resultado de la naturaleza de la onda de luz, la difracción es la desviación de luz alrededor de
un borde, o extendiendo de luz a través de una abertura pequeña. Una difracción de reja, es dada
en una serie de ranuras paralelas o aberturas que actúan para separar la luz incidente en haces distintos (Fig. 70) y que seguidamente interfieren unas con otras.
Orden -1
Onda defractada
Orden de difracción
Orden 0
Orden +1
Onda incidente
onda reflejada
Plano de la onda
microcromática
incidente
Reja
difractiva
Fig. 70 - Diagrama de la difracción de reja
Para que la interferencia sea significativa, el periodo de las ranuras (aberturas), debe está en el orden de longitud de onda de la luz incidente. En un enrejando reflexivo, el haz óptico se refleja en
múltiples haces u orden de difracción, con ángulos que dependen del periodo de la grilla y la longitud de onda incidente.
A la incidencia normal, la ecuación de la grilla describe los ángulos de difracción con el periodo de la
grilla.
La cantidad de luz defractada varía con la interferencia del haz defractado y es determinado por la
altura h de la grilla. Si la altura es equivalente a un cuarto de la longitud de onda, las ondas reflejadas interfieren destructivamente y toda la luz es defractada (ninguna luz es especularmente reflejada). Alternativamente, si la altura es equivalente a una longitud de onda, las olas reflejadas interfieren constructivamente y la grilla actúa como un espejo.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
67
Elemento MEMS difractivo
Un elemento difractivo MEMS, es un componente óptico con eficacia de difracción ajustable. Esta
conducta es lograda construyendo una grilla de micro-estructura donde la altura de la ranura puede
ajustarse arriba-abajo. La figura 71 muestra un modelo de un MEMS de difracción con grilla.
cinta tensa
(tensión alta)
cinta desplazada
(tensión baja)
Grilla
Electrodo común
(plano de tierra)
Fig. 71- MEMS de difracción con grilla.
El dispositivo consiste típicamente en filas paralelas de cinta reflexiva que está separado de una
oblea de silicón por un fino hueco de aire. Cuando no actúa, las cintas están bajo tensión alta, permaneciendo tensionadas en relación a la superficie de la oblea de silicón, en respuesta a un voltaje
que se aplica entre el electrodo superior a la cinta y a la oblea de silicón como electrodo inferior.
Cuando se aplica menos tensión a los electrodos, actúa la atracción electrostática entre la oblea de
silicón y la cinta suspendida, deflectando la cinta que se extiende hacia abajo.
Actuando alternativamente, como cintas "activas", se crea una difracción reflectiva de reja programable. Cuando se incrementa el voltaje a una cinta activa, esta región del conjunto empieza al deflactar luz en el predominante difracción de primer orden solicitando que se atenúa la luz, que resulta especulamente reflectada.
El aumento intensivo del voltaje causa la atenuación incremental hasta que la desviación de la cinta
alcanza una distancia equivalente a un cuarto de la longitud de onda de la luz incidente. A estas alturas la luz reflectada alcanza su máxima atenuación. Ajustando la desviación de la cinta entre el
cero y un cuarto de longitud de onda, la potencia de la luz en los reflejaron y primer ordenes, puede
ser controlado en una manera complementaria.
El dispositivo MEMS difractivo es construido depositando capas de cinta sobre una capa sacrificada
de la oblea de silicón. La capa sacrificatoria es isotropicamente grabada debajo de las capas de la
cinta para liberar las cintas y formar el hueco de aire.
El espesor de la capa sacrificada debe ser optimizado para el rango de la longitud de onda operado.
Las cintas se reproducen varios miles de veces fotolitográficamente, para formar el conjunto de
elementos de difracción.
La combinación de luz masiva, deflexión pequeña, y grandes fuerzas producen una extremadamente rápida velocidad de conmutación para las cintas espejo. El control de la intensidad de luz de defractada puede ser analógico (control variable de nivel de luz) o digital (conmutación de luz on ú off).
Sin embargo, el ángulo de desviación del haz es determinado por la fotolitografía y es fijado en la
fabricación de la oblea. En comparación, el espejo de inclinación de los dispositivos MEMS conmuta
a velocidades más bajas, tiene control de amplificación binario y proporcione ángulos de deflexión
variables.
Mucha de la invención en el campo difractivo de MEMS se hizo en la Universidad del Stanford por el
Prof. David Bloom y su equipo a principio de los años de 1990. La comercialización inicial de la tecnología de MEMS difractivo, fue dada para las aplicaciones de imágenes. Se ha obtenido un contraste sumamente alto (>1000:1), para sistemas de TV de alta definición, con un conjunto lineal de
1080 elementos de MEMS difractivo.
68
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
En telecomunicaciones, los canales DWDM emergieron de una fibra óptica espacialmente dispersa,
donde las longitudes de onda discretas se proyectaran dentro de un conjunto MEMS difractivo, tal
que cada canal llega en una situación diferente al conjunto. El signo de DWDM se manipula entonces (atenuado, ecualizado, conmutado, etc.), aplicando voltajes programados a las cintas activas.
La luz defractada es separada de la luz especular, y la porción de la especular es colectada, recombinada y enfocada hacia atrás, en la fibra óptica.
La capacidad dinámica y la velocidad afrontada por la tecnología del MEMS difractivo posibilita algunas aplicaciones importantes en gestión de redes ópticas.
La red de conmutación y control requieren conmutadores de gran velocidad y atenuadores variables. Con un tiempo de respuesta superior, la grilla del MEMS difractivo es significativamente más
rápido que otros dispositivo de tecnologías MEMS tal como espejos inclinantes.
Los ecualizadores de ganancia dinámicos resuelven el problema de equilibrio de potencia inherente
a los amplificadores ópticos, introduciendo una función de corrección de atenuación que es la inversa del perfil de ganancia EDFA. Esta función de corrección sigue la forma del perfil de ganancia
EDFA y puede llevarse a cabo a través del uso del MEMS difractivo.
Las variaciones de potencia en redes ópticas también pueden ser causadas por cambios en la conmutación y el enrutado. Estos problemas son muy significativos para módulos ópticos add/ drop reconfigurables. Asimismo, la tecnología del MEMS difractivo puede ser extendido a aplicaciones que
requieren completa selectividad de la longitud de onda.
A. 7. 13. Método FFBG como OADM
En las redes ópticas metropolitanas, la tendencia es disponer de sistemas WDM de la más alta capacidad de canales, que acomode a considerables canales digitales. Ello incrementa la demanda
por multiplexores y demultiplexores ópticos con alta performance.
Al demandar más capacidad en las redes centros, se incrementa también la demanda en la red borde. Al mismo tiempo, la provisión de banda ancha es avecinada, cada vez más cerca de la casa del
abonado. Para ello, es indispensable, impulsar la disminución de costos de la red óptica de acceso.
Uno de los medios para obtener redes de acceso más asequibles, es proveer multiplexores ópticos
de adición extracción OADM (Optical Add/Drop Multiplexer) más efectivos, como lo son los OADM
reconfigurables. Los nuevos OADM reconfigurables, permiten incorporar y adquirir canales desde
una línea troncal sin requerir su pasaje óptico a eléctrico y sin interferir en los canales principales.
El método de, reja de Bragg fusionada en fibra FFBG (Fused Fiber Bragg Grating), permite operar
como enrutador, multiplexor y demultiplexor óptico, cumpliendo con ese cometido.
Muchos investigadores trabajaron a mediados de la década de 1990 con la denominada, retícula de
fibra Bragg FBG (Fiber Bragg Grating), sin embargo el grupo de Arroyo Optics tuvo la idea de confeccionar primero un acoplador óptico especial y luego comprender en éste a la retícula Bragg. Así,
un grupo de especialistas asociados, han desarrollado el FFBG, en 1998, con la finalidad de administrar la cantidad de longitud de ondas establecidas en una red WDM.≥
El acoplador se confeccionó juntando dos fibras de 125 m de diámetro, formando un solo cuerpo
de 250 m, fusionándolo luego y estrechándolo hasta obtener un perfil de 10 m.
Se obtuvo una cavidad acopladora con >40 dB de aislamiento, luego no hubo esencialmente transferencia de energía. El segundo paso fue, llevar la retícula de Bragg al perfil del acoplador. La retícula de Bragg, es un muy buen filtro óptico, que mediante retroreflexión filtra una longitud de onda
específica y deja pasar el resto de las longitudes de onda.
El último paso fue, abrazar el acoplador así implementado, con un circulador óptico, con lo que se
pudo extraer la luz refractada y obtener así un filtro add /drop óptico (Fig.72).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
69
Puerto de Salida
Express
Puerto de Entrada
1
2
3
4
2
3
4
Región fusionada
1
Puerto Drop
Puerto Add
Fig. 72 - Multiplexor FFBG de 4 canales
Extracción de señal óptica
Ancho de banda BW (bandwidth) de cada canal = 0.4 nm
Para 1 = de 1540.0 a 1541.0 nm
Para 2 = de 1540.8 a 1541.8 nm
Para 3 = de 1541.6 a 1542.6 nm
Para 4 = de 1542.4 a 1543.4 nm
Si en el Puerto de Entrada (arriba izquierda en la figura), tenemos cuatro longitudes de onda, 1, 2,
3 y 4 y asumimos que el retículo Bragg de fibra, es resonante a 1, las señales asociadas con las
2, 3 y 4 atraviesan la región fusionada y salen por el Puerto de Salida como señales express
(arriba derecha). Mientras que las señales asociadas con la 1, son filtradas y enrutadas no hacia la
entrada de la fibra sino con salida por el Puerto de Extraer, como señales drop (abajo izquierda).
Esa es la función esencial para extraer señales.
Si ahora tenemos otras señales operando en esa 1, a tal 1 la podremos introducir nuevamente
mediante el Puerto de Agregar, como señales add (abajo derecha) y esta se reflejará en el Puerto
de Salida, de señales express (arriba derecha), del FFBG. Luego, ya tenemos nuestro multiplexor
Add/Drop totalmente óptico (Fig. 73).
Puerto de Salida
Express
Puerto de Entrada
1
Región fusionada
Puerto Drop
1
Puerto Add
Fig. 73 - Inserción de señal óptica en Multiplexor FFBG
Sumado a estas cualidades se dispone de una amplia gama de cualidades de trabajo, no solo para
las condiciones ambientales de una central local, 10 á 55 ºC, sino extremas como ser desde -40 á
85 ºC. Ello posibilita su operación para terminales remotos ubicados en indistinta calle o domicilio de
abonado.
Además, como las señales nunca dejan la fibra, la perdida por inserción típicamente de 0.2 dB sobre cualquier puerto add, drop o express, no depende de las condiciones del medio ambiente. Luego con tan baja pérdida, se puede conectar varias unidades FFBG en serie, entonces en la primera
unidad se puede extraer (drop) la 1, en la segunda unidad 2, etc. Ensamblando varias unidades,
tendremos un demultiplexor y en idéntica forma un multiplexor óptico.
70
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
Para este ejemplo de cuatro canales, el mux/ demux tiene una pérdida total por inserción menor a 1
dB y para ocho canales <2dB. En el mercado hay básicamente dos tipos de filtros FFBG, para baja
cantidad de canales basados en unidades en cascada, como las nombradas, mientras que para alta
cantidad de canales y a fin de evitar altas pérdidas, se establece un dispositivo llamado AWG (Arrayed WaveGuides). Asimismo, varios fabricates optan por otras soluciones alcanzando más de 64
canales.
A. 7. 13. 1. Multiplexor óptico de inserción extracción (OADM)
Hemos distinguido en varios puntos tratados anteriormente la aplicación del múltiplexor-óptico-deinserción-extracción OADM (Optical Add Drop Multiplexer).
En resumidas cuentas el mismo, permite seleccionar solo el tráfico necesario y procesar electrónica
u ópticamente solamente ese tráfico, para lograr su inserción o extracción en canales secundarios,
mientras el tráfico restante atraviesa el procedimiento sin ser procesado.
Ello deriva en el consiguiente ahorro de costos de operación, brindando al cliente la posibilidad de
abonar solo el canal y el tiempo en que lo usa.
Partiendo de los mismos principios, se han dispuesto también OADM reconfigurables y divisores de
canales, mientras que en lo referente a conmutación, actualmente el FFBG se permite acoplando
métodos electromagnéticos.
A. 7. 14. Amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA)
El amplificador de fibra dopada con erbio EDFA (Erbium Doped Fiber Amplicator), es un dispositivo
completamente óptico y podrá ser empleado tanto en redes analógicas como digitales. El elemento
erbio es un metal trivalente del grupo de las tierras raras, definidos así por sus dificultades de aislamiento desde el mineral base.
La tecnología de amplificación óptica EDFA, permite proveer mayor cantidad de canales y mayor
velocidad en bits, sobre una escala superior de sistemas y amplias longitudes de enlaces DWDM.,
pudiendo alcanzar con equipos específicos hasta 6000 Km Se emplea alta potencia para canales
en redes de larga distancia y para la red metro.
El EDFA opera independientemente de las velocidades desde 10 Mb/s a 40 Gb/s y del formato de
los datos. La amplificación fotónica como, fibra dopada con erbio EDF (Erbium Doped Fiber), parte
del átomo de erbio excitado por una señal de luz (fotón) de alta potencia a una dada longitud de onda, que cae bruscamente a su estado primitivo.
En ese caso cuando la señal lumínica (fotón), aproximadamente en 1550 nm, se encuentra con un
átomo de erbio crea una corriente fotónica, a esa misma longitud de onda. Típicamente, por cada
átomo de erbio surgen 20 fotones iguales. La EDF es el medio que permite la amplificación del EDFA.
Se obtiene ganancias ópticas, cuando se bombea a la EDF con potencia lumínica de 980 nm o de
1480 nm. Al instante que el estado de alta energía excitada cae, se producen fotones adicionales,
con la misma fase y longitud de onda que los fotones que han atravesado el EDFA.
El erbio transfiere energía desde la bomba, a una corta longitud de fibra, de aproximadamente 10 m
para la banda C y arriba de 100 m para la banda L, en el rango 1528 nm a 1610 nm.
Las bandas ópticas indicadas son normadas como ventanas DWDM. La longitud de onda de 850
nm, no posee nombre de banda y solo se la menciona por su valor, ya que por lo general no se utiliza en comunicaciones de larga distancia por su gran atenuación. Se utiliza mayormente en redes
LAN de fibra óptica.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
71
VENTANAS ÓPTICA DWDM
Banda
Longitud de onda
O (Original)
1260 - 1360 nm
E (Extendida)
1360 - 1460 nm
S (Corta)
1460 - 1530 nm
C (Convencional)
1530 - 1565 nm
L (Larga)
1565 - 1625 nm
U (Ultra larga)
1625 - 1675 nm
Numerosos canales fluyen a través del EDFA, el tema es lograr que cada uno de estos canales tenga igual ganancia, ello se obtiene mediante filtros constituidos por delgadas láminas. Estos filtros
también posibilitan la operación de adicionar o extraer canales desde el amplificador.
El EDFA trabaja con una fibra dopada que tiene una transición Láser en la ventana deseada, con
extensión típica de 3 m, que se intercala al paso de la señal por medio de aisladores ópticos.
Un esquema básico de EDFA consiste de la fibra dopada, un bombeo Láser, un WDM, aisladores y
un acoplador de derivación. Los aisladores están establecidos bajo un principio óptico magnético,
que mantiene la propagación en un solo sentido. Además, previenen que la señal amplificada se refleje, incrementando el ruido en decremento de la eficiencia. Estos están formados por lentes colimadores, prismas polarizados y un rotor de Faraday. El acoplador derivador permite que una pequeña señal, se emplee para monitoreo y poder efectuar realimentaciones.
Típicamente se compone de tres secciones de bombeo, cada una con su propia bobina de fibra
óptica. La primera, sobre el lado del transmisor, emplea una o más bombas de 980 nm, para impulsar la potencia óptica. La segunda y tercera sección, impulsa bombas típicas de 1480 nm, que amplifica las señales haciendo que la potencia óptica permita la transmisión a largas distancias.
Un controlador analiza el nivel de la señal de salida y determina el nivel de la señal de bombeo. Un
aislador provee la protección de señales espurias que puedan retornar al EDFA causando interferencias. El resto de la señal pasa a través del aislador hacia el bobinado de fibra dopada en erbio
EDF de salida, que es luego combinada en un acoplador WDM. Pasa luego a otra derivación de verificación del nivel de salida y a otro aislador protector (Fig. 74).
aislador
WDM
monitor de entrada
amplificador EDF
bomba de control
aislador
monitor de salida
conector
Fig. 74 - Esquema típico EDFA
Los rayos de luz Láser, a 980 nm y 1480 nm, se insertan por medio de un acoplador dicródico, que
oficia de divisor de haz, en el interior de la fibra dopada, se combina con la potencia óptica de bombeo de electrones de erbio, desde un WDM. Los electrones absorben fotones y pasan a un estado
de energía metaestable, desde donde se produce una emisión estimulada de energía. El resultado
del bombeo en el ámbito de la fibra dopada es la excitación de los átomos de erbio que liberan su
energía almacenada como ondas adicionales que se adicionan a la señal débil circundante de 1550
nm. El bombeo se limita en el otro extremo por un filtro de bloqueo de longitud de onda correspondiente al Láser externo.
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
72
El proceso se repite mediante realimentación EDFA en cascada a lo largo de todo el recorrido, de
modo que la señal de 1550 nm resulte cada vez mayor, contrarrestando las pérdidas introducidas
en el trayecto óptico. La aplicación de un tándem EDFA permite disponer líneas de larga distancia
en longitud mayor a 6000 Km (Fig. 75).
Pot. entrada
Pot. salida
Multiplexor
λ
Fibra Dopada en Er
3
LASER de bombeo
Fig. 75 - Diseño de una configuración práctica de un EDFA
Los amplificadores ópticos permiten mejorar la ganancia en un trayecto o un aumento del factor
compartimiento de un diodo Láser en los sistemas de distribución.
Básicamente se distinguen tres tipos de amplificadores ópticos.
1. Amplificadores de potencia o postamplificadores, elevan la potencia lado transmisor (Tx).
2. Amplificadores de distribución en la línea, que compensan las pérdidas de la fibra, a fin de obtener mayores alcances de los tramos.
3. Preamplificadores, cuya función es mejorar la sensibilidad de los receptores ópticos (Rx).
Los EDFA son una necesidad en cuanto se utilicen moduladores ya que estos disponen de una relativa baja potencia de salida cerca de +7 dBm. El EDFA puede realimentar este valor en +20 dBm
(100 mW).
Con EDFA se pueden obtener ganancias de 20 á 40 dB, es decir de 100 a 1000 veces. La potencia
de salida puede superar los 100 mW. Todos valores superiores a los obtenidos mediante Láser
estándares. La figura de ruido típica es de 3.5 dB y la relación de la señal de portadora del canal al
ruido C/N (Canal/Noise), corresponde a 57 dB.
Esta tecnología, tienen la capacidad de amplificar al mismo tiempo longitudes de onda de una banda pasante ancha. Este atributo permite el manejo de 4, 8 ó mas longitudes de onda estrechamente
espaciadas en la ventana de 1550 nm. Por ejemplo, en el caso de 8 longitudes de onda, cada una a
2.5 Gb/s en la gama de 1550 nm a 1560 nm, proporcionan una capacidad de 20 Gb/s. Esto no solo
aumenta la capacidad de transmisión total de una fibra sino permite se adicionen canales individuales a medida que lo requiera el crecimiento de la demanda, esto incrementa la flexibilidad de una
red óptica.
Los sistemas multiplexación por división de densidad de longitud de onda DWDM (Density Wavelenght Division Multiplexing), además permiten agregar o retirar canales de 2.5 Gb/s sin tener que
multiplexar a 10 Gb/s. El amplificador tipo PDFA (Praseodymium Doped Fiber Amplifier), permite
que señales de 1310 nm sean amplificadas a +16 dBm (40 mW) o más también. Este amplificador
tiene un relativo estrecho pero adecuado ancho de banda, operando en el rango de 1305 nm  5
nm. También tiene buen rendimiento con multicanales análogos, tal como para señales de CATV.
A. 7. 14. 1. Amplificador Raman
En un amplificador Raman la misma transmisión sobre la fibra sirve de amplificación. La ganancia
ocurre debido a la dispersión por un medio (la fibra), de fotones de una cierta frecuencia (de bombeo), dentro de fotones de otra frecuencia (de la señal), con el resultado de la emisión de un cuanto
de energía (cuantum) o vibración (un fotón).
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
73
Puesto que este fenómeno no es un proceso lineal, se requiere para producir suficiente ganancia
lumínica una alta potencia de bombeo, típicamente que exceda los 700 mW. Ya que la propia
transmisión en la fibra sirve como un medio de ganancia, ésta es distribuida a lo largo de la longitud
de la fibra óptica con una ganancia proporcional al nivel de potencia de bombeo. Para tomar ventaja
de esta ganancia distribuida, esta potencia de bombeo, es impelida como retorno a lo largo de la
longitud de la fibra óptica, es decir en sentido contrario a la señal transmitida. De esto resultara más
alta ganancia sobre el extremo del enlace, precisamente donde la potencia de la señal sería más
baja (Fig. 76).
Potencia
dBm
Raman si
Raman no
Km
Fig. 76 - Distribución de ganancia en un amplificador Raman
En una WDM, con sistema de EDFA, se emplea amplificadores Raman, para combinar la potencia
de bombeo dentro de la fibra de transmisión. El uso del bombeo de retorno, en el amplificador Raman no hace variar la WDM, pero la longitud de onda Raman complementa la amplificación EDFA.
En el EDFA la banda de bombeo es fijada en la región de los 980 ó 1480 nm. Una alta ganancia de
ancho de banda puede ser alcanzada, combinando múltiples bombas Láser a diferentes longitud de
onda , cubriendo un rango de 30 nm o más.
A. 7. 14. 2. Configuraciones de la red EDFA
Una red EDFA podrá tener dos distintas configuraciones. En simple bombeo EDFA utiliza un único
bombeo Laser, sobre el lado de la fibra dopada, hacia el lado de la central. La versión dual emplea
bombeo Laser en ambos extremos.
El WDM se emplea para combinar la señal de 1550 nm con la energía bombeada y acoplar ésta,
dentro del amplificador. Tiene dos canales a longitud de onda de 980/1550 nm y de 1480/1550 nm.
El WDM se ubica en la entrada o en la salida del amplificador EDFA, dependiendo si el bombeo es
respectivamente, hacia atrás o hacia delante (Fig. 77).
Aislador / Derivador
para Bombeo hacia delante
Aislador / WDM
para Bombeo hacia atrás
Señal
Señal
Vertido
Inyectado
Aislador / WDM / Derivador
para Bombeo hacia atrás
Aislador / WDM / Derivador/ Fotodetector
para Bombeo hacia atrás
Señal
Vertido
Inyectado
Señal
Sondeo
Fotodetector
Fig. 77 – Aislador integrado a aplicaciones especificas
74
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
A. 7. 15. Fibras optimizadas
Con más de 70 millones de Km de fibras instaladas en todo el mundo, constituye el segmento mas
largo de la planta de cables. El crecimiento de las capacidades de las fibras y el explotar estas instalaciones existentes, se obtendrá mediante el uso de las técnicas DWDM y de fibra óptica con menor pérdidas.
Para ello periódicamente se desarrollan fibras optimadas. Se han difundido fibras monomodo clasificadas como de: a) dispersión no desplazada (dispersion not shifted fiber), b) de dispersión desplazada (dispersion shifted fiber), c) de dispersión nivelada (dispersion flattened fiber), d) dispersión
desplazada y modificada, o e) dispersión no cero.
a)
La fibra de dispersión no desplazada en  = 1310 nm, introducida en 1983, fue la primer fibra
monomodo empleada comercialmente. La atenuación típica fue de 0.35 dB/Km.
b)
La fibra de dispersión desplazada en  = 1550 nm, introducida en 1985, al igual que la de dispersión cero permiten pérdidas menores. La atenuación típica fue de 0.21 dB/Km. Sin embargo, al coincidir la longitud de onda de dispersión cero, en la banda pasante EDFA, que se
considera óptima para los sistemas DWDM, deberán emplearse técnicas que consideren estos efectos.
c)
La fibra de dispersión nivelada, fue desarrollada por Philips en 1988, para utilizar en las longitudes de onda de 1310 nm y 1550 nm, con baja dispersión para toda la gama de longitudes
de onda de 1300 á 1600 nm. Sin embargo tiende a tener mayores pérdidas comparativas a
otros tipos de fibras, por lo que se emplea solo para ciertas aplicaciones. Presenta atenuación
de 0.45 dB a1310 nm y 0.28 dB a 1550 nm, con una dispersión de 3.5 psec/nm Km a ambas
1310 y 1550 nm.
d)
La fibra de dispersión desplazada y modificada, ha sido introducida en 1994 para la transmisión de una longitud de onda (dispersión cero a 1561 nm) a través de distancias transoceánicas. Los efectos FWM (Four Wave Mixing), generados en sistemas DWDM limitan su uso,
cuando se desee emplear sistemas con varias longitudes de onda.
e)
La fibra con dispersión no cero, fue presentada por AT&T en 1994 para su normalización. Ha
sido diseñada para emplear la dispersión cromática de forma tal que suprima la generación de
efectos FWM. Así se podrán diseñar rutas mayores a 1000 Km con canales de 2.5 Gb/s y distancias de 300 Km para 10 Gb/s, sin usar compensación de dispersión.
Debido a la constante variación de las técnicas y sus precios, se deberá analizar detenidamente la
fibra óptica a emplear, en su combinación con la técnica que brinde las mejores y mayores posibilidades.
En general se han utilizado una fibra en el sentido de emisión y una fibra en el sentido de recepción.
Es decir, que se requiere un par de fibras para constituir un enlace, salvo que se utilice dos longitudes de onda, por ejemplo 1 para emisión y 2 para recepción, sobre una fibra.
Según su tipo, multimodo, monomodo o monomodo de perfil especial, la fibra podrá transportar la
señal satisfactoriamente en longitudes del orden de los cientos de metros o llegar hasta valores superiores a los 200 Km, sin la necesidad de utilizar regenerador de señal.
La velocidad de transmisión es normalmente de 140 Mb/s, pudiendo llegar a 10 Gb/s. Se espera en
un futuro cercano alcanzar el orden de los 100 Gb/s.
A. 7. 16. Distribuidor digital DCS en el anillo óptico
El sistema, distribuidor digital DCS (Digital Cross Connect System), fue diseñado originalmente como una simple caja que organizaba el tráfico concentrado de una central, cuando el tráfico asincrónico aún reglaba la red.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
75
La primera evolución se produjo en el DCS, cuando se adoptó la interfaz eléctrica SONET, para organizar el tráfico de bajada, al prevalecer el tráfico de transporte SONET. La segunda evolución
aconteció, cuando se concedió la actual categoría de nodo en el anillo.
Para comprender la funcionalidad del DCS en anillo, es necesario conocer el rol que este juega, en
el mismo. El DCS fue concebido como un dispositivo donde se podía integrar múltiples elementos
discretos de red, en un sistema. Desde esta visión inicial, han emergido tres tipos primarios de DCS.
Actualmente, están diferenciados por su tipo de matriz.
Estas matrices permiten básicamente, vincular dos señales, una para el DCS de banda angosta y
otra para el DCS de banda ancha.
A. 7. 16. 1. DCS de banda angosta
El DCS de banda angosta NDCS (Narrow DCS), utiliza una matriz que permite al operador de la red
disponer velocidad DS1 (1.5 Mb/s) y llevar funciones DS0 (64 Kb/s), por ejemplo en la red de respaldo, para pruebas, etc. La NDCS, permite ahorrar procedimientos y costos, actuando sobre los
elementos asociados a un conmutador de borde de la red, en funciones de niveles DS0.
A. 7. 16. 2. DCS de banda ancha
El DCS de banda ancha WDCS (Wide DCS), utiliza un nivel DS1 ó matriz SONET VT1.5. Esto permite funciones de servicios ventajosas, en conexiones DS1 ó VT1.5, disponiendo velocidades DS3
(44.7 Mb/s) y aún más altas. El WDCS se desenvuelve sobre los bordes de la red, frecuentemente
en conjunto con las NDCS, así como también puede trabajar en el centro de la red, algunas veces
en conjunto con una BDCS. Los WDCS con matriz de nivel DS1, es emplazada para proveer servicios de línea alquilada T1 (1.5 Mb/s).
A. 7. 16. 3. DCS de banda muy ancha
El DCS de banda muy ancha BDCS (Broadband DCS), utiliza un nivel de matriz DS3 ó STS-1 (51.8
Mb/s). Esto permite disponer aún mayores anchos de banda, con nivel de funcionalidad que labora
en tan altas velocidad como OC-48 (2.5 Gb/s) y OC-192 (10 Gb/s). De esta forma se posibilita remozar la parte central de la red, provistas con multiplexores Add /Drop (ADM). Los ADM, debido a
su gran capacidad de puerto, permite una alta flexibilidad de conexión y menores costos por puerto.
El BDCS, mediante los ADM, se emplean para el pasaje de nivel óptico a eléctrico (Fig. 78).
Conmutador de Voz Clase 5
POTS
NDCS
Permite conexiones en niveles DS1 y DS0
Línea
Alquilada
WDCS
Permite conexiones DS1 o VT1.5 conformando niveles DS3
Red de Acceso
Red de Transporte
Backbone
BDCS
Permite conexiones DS3 ó STS-1 formando niveles OC-48 ó OC-192
Fig. 78 - Diferentes distribuidores digitales para diferentes redes
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
76
A. 7. 16. 4. Integración del WDCS en anillo
El WDCS ofrece una plataforma natural para la integración en topología en anillo, particularmente
para el anillo de acceso y para el manejo de los niveles DS1. Efectivamente, un considerable valor
de tráfico es operado sobre el anillo de acceso, como líneas alquiladas T1. Si consideramos el alto
tráfico que dispone un anillo de transporte, el mismo podrá ser ofrecido en estos puntos de acceso
con WDCS, aumentando la eficiencia en toda la red.
El tráfico cursado por estos anillos, podrá tener el carácter de distribución, aunque también de enlace desde un anillo de acceso a otro. En algunos casos podrá ser multiplexado a mayor velocidad.
Cuando se trata de tráfico de distribución, particularmente en centrales con múltiples anillos, este
distribuidor (Cross Connect) provee la función de concentración (Hub), que permite la fácil interconexión entre anillos, portándolo hasta la central o hasta un anillo de transporte (Fig. 79).
ATM
Red de Acceso
FR
Red de Transporte
ADM
DWDM
WDCS
ADM
ADM
IP
LAN
SONET
Líneas alquiladas
Fig. 79 - Diferentes tecnologías sobre una misma red de acceso
A. 7. 16. 5. ADM versus WDCS
Es poco común para anillos de transporte requerir múltiples ADM, desplegados éstos solo en centrales con alto porcentaje de tráfico de bajada (dropped). Esto justifica los costos de integración de
los anillos de transporte sobre un WDCS. Sin embargo, al analizar el DCS en su función en el anillo,
nos damos cuenta que en muchos casos, entra en competición con un multiplexor Add /Drop (ADM)
como una interfaz óptica para anillos. Luego el operador de red debe elegir como acceso al anillo,
entre un discreto ADM o un simple WDCS.
Con un ADM, se provee una tecnología madura y es de menor costo inicial. Sin embargo, el WDCS
prueba su mérito en el crecimiento de la red y con el despliegue de múltiples anillos en una central.
Un simple WDCS ahorra los costos de múltiples ADS, su hardware asociado y el cableado para la
interconexión. Ello se hace evidente, cuando se incrementa al número de anillos que llegan a los
domicilios de los abonados y se requieren una gran cantidad de conexiones Add /Drop. El WDCS
también ahorra costos de mantenimiento y operación, sobre la vida del equipamiento.
Con WDCS se obtiene una amplia plataforma para el crecimiento futuro. Con una expansión máxima de 1000 á 2000 puertos en DS-3 (44 Mb/s), se permite un alto valor de tráfico, mediante múltiples anillos y sobre un simple elemento de red.
A. 7. 16. 6. El futuro de los DCS
Un siguiente paso de los DCS, será lograr la mayor funcionalidad en el anillo con altas velocidades
de transporte. Esto se puede obtener con esquemas de protección en anillos más sofisticados, tales
como 2 y 4 fibras en líneas bidireccionales, con anillos conmutados. La duda surge sobre si, OC-48
ó más altas velocidades ópticas empleadas en un DWDM, tendrán un papel en el anillo de acceso y,
además, que se recurra a tecnologías como WDCS.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
77
En SONET el canal-de-comunicación-de-datos DCC, es equivalente a incorporar una LAN entre
elementos de una red existente. Esto permite que elementos de redes remotas se comuniquen vía
la existente red telefónica, reemplazando la necesidad de disponer de una red de datos, entre elementos de red. Como el DCC aumenta su aceptación y ha sido ampliamente utilizada por los operadores para aumentar los rendimientos de sus redes, el WDCS debe ser capaz de adaptarse a estos nuevos requerimientos. Debe ofrecer mayor flexibilidad, migrando a nuevas tecnologías y con
rápidos cambios de actualización.
Un ejemplo de ello es él poder absorber el impacto de los servicios de datos sobre la red existente.
Sin embargo, continuará el ofrecimiento de una renovada generación de circuitos alquilados T1 que
emplean TDM. Por lo tanto, deberá haber la coexistencia de redes superpuestas. No obstante este
planteo, una por lejos, más simple y más eficiente solución podrá ser provista por un elemento de
red que provea ambas funciones, para la tradicional TDM y para las nuevas de conmutación en paquetes.
Es muy importante el avance de GigaEthernet. Asimismo, se hace común el empleo de circuitos
TDM, sobre un punto a punto estándar, de enlace Ethernet. Por otra parte, es innegable la primacía
de IP, comparada a cualquier otra técnica de acceso o transporte. Entonces, siempre se deberá tener en cuenta implementar elementos de red que posibiliten los servicios tanto en TDM, como en
IP, sobre Ethernet. Evidentemente, será necesario un WDCS híbrido, con manejo de TDM y conmutación en paquete.
Si el WDCS no provee este nivel de funcionalidad, será anticuado y se descartará cuando prevalezca la conmutación por paquete en el corazón de la red, como en su borde.
A. 7. 17. Elementos de la PON
En la idea de una red enteramente óptica. Como vimos llamadas PON ú OO, parte de la premisa
económica de reducir pasos de operación y de los tiempos de maniobra. Los conmutadores optomecánicos operan sobre un ancho rango de longitudes de onda, con baja pérdida de inserción y diafonía, a bajo costo. Sin embargo, la máxima velocidad de operación disponible es de 10 microsegundo, en contraste con la máxima obtenida por elementos totalmente ópticos, en el rango del nanosegundo.
Se han creado a ese fin gran variedad de implementos ópticos. Se obtuvo el denominado, conmutador micro electromecánico MEMS, y mediante materiales piezoeléctricos se elaboró el conmutador
micro óptomecánico MOEM.
Los MOEM redireccionan el trazado del haz luminoso desde una fibra óptica a otra, cambiando la
orientación de espejos o de membranas metálicas en guías de onda ópticas plana. Estas guías de
onda ópticas se crean basándose en la tecnología de silicato sobre silicio o polímero sobre sustrato.
Las guías de onda de polímero alteran el índice de refracción, conmutando el haz de luz por efecto
de calor o de un campo eléctrico.
A. 7. 17. 1. Cross connect y conmutadores (OXC, WXC y MEMS)
La demanda por servicio de Internet desencadena el crecimiento exponencial de las redes. Este incremento se solventa en la red de acceso mediante topologías HFC, en redes de fibra y pares trenzados, con empleo de xDSL, o redes de fibra y coaxiales, empleando cables módem. Por otra parte,
se podrá disponer una red totalmente óptica. Para logra esta última topología de red, se requirió un
conmutador óptico eficiente, tal como el cross connect ópticos OXC, seguido luego del WXC.
La primera generación de OXC fue representada por los primitivos W-DCS (Wideband-Digital Cross
Connect) y los B-DCS (Broadband-Digital Cross Connect). Estos han sido desarrollados como interfaz para soportar tráfico tributario y estaba basados en sistemas múltiples electrónicos, operando en
forma óptica-eléctrica-óptica OEO. Posteriormente se introdujo el WXC diseñado para constituir una
red óptica pasiva PON. Estos cross connect pueden trabajar sobre la base de una matriz eléctrica u
óptica.
78
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
Con matrices eléctricas se prosigue con el empleo de sistemas tipo OEO, mientras que con matrices ópticas el proceso es fotónico, aunque también se emplee una parte externa de apoyo eléctrica.
1ª, 2ª y 3º Generación ópticas:
Podemos inferir que se han desarrollado hasta le momento, tecnologías ópticas diferenciadas con
de tres generaciones. Esto se aprecia tanto para los equipos SONET /SDH, sistemas WDM, distribuidores (Cross Conect), sus complementos y aplicaciones.
Esta evolución se ha debido principalmente a la alta presión ejercida, en la necesidad de satisfacer
la alta demanda de tráfico de datos, ampliando las capacidades para poder sustentar las nuevas
aplicaciones.
La primera generación ha aliviado la exhausta fibra mediante SONET /SDH, combinando con WDM
múltiples longitud de onda sobre una simple fibra, en una lineal configuración. La cantidad de canales es pequeña, solo algo mayor a 16 canales. La segunda generación ya introdujo DWDM en la red
metro, multiplicando esa cantidad de canales por 10. Se introduce el OADM estático. Provee interfaz de múltiples servicios en GigaEthernet, ESCON y SONET /SDH. Aún posee limitaciones de capacidad, escalabilidad, costos y gestión. La conmutación entre anillos es primero centralizada.
Un OXC requiere demultiplexar y multiplexar muchas fibras, y efectuar las conversiones eléctricas
por cada longitud de onda individual, lo que demanda alto costo, espacio y requerimientos de potencia. Debido al cúmulo de estándares (propuesta por los fabricantes) para la interconexión óptica
de múltiples longitudes de onda, proporcionaba limitaba la escalabilidad para cada solución. Así la
conmutación de gran cantidad de puertos (1000 x 1000), entre anillos, resulta fundamentalmente en
muy altos costos.
La tercera generación permite ofrecer alta cantidad de canales y una más sofisticada performance
de monitoreo sobre un par básico de longitud de onda. Filtros y Láseres sintonizables y tarjetas multi interfase permiten un eficiente y rápida gestión de longitud de onda, para una plataforma todo
óptico, dinámicamente configurable. El Cross Conect WXC elimina la necesidad de demultiplexar y
multiplexar la señal individual de longitud de onda y no se requiere ningún transponder ópticoeléctrico-óptico. Las longitudes de onda pueden ser ruteadas dinámica e independientemente, desde cualquier puerto de entrada o de salida. Se aplican para la red metro, todas las tecnologías
DWDM en plataforma “todo óptico”, así como las memorias de almacenamiento SAN.
La habilidad para ofrecer una rápida respuesta a las solicitudes de nuevos servicios y la posibilidad
e cambios de capacidad según tipo de servicio. Las redes DWDM escalables en conmutación de
longitud de onda, tanto en áreas metro o regionales, interconectan anillos y mallas lógicas. A la par
que se optimizan los conmutadores WXC, se introducen los routers sintonizables en longitud de
onda y los OADM en configuración dinámica y gestión software.
Matriz fotónica
El OXC está construido con un determinado número de puertos de entrada /salida (I/O). Con una
matriz fotónica, se pueden usar mezcladas distintas tarjetas de puertos I/O. Un trayecto a través de
la matriz, puede ser usado para soportar señales ópticas a 2 Gb/s, mientras un trayecto adyacente
de la misma matriz, podrá soportar una velocidad de 40 Gb/s. De tal forma variando solo las tarjetas
de I/O, se puede constituir un sistema que maneje 512 OC-48, con un umbral en Terabits, o un sistema que soporte 512 OC-768, con un umbral de 20 Terabit.
La matriz fotónica la podemos diferenciar en tres categorías. La primer categoría está basada en la
tecnología denominada de dos dimensiones 2D MEMS, la segunda en la tecnología "bubble" (borboteo) y la tercera en la tecnología de tres dimensiones 3D MEMS.
El 2D MEMS consiste en un minúsculo espejo de plano inclinable. La señal electrónica, controla los
ángulos de inclinación del espejo, lado-lado y arriba-abajo. Pequeños cambios en la señal de control
permite alterar el recorrido de la señal óptica que toma a través del componente óptico. La tecnología "bubble", emplea señal eléctrica para calentar un transparente fluido produciendo el efecto de
burbujeo.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
79
La señal óptica rebota en ese fluido, según el burbujeo en diferentes ángulos, atravesando el componente óptico. Por la complejidad de estos sistemas, espejos en el 2D MEMS y burbujeo en el
"bubble", los mismos están limitados a capacidades de 32 x 32 puertos.
El sistema 3D MEMS tiene considerable diferencia respecto a las anteriores categorías. Se emplean
más de un elemento reflectivo en cadena, para que deflexione y conmute el haz de luz al puerto de
salida deseado. Este método puede escalar miles de puertos con bajas pérdidas y alta performance.
Su desventaja radica en su complejo conjunto de espejos (Fig. 80).
2D MEMS
3D MEMS
Fig. 80 - Sistemas 2D MEMS y 3D MEMS
En la consideración de los conmutadores ópticos, podremos nombrar el presentado por la firma Sycamore Networks, la que indicó la disponibilidad de su SN 16000 conmutador óptico inteligente. Este conmutador óptico dispone una alta densidad, capaz de escalar hasta una configuración 1024 x
1024 OC-48/STM-16. Corrientemente trabaja con una matriz de conmutación de 512 x 512 OC-48
/STM-16 ó en 128 x 128 OC-192 /STM-64.
A. 7. 17. 2. Amplificador óptico semiconductor (SOA)
El amplificador óptico semiconductor SOA (Semiconductor Optic Amplifier), puede ser usado como
conmutador o modulador externo. El conmutador SOA está basado en compuestos de galio, arsénico, indio y fósforo operando por introversión de fotones a electrones. Emplea una de la más promisoria tecnología óptica es de cristal-líquido LC, cristal líquido, de alto rendimiento a bajo costo, para
aplicaciones como conmutación, routers de longitud de onda, atenuadores, etc., en modalidad
analógica o digital. Su alta constante de acoplamiento electroóptica, es millones de veces mayor
que la de una guía de onda plana.
La conmutación con componentes LC se basan en la polarización de divisor óptico como elemento
pasivo y celda LC como elemento activo. El divisor polarizador es un cristal birrefringente. La celda
LC funciona como polarizador rotador. Si se aplica un potencial eléctrico a la celda LC, un haz de
luz incidente de un dado fase polarizada, pasa a través de la celda sin cambiar la polarización. En
cuanto el potencial eléctrico es suspendido, la polarización del haz incidente es cambiada a una ortogonal, produciendo su deflexión. Estos componentes son transparentes a distintas protocolos como ser IP, ATM o SONET /SDH, lo que permite efectuar valiosos ahorros en los sistemas.
A. 7. 18. Parámetros ópticos típicos
Nos extenderemos considerando a ciertas características peculiares de las fibras ópticas, recapitulando primero algunos parámetros fundamentales para la transmisión óptica:
Ancho espectral del emisor:  [nm]
Para emisor LED
Para emisor LD
10 á 55 nm
2 á 2.5 nm
Coeficiente cromático: D () [ps / Km nm]
1ª ventana = 8 á 10
2ª ventana = 0.15 á 0.4
3ª ventana = 15 á 20
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
80
Dispersión cromática: Dc (L) [ns / Km]
LED en 1ª ventana
LED en 2ª ventana
80 á 3550
15 á 22
LD en 1ª ventana
LD en 2ª ventana
16 á 25
0.3 á 1
ATENUACIÓN ADMISIBLE (dB / Km)
fibra monomodo - cable instalado
Ventana
1ª
 (nm)
850
Atenuación ( dB / Km )
0.90 máx.
2ª
1300
0.40 máx.
3ª
1550
0.30 máx.
Tracción PEAP ≤ 240 Kg. Elongación 0.36%
PKP 320 Kg. Elongación 0.36%
Radio de Curvatura = 10 veces el diámetro del cable
Resistencia al aplastamiento 600 Kg. (sin pérdidas superiores a 0.1 dB
100 Kg. (sin deformaciones en la cubierta)
Temperatura - 20 ºC á +70 ºC
Peso referencial: cable desde 24 hasta 60 fibras = 500 Kg /Km
Índice del medio incidente
agua / aire
cuarzo (S1O2) / aire
vidrio / aire
n1
1.333
1.544
1.46 – 1.9
Índice de un medio refractante n2
aire - luz violeta 380 nm
aire - luz roja 780 nm
1.0002957
1.0002914
La primera ventana al tener la mayor atenuación, se la utiliza solo con fibras multimodo y para longitudes cortas. La segunda ventana tiene un ancho de 18 THz (1012 Hz) y la tercera 12.5 THz. Se utiliza mayormente la tercera ventana, pues dispone del menor valor de atenuación, se aplica en fibras
monomodo para cubrir grandes distancias sin emplear repetidores. Suponiendo una eficiencia de 1
Hz = 1 bit, se obtendría en segunda y tercer ventana el formidable ancho de banda de 30.5 Tb/s.
A. 7. 18. 1. Longitud de onda de corte
La longitud de onda de corte, es un parámetro de transmisión que depende no solo del diseño de la
fibra sino también del diseño del cable. Durante la medición de verificación los datos obtenidos dependerán del procedimiento de medición, longitud del cable y de las condiciones del ensayo.
El objetivo será que los enlaces de fibra óptica operen en forma multimodal, creando limitación del
ancho de banda y penalización por ruido modal. La longitud de onda de corte resultante, para la
menor distancia entre empalmes debe ser menor que la longitud de onda de operación del sistema.
Si la especificación fija longitud de onda de corte de fibra cableada cc < 1260 nm, permite trabajar
en segunda y tercer ventana. Este requisito comprende cualquier tipo de estructura de cable, incluyendo cables de soporte ranurado, de fibra suelta, en cintas (ribbon) o cables monofibras.
Se estudia las causas de la atenuación y dispersión en la propia fibra óptica. Sin embargo, en una
red óptica, se debe considerar todos los elementos constituyentes, cable, empalmes, terminales,
conectores, etc. Por ello, los cálculos teóricos sirven a la adquisición de los materiales y diseño de
la red, pero es primordial la medición de los distintos parámetros de la red en su conjunto.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
81
Hemos tratado la longitud de onda de corte, en el análisis de la fibra óptica. Sin embargo, es un
parámetro de transmisión que depende no solo del diseño de la fibra sino también del diseño del
cable. Durante la medición de verificación los datos obtenidos dependerán del procedimiento de
medición, longitud del cable y condiciones del ensayo.
El objetivo será que los enlaces de fibra óptica operen en forma multimodal, creando limitación del
ancho de banda y penalización por ruido modal. La longitud de onda de corte resultante, para la
menor distancia entre empalmes debe ser menor que la longitud de onda de operación del sistema.
Si la especificación fija longitud de onda de corte de fibra cableada cc < 1260 nm, permite trabajar
en segunda y tercer ventana. Este requisito comprende cualquier tipo de estructura de cable, incluyendo cables de soporte ranurado, de fibra suelta, en cintas (ribbon) o cables monofibras.
A. 7. 18. 2. Dispersión por retardo de modo diferencial
Los LED al ser de bajo costo, se emplean en cableados para edificios, hasta unos 600 Mb/s acompañados de fibras multimodo. Si se quieren velocidades mayores se usa Láser con fibras monomodo. Sin embargo, para las redes Gigabit Ethernet, se quiso emplear el método usado en el sistema
Fiber Channel, donde se aprovechan emisores Láser con fibras multimodo, pero para cortas longitudes de red.
Al ser las redes con fibras ópticas multimodo muy extendidas, se quiso usar tal método. Al querer
usar éste para redes con longitudes mayores, se manifestó un nuevo fenómeno hasta entonces
desconocido, al que se le denominó dispersión por retardo de modo diferencial. Tal fenómeno tenía
el efecto de ensanchar el pulso luminoso, en forma proporcional a la distancia recorrida. Ello reducía
la longitud máxima de la red, a valores permisibles menores que los esperados.
Finalmente se estandarizaron dos sistemas el 1000Base-SX y el 1000Base-LX. En el sistema
1000Base-SX, con la S se indicaba short wavelength o de primera ventana y en el sistema
1000Base-LX, con la L se indicaba long wavelength o de segunda ventana. El SX funciona solamente en con fibra multimodo (50 /125 ó 62.5 /125), mientras que el LX puede utilizar ambos tipos,
multimodo o monomodo.
Descrito en forma sencilla, el fenómeno de dispersión por retardo de modo diferencial, consiste en
que cuando el rayo Láser llega a la fibra, al ser ésta más ancha que el haz, se generan haces de luz
secundarios que van rebotando por las paredes al avanzar por la fibra.
Los rebotes no son iguales para todas lo haces, lo que provoca trayectos diferentes y en la recepción pulsos más anchos. El ensanchamiento es mayor cuanto mayor es la distancia recorrida,
además a mayor velocidad de transmisión menos ensanchamiento puede tolerarse, ya que un pulso
se solaparía con el siguiente. Luego, la dispersión por retardo de modo diferencial, es proporcional a
la distancia e invernalmente proporcional a la velocidad de transmisión de los pulsos.
Se dispone un parámetro característico de las fibras que mide esta limitación y que se conoce como
ancho de banda modal. El mismo se mide en MHz Km. Por ejemplo, con un ancho de banda de 1
GHz Km, podemos enviar como máximo un millón de pulsos por segundo a una distancia de 1 Km,
o medio millón a 2 Km.
Los factores principales que influyen en el ancho modal de la fibra son: el diámetro del núcleo de la
fibra, la longitud de onda y la calidad de la fibra. Los catálogos de los fabricantes suelen especificar
para cada tipo de fibra el ancho de banda nodal.
A. 7. 18. 3. Alinealidades de la fibra
La mayoría de los amplificadores EDFA presentan buena linealidad y bajo valor de la figura de ruido, tal que la carga útil de los canales de CATV sufre mínima degradación. Sin embargo con la capacidad de los EDFA de amplificar múltiples longitudes de onda, se provoca la interacción de las
señales con la fibra produciendo cierta alinealidad que afectan al rendimiento del sistema. Las alinealidades de la fibra se clasifican en, dispersión estimulada o fluctuación de índices de refracción.
82
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
Dispersión Estimulada
La dispersión estimulada no lineal tiene lugar en sistemas modulados por intensidad, cuando las
señales ópticas interactúan con ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la fibra de silicio,
que provocan la dispersión de la luz cambiándola a una longitud de onda más larga. Hay dos formas
de dispersión estimulada no lineal, SBS de Brillouin y de SRS o de Raman.
La dispersión estimulada no lineal de Brillouin SBS (Stimilated Brillouin Scattering), es una interacción entre ondas acústicas y de luz en la fibra. Algunos de los rayos lumínicos propagados hacia delante se dirigen hacia atrás, robando potencia de luz y limitando la potencia óptica. Este efecto se
limita, modulando la fuente de Láser con una señal senoidal pequeña para aumentar su umbral de
energía.
El SBS impone un límite superior a la cantidad de la potencia óptica útil que puede ser difundida por
una fibra óptica. Con el SBS se tiene un umbral de potencia óptica, cuando este umbral es excedido, es cuando una importante fracción de la luz transmitida es redireccionada hacia atrás. Esto datos por resultado una saturación de la potencia óptica que alcanza al receptor, debido a señal óptica
reflejada en el Láser. Este proceso origina también ruido en el sistema degradando la relación señal
ruido CNR.
El control de SBS es particularmente importante en transmisión de alta velocidad que emplean modulación externa y opera con fuente de Láser con onda continua. Esto es de vital importancia en la
transmisión de señales de CATV en 1550 nm, ya que estos transmisores tienen frecuentemente las
características de originar el efecto SBS.
La dispersión estimulada de Raman SRS (Stimulated Raman Scattering), es una iteración entre la
luz y las vibraciones moleculares de la fibra. El SRS dispersa la luz en ambas direcciones, la energía hacia atrás puede ser eliminada utilizando aisladores ópticos.
Fluctuación de índices de refracción
Aunque el índice de refracción de las fibras de silicio permanece constante a un bajo nivel de potencia óptica, las altas potencias obtenidas con EDFA, pueden modular el índice con las varias intensidades ópticas de las señales transmitidas.
Los efectos de fluctuación de índices de refracción no lineales se clasifican como, automodulación
de fase SPM, modulación de fase cruzada CPM o automodulación por mezcla de cuatro ondas
FWM.
La automodulación de fase SPM (Self Phase Modulation), se refiere al efecto que un pulso tiene en
su misma fase. El perfil de un pulso óptico representa una intensidad del mismo, el que varía en su
desplazamiento por la fibra relacionado a una variación de su índice de refracción según su trayectoria por la misma.
El índice de refracción al variar en ese tiempo, modula la fase de la longitud de onda transmitida y
ello ensancha el espectro de la longitud de onda del pulso óptico transmitido.
Si este efecto es severo, el ensanchamiento podrá provocar el solapamiento con los canales adyacentes de un sistema modulado en longitudes de onda, DWDM. Además cuando se combina con la
dispersión cromática el ensanchamiento del espectro produce el ensanchamiento del pulso. Este
efecto se podrá reducir utilizando fibras con dispersión cromática baja o cero.
La modulación de fase cruzada CPM ó XPM (Cross Phase Modulation), es similar al efecto SPM,
pero mientras que en éste los efectos se relacionan sobre si mismo, es decir interacciones dentro
de un mismo canal, en el CPM se refiere a los efectos de un pulso sobre pulsos de otros canales.
El efecto SPM está presente tanto en sistemas de canales únicos como en canales múltiples, mientras que el efecto CPM actúa solo en sistemas múltiples.
ANEXO 7 – PLANTA EXTERNA
83
La automodulación como mezcla de cuatro ondas FWM (Four Wave Mixing), también denominada
mezcla de cuatro fotones, es la mezcla de 2 ó 3 longitudes de ondas ópticas para producir una longitud de onda nueva. En los sistemas de dos canales, una modulación de intensidad en la frecuencia de pulsación modula el índice de refracción de la fibra, para producir una modulación de fases a
la frecuencia de la diferencia. Esta modulación de fases genera nuevas longitudes de ondas.
En los sistemas DWDM con canales espaciados los productos de las mezclas pueden caer en otros
canales y producir errores de bit. Varias son las soluciones de diseño a fin de aminorar estos efectos. Reducir el espaciamiento entre EDFA, permitiendo disminuir los niveles de ener-gía óptica, pero
utilizando mayor cantidad y amplificadores en la línea. Otro método será aumentando el espaciamiento entre canales o la elección de espaciamientos desiguales de canales. También la correcta
elección de las fibras podrá optimizar el sistema óptico.
A. 7. 18. 4. Pérdidas de retorno y ruido interferométrico
Al evaluar el desempeño de un sistema óptico, se advierte la importancia de los efectos de reflexión
existentes en un enlace óptico. Los sistemas de transmisión analógicos son particularmente sensibles a la presencia de las reflexiones, básicamente al deterioro de la relación de la señal de portadora del canal al ruido C/N (Canal/Noise).
Las causas de reflexión pueden dividirse en dos grupos, las debidas a reflexiones distribuidas y a
reflexiones puntuales.
Las reflexiones distribuidas son dadas en origen a las pequeñas inhomogeneidades propias de la
fabricación de la fibra óptica, principio de la Difusión de Rayleigh. El factor relativo al ruido RIN (Relative Intensity Noise) es creado por interferencias causadas por efectos de dispersión de Rayleigh.
En sistemas análogos estas reflexiones interfieren en la correcta propagación de la luz. Las fibras
que incorporan el factor RIN tiene el principal limitante de los alcances de los enlaces con amplificadores multicanales análogos. Reflexiones de retorno en la planta de fibra pueden hacer rápidamente
inusable la señal.
Las reflexiones puntuales se deben a las discontinuidades que encuentran el haz luminoso en los
puntos de conexión fibra - fibra, ya fuese en empalmes como en conectores. En éstos, una pequeña
parte de la potencia lumínica incidente es reflejada hacia atrás y guiada de regreso hacia el emisor.
La proporción de potencia lumínica reflejada se denomina refrectancia de la interfaz:
R (dB) = 10 log Pr / Pi
Donde Pr es la potencia reflejada y Pi la potencia incidente. La relación inversa se denomina pérdida de retorno.
Los elementos intervinientes podrán ser los conectores, empalmes de fusión o mecánicos, divisores
(splitter), acopladores o el receptor. Se deberá también considerar las pérdidas de los conectores
utilizados en los acopladores, divisores y/o en el receptor. De acuerdo con el elemento incidente se
obtendrá un valor de pérdida de retorno. Intervienen así mismo el tipo de pulido, corte efectuado en
la fibra óptica y la ubicación de las conexiones.
La ubicación, por ejemplo de los empalmes mecánicos, en instalaciones aéreas, se ve afectada por
las considerables variaciones de la temperatura ambiente. Debido a que los empalmes mecánicos
requieren un gel igualador del índice de refracción, a fin de eliminar la discontinuidad al pasar el haz
de luz de una fibra a otra. El índice de refracción a ese fin debe ser igual al de las fibras, sin embargo al variar la temperatura, varía la pérdida de retorno en la conexión.
En instalaciones subterráneas estas variaciones de temperatura son menores, luego se puede ajustar mejor las pérdidas de retorno.
84
Ing. Oscar Szymanczyk / junio 2014
En los sistemas analógicos el fenómeno que afecta realmente su funcionamiento es en realidad el
de dobles reflexiones. Podemos identificar tres tipos de dobles reflexiones:
1)
La potencia retrodispersa en la fibra es nuevamente retroalimentada en su camino de retorno,
produciendo el fenómeno de doble reflexión distribuida o retroesparcimiento de Rayleigh, que
afecta al receptor.
2)
La potencia reflejada en el segundo punto de conexión es enviada al primer conector y luego
nuevamente reflejada en el segundo, afectando al receptor.
3)
La potencia reflejada por un conector es retrodispersada por la fibra y enviada nuevamente al
receptor, al mismo tiempo la potencia retroesparcida por la fibra es reflejada en un punto de
conexión y enviada nuevamente al receptor.
Llega entonces al receptor con la señal útil la potencia proveniente de múltiples reflexiones producidas a lo largo del trayecto del enlace. Esta potencia se comporta como ruido y se conoce como ruido interferométrico. Al cociente entre la suma de todas las dobles reflexiones y la potencia útil se
denomina refrectancia interferométrica.
---ooo0ooo---