FACTORES
QUE LIMITAN LA TRANSMISIÓN EN REDES DE FIBRA ÓPTICA
1. INTRODUCCIÓN
El eje central global del sistema de
telecomunicaciones está constituido por las fibras ópticas. Las fibras ópticas
son filamentos de cristal, cuyo grosor es inferior al de un pelo humano, estos
fueron diseñados para poder transmitir grandes cantidades de datos en forma de
luz, y precisamente fue esta una de las granes características, que es poder
transmitir grandes cantidades de datos a grandes velocidades y distancias.
Las fibras se componen básicamente por tres
estructuras concéntricas: núcleo (core), revestimiento (cladding) y
recubrimiento (buffer). Se las puede clasificar en tres tipos:
a) Multimodo de índice escalonado.
b) Multimodo de índice gradual.
c) Modo único o monomodo.
Pero también las velocidades de transmisión de las
redes de fibra se ven limitadas por diferentes factores, como la distancia del
enlace, los tipos de cables, tipo de fibra y factores extrínsecos.
Existen factores que se deben tomar en cuenta en
sistemas WDM donde las velocidades superan los 40 Gbps. Estos son:
a) Atenuación
b) Dispersión cromática
c) Polarización del modo de dispersión
2.
ATENUACIÓN
Un factor importante que se debe tomar en cuenta en un
cable de fibra óptica es la pérdida de la potencia. Se denomina atenuación a la
perdida de la potencia, y se describe como una pérdida de potencia de la onda luminosa
al atravesar el cable de fibra. La atenuación tiene varios efectos adversos
sobre el funcionamiento, que incluyen la reducción del ancho de banda del
sistema, la eficiencia, la rapidez de transmisión y la capacidad general del
sistema.
La fórmula que expresa la perdida total de
potencia en una fibra es:
Dónde: A(dB) = Pérdida de la potencia (Atenuación)
Pout
= Potencia de entrada del cable (watts)
Pin = Potencia de entrada al cable (watts)
En general, las fibras multimodo tienden a tener
mayores pérdidas de atenuación que los cables monomodo, debido principalmente a
la mayor dispersión de la onda luminosa, producida por las impurezas. A
continuación se muestra la potencia de salida como porcentaje de la potencia de
entrada para un cable de fibra óptica a distintos valores de pérdida en dB. Un
cable con pérdida de 3dB reduce la potencia de salida a 50 % de la potencia de
entrada.
Figura 1
Porcentaje de potencia de salida de la pérdida en dB
Pérdida (dB)
|
Potencia de salida (%)
|
1
|
79
|
3
|
50
|
6
|
25
|
9
|
12.5
|
10
|
10
|
13
|
5
|
20
|
1
|
30
|
0.1
|
40
|
0.01
|
50
|
0.001
|
Fuente: Tomasi,
W. (2003). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas (Cuarta Edición). Mexico
Recopilación:
14/05/2013
Aunque la pérdida total de potencia es de principal
importancia, la atenuación de un cable óptico se expresa, en general, en dB de
pérdida por unidad de longitud. La atenuación se representa con un valor
positico de dB, porque por definición es una pérdida. La potencia óptica, en
Watts, medida a determinada distancia a una fuente de potencia, se puede
calcular con la siguiente ecuación.
Dónde: P = valor de la potencia (Watts)
Pt
= valor de la potencia de transmisión (Watts)
A = pérdidas de potencia en el cable
(dB/Km)
l =
longitud del cable (Km.)
De igual manera, la potencia óptica, en decibelios, es:
Dónde: P = valor de la potencia (Watts)
Pt
= valor de la potencia de transmisión (Watts)
A = pérdidas de potencia en el cable
(dB/Km)
l =
longitud del cable (Km.)
De igual manera, la potencia óptica, en decibelios, es:
En la que P = valor medido de la potencia (dBm)
P(in)
= potencia de transmisión (dBm)
A =
pérdidas de potencia en el cable (dB/Km)
Sabiendo cómo se define la atenuación es importante
conocer los mecanismos por los que ésta se produce. Estos mecanismos dependen
de la composición de la fibra, la técnica de la reparación y grado de pureza
del material y la estructura de la fibra. Se dividen en áreas que incluyen la
absorción del material, la dispersión del material (dispersión lineal y no
lineal), pérdidas por curvaturas y microcurvaturas y pérdidas por acoplamiento
hacia modos permitidos o con pérdidas. Estas pérdidas se pueden reducir en:
Figura 2 División
de la atenuación según el factor que la produce
Fuente:
Propia
Elaborada:
14/05/2013
2.1.1.
PÉRDIDAS POR ABSORCIÓN
La pérdida por absorción en las fibras ópticas es
análoga a la disipación de potencia en los cables de cobre; las impurezas en la
fibra absorben la luz y la convierten en calor. El vidrio ultrapuro que se usa
para fabricar las fibras ópticas tiene, aproximadamente, 99.9999 % de pureza. Sin
embargo, son normales las pérdidas por absorción de 1 a 1000 dB/Km. En esencia,
hay tres factores que contribuyen a las pérdidas por absorción en las fibras ópticas:
a) Absorción
ultravioleta. La absorción se
produce por los electrones de valencia en el material silíceo con el que se
fabrican las fibras. La luz ioniza los electrones de valencia y los pasa a la
capa de conducción. La ionización equivale a una pérdida en el campo luminoso
total y en consecuencia contribuye a las pérdidas de transmisión en la fibra.
b) Absorción
infrarroja. Es un resultado
de los fotones de luz que son absorbidos por los átomos de las moléculas del
núcleo de vidrio. Los fotones absorbidos se convierten en vibraciones mecánicas
aleatorias, características del calentamiento.
c) Absorción
por resonancia de iones. Esta
absorción se debe a los iones OH- en el material. La fuente de los
iones de OH- son moléculas atrapadas en el vidrio durante el proceso
de fabricación. La absorción de iones también se debe a la presencia de moléculas
de hierro, cobre y cromo.
Fuente:
Tomasi, W. (2003). Sistemas de Comunicaciones
Electrónicas (Cuarta Edición). México
Recopilación:
14/05/2013
2.1.2.
PÉRDIDAS EN MATERIAL O POR DISPERSIÓN DE RAYLEIGH
Durante el proceso de manufactura, el hilo se trefila
formando fibras largas de un diámetro muy pequeño. Durante proces, el vidrio se
encuentra en un estado plástico; ni solido ni líquido. La tensión aplicada al
vidrio durante ese proceso hace que en el enfriamiento se desarrollen irregularidades
submicroscópicas, que se incorporan a la fibra en forma permanente. Cuando los
rayos de luz se están propagando por una fibra chocan con una de esas
impurezas, se difractan. La difracción hace que la luz se disperse o se abra en
muchas direcciones. Algo de la luz difractada continua recorriendo la fibra, y
algo escapa a través del revestimiento. Los rayos luminosos que salen
representan una pérdida de potencia. A todo esto se le llama perdida por
dispersión de Rayleigh.
Figura
4 Pérdida por dispersión de Rayleigh
Fuente: Tomasi, W.
(2003). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas (Cuarta Edición). México
Recopilación: 14/05/2013
2.1.3. DISPERSIÓN CROMÁTICA O DE
LONGITUDES DE ONDA
La definición de dispersión cromática en fibra óptica se
refiere a la deformación o retardo espectral de un pulso óptico que se propaga
por la fibra óptica. El coeficiente de dispersión de la fibra óptica
convencional es positivo. Esto se refiere a que teniendo grandes longitudes de
onda se conseguirá un mayor tiempo de transito comparado con longitudes de
ondas menores. Esta diferencia de tiempo ocasiona que el pulso se deforme.
Fuente: http://lafibraopticaperu.com/la-dispersion-cromatica-en-la-fibra-optica/
Recopilación: 14/05/2013
El índice de refracción de un material depende de la
longitud de onda. Los diodos emisores de luz (LED) emiten luz que contiene una
combinación de longitudes de onda. Cada una de ellas, en la señal de luz compuesta,
viaja a distinta velocidad. En consecuencia, los rayos de luz que emite al
mismo tiempo un LED y se propagan por una fibra óptica no llegan al extremo
opuesto al mismo tiempo. Esto da como resultado una señal recibida distorsiona;
la distorsión se llama distorsión cromática. Se puede eliminar usando una
fuente monocromática, como por ejemplo un diodo laser de inyección (ILD). La dispersión
cromática o de longitudes onda sólo se presenta en fibras con transmisión
unimodal.
Figura 6 Propagación de la luz
por una fibra multimodal de índice escalonado
Fuente: Tomasi, W.
(2003). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas (Cuarta Edición). México
Recopilación: 14/05/2013
En una transmisión digital, el pulso está formado por
una serie de longitudes de ondas, estas se viajan a diferentes velocidades
dependiendo de las propiedades del medio (vidrio).
En aquellos tramos largos la dispersión cromática da
como resultado pulsos que pueden deformarse de tal manera que se sobresolapan,
causando interferencia inter-simbólica, en el receptor que se ve incrementado
la tasa de error.
Figura 7 Ejemplo de interferencia
inter - simbólica
Fuente: http://lafibraopticaperu.com/la-dispersion-cromatica-en-la-fibra-optica/
Recopilación: 14/05/2013
2.1.4 PÉRDIDAS POR RADIACIÓN
Las pérdidas por radiación se deben principalmente a
pequeños cambios de dirección y dobleces de la fibra. En esencia hay dos tipos
de dobleces: el micro-dobleces y los dobleces con radio constante. El
microdoblamiento se debe a diferencias en las velocidades de contratación térmica
del núcleo y del material de revestimiento. Un microdoblez es un doblez o
imperfección geométrica en miniatura del eje de la fibra, que representa una
discontinuidad en ella en donde puede presentarse la dispersión de Rayleigh.
Las pérdidas en microdobleces en general constituyen menos de 20% de la
atenuación en una fibra. Los dobleces de radio constante se deben a demasiada
presión y tensión y, en general, se presentan cuando se doblan las fibras
durante su manejo o instalación.
2.1.4. DISPERSIÓN MODAL
La dispersión modal, o ensanchamiento del pulso se
debe a la diferencia en los tiempos de propagación de rayos de luz que van por
diferentes trayectorias en una fibra. Es obvio que la dispersión modal sólo
puede presentarse en las fibras multimodales. Se pueden reducir en forma
considerable usando fibras de índice graduado, y se puede eliminar casi con el
uso de fibras unimodales de índice escalonado.
2.1.5. PÉRDIDAS EN ACOPLAMIENTO
En los cables de fibra pueden presentarse pérdidas por
acoplamiento en cualquiera de los tres tipos de uniones ópticas: conexiones de
fuente luminosa a fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector. Las pérdidas en las
uniones se deben, con más frecuencia, a uno de los siguientes problemas de
alineación; desalineamiento lateral, desalineamiento de entrehierro,
desalineamiento angular y acabaos superficiales imperfectos.
Figura 8 Ensanchamiento del pulso
en transmisiones digitales: a) UPRZ, b)
Fuente: Tomasi, W.
(2003). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas (Cuarta Edición). México
Recopilación: 14/05/2013
Figura 9 defectos en el alineamiento
de las fibras: a) Desalinemiento lateral; b) Desalineamiento de entrehierro; c)
Desalineamiento angular; d) Acabado Superficial
Fuente: Tomasi, W.
(2003). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas (Cuarta Edición). México
Recopilación: 14/05/2013
2.2. POLARIZACIÓN POR EL MODO DE
DISPERSIÓN
El fenómeno de absorción e irradiación subsiguiente se
denomina dispersión o Scattering. Puede comprobarse la existencia de la
dispersión si se hace pasar un haz de luz a través de un recipiente con agua a
la que se ha añadido una pequeña cantidad de leche en polvo. Las partículas de
leche absorben la luz y vuelven a radiar. Haciendo visible el haz de luz. De forma
análoga, pueden hacerse visibles los haces de laser introduciendo partículas de
tiza o de humo en el aire para que dispersen la luz. Un ejemplo familiar de la
dispersión de la luz son la de las moléculas del aire, que tienden a dispersar más
las longitudes de ondas cortas que las largas, dando así al cielo con color
azul.
Podemos comprender la polarización de la dispersión si
consideramos a una molécula absorbente como una antena dipolar eléctrica que
radia ondas con una intensidad máxima en la dirección perpendicular al eje de
la antena y con intensidad cero en la dirección del eje de la propia antena. El
vector campo eléctrico de la luz dispersada perpendicular a la dirección de
propagación está contenido en el plano del eje de la antena y el punto campo. La
figura número 10 muestra un haz de luz inicialmente no polarizada que se mueve
a lo largo del eje z y que incide sobre un centro de dispersión (una molécula
por ejemplo) situado en el origen. El campo eléctrico del haz de luz tiene
componentes en las dos direcciones x e y perpendiculares a la dirección de
movimiento del haz de luz. Estos campos provocan oscilaciones de las cargas
interiores a las moléculas en el plano. Estos campos provocan oscilaciones de
las cargas interiores a las moléculas en el plano z = 0, pero no aparece
ninguna oscilación en la dirección z. Estas oscilaciones pueden considerarse
como una superposición de una oscilación a lo largo del eje x y otra a lo largo del eje y, cada
una de las cuales produce radiación dipolar.
Figura 10 Polarización por
dispersión de la luz
Fuente:
W. H. Freeman and company (2005). Fisica para la ciencia y tecnología
(5ta edición). New York
Recopilación: 14/05/2013
A continuación podremos observar una explicación sobre la atenuación en fibra óptica
BIBLIOGRAFÍA
LIBRO:
Tomasi, W. (2003). Sistemas de
Comunicaciones Electrónicas (Cuarta Edición). México.
W. H. Freeman and company (2005).
Fisica para la ciencia y tecnología (5ta edición). New York
PDF:
Luis Carlos Hinojosa Gomez.
Topicos selectos de fibra óptica. Universidad Autónoma del Estado Hidalgo.
