La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión de información de un lugar a otro mediante el envío de pulsos de luz infrarroja o visible a través de una fibra óptica . [1] [2] La luz es una forma de onda portadora que se modula para transportar información. [3] Se prefiere la fibra al cableado eléctrico cuando se requiere un gran ancho de banda , larga distancia o inmunidad a las interferencias electromagnéticas . [4] Este tipo de comunicación puede transmitir voz, video y telemetría a través de redes de área local o a largas distancias. [5]
Muchas empresas de telecomunicaciones utilizan la fibra óptica para transmitir señales telefónicas, comunicaciones por Internet y señales de televisión por cable. Los investigadores de Bell Labs han alcanzado un producto récord de ancho de banda-distancia de más de 100 petabit × kilómetros por segundo utilizando comunicación de fibra óptica. [6] [ se necesita una mejor fuente ]
Desarrollada por primera vez en la década de 1970, la fibra óptica ha revolucionado la industria de las telecomunicaciones y ha desempeñado un papel importante en el advenimiento de la era de la información . [7] Debido a sus ventajas sobre la transmisión eléctrica, las fibras ópticas han reemplazado en gran medida las comunicaciones por cable de cobre en las redes troncales del mundo desarrollado . [8]
El proceso de comunicación mediante fibra óptica implica los siguientes pasos básicos:
Las empresas de telecomunicaciones utilizan la fibra óptica para transmitir señales telefónicas, comunicaciones por Internet y señales de televisión por cable. También se utiliza en otras industrias, incluidas la médica, de defensa, gubernamental, industrial y comercial. Además de servir para fines de telecomunicaciones, se utiliza como guías de luz, para herramientas de obtención de imágenes, láseres, hidrófonos para ondas sísmicas, SONAR y como sensores para medir presión y temperatura.
Debido a su menor atenuación e interferencia , la fibra óptica tiene ventajas sobre el cable de cobre en aplicaciones de larga distancia y gran ancho de banda. Sin embargo, el desarrollo de infraestructura dentro de las ciudades es relativamente difícil y requiere mucho tiempo, y los sistemas de fibra óptica pueden ser complejos y costosos de instalar y operar. Debido a estas dificultades, los primeros sistemas de comunicación de fibra óptica se instalaron principalmente en aplicaciones de larga distancia, donde se pueden utilizar en toda su capacidad de transmisión, compensando el aumento del costo. Los precios de las comunicaciones por fibra óptica han bajado considerablemente desde el año 2000. [10]
Actualmente, el precio de desplegar fibra hasta los hogares se ha vuelto más rentable que el de desplegar una red basada en cobre. Los precios han caído a 850 dólares por suscriptor en Estados Unidos y a niveles más bajos en países como Holanda, donde los costos de excavación son bajos y la densidad de viviendas es alta. [ cita necesaria ]
Desde 1990, cuando los sistemas de amplificación óptica estuvieron disponibles comercialmente, la industria de las telecomunicaciones ha tendido una vasta red de líneas de comunicación de fibra interurbanas y transoceánicas. En 2002, se completó una red intercontinental de 250.000 km de cable de comunicaciones submarino con una capacidad de 2,56 Tb /s, y aunque las capacidades específicas de la red son información privilegiada, los informes de inversión en telecomunicaciones indican que la capacidad de la red ha aumentado dramáticamente desde 2004. [11] Como De 2020, se han desplegado más de 5 mil millones de kilómetros de cable de fibra óptica en todo el mundo. [12]
En 1880, Alexander Graham Bell y su asistente Charles Sumner Tainter crearon un precursor muy temprano de las comunicaciones por fibra óptica, el fotófono , en el recién creado Laboratorio Volta de Bell en Washington, DC . Bell lo consideró su invento más importante. El dispositivo permitía la transmisión de sonido a través de un haz de luz. El 3 de junio de 1880, Bell realizó la primera transmisión telefónica inalámbrica del mundo entre dos edificios, separados por unos 213 metros. [13] [14] Debido a su uso de un medio de transmisión atmosférico, el fotófono no resultaría práctico hasta que los avances en las tecnologías láser y de fibra óptica permitieran el transporte seguro de la luz. El primer uso práctico del fotófono se produjo en los sistemas de comunicación militares muchas décadas después. [15]
En 1954, Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany demostraron que la fibra de vidrio enrollada permitía la transmisión de luz. [16] Jun-ichi Nishizawa , un científico japonés de la Universidad de Tohoku , propuso el uso de fibras ópticas para las comunicaciones en 1963. [17] Nishizawa inventó el diodo PIN y el transistor de inducción estática , los cuales contribuyeron al desarrollo de la fibra óptica. comunicaciones. [18] [19]
En 1966, Charles K. Kao y George Hockham de Standard Telecommunication Laboratories demostraron que las pérdidas de 1.000 dB/km en el vidrio existente (en comparación con 5 a 10 dB/km en el cable coaxial) se debían a contaminantes que potencialmente podrían eliminarse.
La fibra óptica con una atenuación lo suficientemente baja para fines de comunicación (alrededor de 20 dB /km) fue desarrollada en 1970 por Corning Glass Works . Al mismo tiempo, se desarrollaron láseres semiconductores de GaAs que eran compactos y, por tanto, adecuados para transmitir luz a través de cables de fibra óptica a largas distancias.
En 1973, Optelecom , Inc., cofundada por el inventor del láser, Gordon Gould , recibió un contrato de ARPA para uno de los primeros sistemas de comunicación óptica. Desarrollado para el Comando de Misiles del Ejército en Huntsville, Alabama, el sistema estaba destinado a permitir que un misil de corto alcance con procesamiento de video se comunicara por láser con el suelo por medio de una fibra óptica de cinco kilómetros de largo que se desenrollaba del misil mientras volaba. [20] Optelecom luego entregó el primer sistema comercial de comunicaciones ópticas a Chevron. [21]
Después de un período de investigación que comenzó en 1975, se desarrolló el primer sistema comercial de telecomunicaciones de fibra óptica que funcionaba con una longitud de onda de alrededor de 0,8 μm y utilizaba láseres semiconductores de GaAs. Este sistema de primera generación funcionaba a una velocidad binaria de 45 Mbit/s con una separación entre repetidores de hasta 10 km. Poco después, el 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió el primer tráfico telefónico en vivo a través de fibra óptica con un rendimiento de 6 Mbit/s en Long Beach, California. [ cita necesaria ]
En octubre de 1973, Corning Glass firmó un contrato de desarrollo con CSELT y Pirelli destinado a probar la fibra óptica en un entorno urbano: en septiembre de 1977, el segundo cable de esta serie de pruebas, denominado COS-2, se desplegó experimentalmente en dos líneas (9 km ) en Turín , por primera vez en una gran ciudad, a una velocidad de 140 Mbit/s. [22]
La segunda generación de comunicación por fibra óptica se desarrolló para uso comercial a principios de la década de 1980, operaba a 1,3 μm y utilizaba láseres semiconductores InGaAsP. Estos primeros sistemas estaban inicialmente limitados por la dispersión de fibra multimodo , y en 1981 se reveló que la fibra monomodo mejoraba enormemente el rendimiento del sistema; sin embargo, resultó difícil desarrollar conectores prácticos capaces de trabajar con fibra monomodo. El proveedor de servicios canadiense SaskTel había completado la construcción de lo que entonces era la red comercial de fibra óptica más larga del mundo, que cubría 3268 km (2031 millas) y conectaba 52 comunidades. [23] En 1987, estos sistemas funcionaban a velocidades de bits de hasta1,7 Gbit/s con separación entre repetidores de hasta 50 km (31 mi).
El primer cable telefónico transatlántico que utilizó fibra óptica fue el TAT-8 , basado en la tecnología de amplificación láser optimizada de Desurvire . Entró en funcionamiento en 1988.
Los sistemas de fibra óptica de tercera generación funcionaban a 1,55 μm y tenían pérdidas de aproximadamente 0,2 dB/km. Este desarrollo fue impulsado por el descubrimiento del arseniuro de indio y galio y el desarrollo del fotodiodo de arseniuro de indio y galio por Pearsall. Los ingenieros superaron dificultades anteriores con la dispersión de pulsos utilizando láseres semiconductores InGaAsP convencionales en esa longitud de onda mediante el uso de fibras con dispersión desplazada diseñadas para tener una dispersión mínima a 1,55 μm o limitando el espectro del láser a un solo modo longitudinal . Estos avances finalmente permitieron que los sistemas de tercera generación operaran comercialmente en2,5 Gbit/s con una separación entre repetidores superior a 100 km (62 mi).
La cuarta generación de sistemas de comunicación por fibra óptica utilizó amplificación óptica para reducir la necesidad de repetidores y multiplexación por división de longitud de onda (WDM) para aumentar la capacidad de datos . La introducción de WDM fue el comienzo de las redes ópticas , ya que WDM se convirtió en la tecnología elegida para la expansión del ancho de banda de fibra óptica. [24] El primero en comercializar un sistema WDM denso fue Ciena Corp., en junio de 1996. [25] La introducción de amplificadores ópticos y WDM hizo que la capacidad del sistema se duplicara cada seis meses desde 1992 hasta alcanzar una tasa de bits deEn 2001 se alcanzaron los 10 Tb/s. En 2006, una tasa de bits deSe alcanzaron 14 Tb/s en una sola línea de 160 km (99 millas) utilizando amplificadores ópticos. [26] A partir de 2021 [actualizar], los científicos japoneses transmitieron 319 terabits por segundo a lo largo de 3.000 kilómetros con cables de fibra de cuatro núcleos con un diámetro de cable estándar. [27]
El objetivo del desarrollo de la quinta generación de comunicaciones por fibra óptica es ampliar el rango de longitud de onda en el que puede funcionar un sistema WDM . La ventana de longitud de onda convencional, conocida como banda C, cubre el rango de longitud de onda de 1525 a 1565 nm, y la fibra seca tiene una ventana de bajas pérdidas que promete una extensión de ese rango a 1300 a 1650 nm. [ cita necesaria ] Otros desarrollos incluyen el concepto de solitones ópticos , pulsos que conservan su forma contrarrestando los efectos de dispersión con los efectos no lineales de la fibra mediante el uso de pulsos de una forma específica.
Desde finales de la década de 1990 hasta el año 2000, los promotores de la industria y las empresas de investigación como KMI y RHK predijeron aumentos masivos en la demanda de ancho de banda de comunicaciones debido al mayor uso de Internet y a la comercialización de diversos servicios de consumo intensivos en ancho de banda, como el vídeo bajo demanda. . El tráfico de datos del Protocolo de Internet aumentaba exponencialmente, a un ritmo más rápido que el que había aumentado la complejidad de los circuitos integrados bajo la Ley de Moore . Sin embargo, desde el estallido de la burbuja de las puntocom hasta 2006, la principal tendencia en la industria ha sido la consolidación de empresas y la deslocalización de la fabricación para reducir costos. Empresas como Verizon y AT&T han aprovechado las comunicaciones de fibra óptica para ofrecer una variedad de datos de alto rendimiento y servicios de banda ancha a los hogares de los consumidores.
Los sistemas de comunicación de fibra óptica modernos generalmente incluyen transmisores ópticos que convierten señales eléctricas en señales ópticas, cables de fibra óptica para transportar la señal, amplificadores ópticos y receptores ópticos para convertir la señal nuevamente en una señal eléctrica. La información transmitida suele ser información digital generada por computadoras o sistemas telefónicos .
Los transmisores ópticos más utilizados son dispositivos semiconductores como los diodos emisores de luz (LED) y los diodos láser . La diferencia entre LED y diodos láser es que los LED producen luz incoherente , mientras que los diodos láser producen luz coherente. Para su uso en comunicaciones ópticas, los transmisores ópticos semiconductores deben diseñarse para ser compactos, eficientes y confiables, al mismo tiempo que funcionan en un rango de longitud de onda óptimo y se modulan directamente a altas frecuencias.
En su forma más simple, un LED emite luz mediante emisión espontánea , fenómeno conocido como electroluminiscencia . La luz emitida es incoherente con un ancho espectral relativamente amplio de 30 a 60 nm. [a] El gran ancho de espectro de los LED está sujeto a una mayor dispersión de la fibra, lo que limita considerablemente su producto velocidad de bits-distancia (una medida común de utilidad). Los LED son adecuados principalmente para aplicaciones de redes de área local con velocidades de bits de 10 a 100 Mbit/s y distancias de transmisión de unos pocos kilómetros.
La transmisión de luz LED es ineficiente, ya que sólo alrededor del 1% de la potencia de entrada, o alrededor de 100 microvatios, finalmente se convierte en potencia lanzada acoplada a la fibra óptica. [28]
Se han desarrollado LED que utilizan varios pozos cuánticos para emitir luz en diferentes longitudes de onda en un amplio espectro y actualmente se utilizan para aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) de área local .
Los LED han sido reemplazados en gran medida por dispositivos láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL), que ofrecen velocidad, potencia y propiedades espectrales mejoradas, a un costo similar. Sin embargo, debido a su diseño relativamente simple, los LED son muy útiles para aplicaciones de muy bajo costo. Las clases más utilizadas de transmisores láser semiconductores utilizados en fibra óptica incluyen VCSEL, Fabry-Pérot y láser de retroalimentación distribuida .
Un láser semiconductor emite luz mediante emisión estimulada en lugar de emisión espontánea, lo que da como resultado una alta potencia de salida (~100 mW), así como otros beneficios relacionados con la naturaleza de la luz coherente. La salida de un láser es relativamente direccional, lo que permite una alta eficiencia de acoplamiento (~50%) en fibra monomodo. Los dispositivos VCSEL comunes también se acoplan bien a la fibra multimodo. El estrecho ancho espectral también permite velocidades de bits altas ya que reduce el efecto de la dispersión cromática . Además, los láseres semiconductores se pueden modular directamente a altas frecuencias debido al corto tiempo de recombinación .
Los diodos láser suelen estar modulados directamente , es decir, la salida de luz se controla mediante una corriente aplicada directamente al dispositivo. Para velocidades de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia, se puede utilizar una fuente láser de onda continua y modular la luz mediante un dispositivo externo, un modulador óptico , como un modulador de electroabsorción o un interferómetro Mach-Zehnder . La modulación externa aumenta la distancia de enlace alcanzable al eliminar el chirrido del láser , lo que amplía el ancho de línea en los láseres modulados directamente, aumentando la dispersión cromática en la fibra. Para una eficiencia de ancho de banda muy alta, se puede utilizar modulación coherente para variar la fase de la luz además de la amplitud, lo que permite el uso de QPSK , QAM y OFDM . "La manipulación por desplazamiento de fase en cuadratura de doble polarización es un formato de modulación que envía efectivamente cuatro veces más información que las transmisiones ópticas tradicionales de la misma velocidad". [29]
El componente principal de un receptor óptico es un fotodetector que convierte la luz en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico . Los fotodetectores primarios para telecomunicaciones están hechos de arseniuro de indio y galio . El fotodetector suele ser un fotodiodo basado en semiconductores . Varios tipos de fotodiodos incluyen fotodiodos pn, fotodiodos pin y fotodiodos de avalancha. Los fotodetectores de metal-semiconductor-metal (MSM) también se utilizan debido a su idoneidad para la integración de circuitos en regeneradores y multiplexores por división de longitud de onda.
Dado que la luz puede atenuarse y distorsionarse al pasar a través de la fibra, los fotodetectores suelen estar acoplados con un amplificador de transimpedancia y un amplificador limitador para producir una señal digital en el dominio eléctrico recuperada de la señal óptica entrante. También se puede aplicar un procesamiento de señal adicional, como la recuperación de reloj de los datos realizada por un bucle de bloqueo de fase, antes de que se transmitan los datos.
Los receptores coherentes utilizan un láser oscilador local en combinación con un par de acopladores híbridos y cuatro fotodetectores por polarización, seguidos de ADC de alta velocidad y procesamiento de señales digitales para recuperar datos modulados con QPSK, QAM u OFDM. [ cita necesaria ]
Un transmisor de sistema de comunicación óptica consta de un convertidor de digital a analógico (DAC), un amplificador de controlador y un modulador Mach-Zehnder . El despliegue de formatos de modulación más altos (> 4-QAM ) o velocidades de baudios más altas (>32 GBd ) disminuye el rendimiento del sistema debido a efectos del transmisor lineales y no lineales. Estos efectos se pueden clasificar como distorsiones lineales debido a la limitación del ancho de banda del DAC y la desviación I/Q del transmisor , así como efectos no lineales causados por la saturación de ganancia en el amplificador del controlador y el modulador Mach-Zehnder. La predistorsión digital contrarresta los efectos degradantes y permite velocidades de baudios de hasta56 GBd y formatos de modulación como 64-QAM y 128-QAM con los componentes disponibles comercialmente. El procesador de señales digitales del transmisor realiza una predistorsión digital en las señales de entrada utilizando el modelo de transmisor inverso antes de enviar las muestras al DAC.
Los métodos de predistorsión digital más antiguos solo abordaban los efectos lineales. Publicaciones recientes también consideran distorsiones no lineales. Berenguer et al modelan el modulador Mach-Zehnder como un sistema Wiener independiente y el DAC y el amplificador del controlador están modelados mediante una serie de Volterra truncada e invariante en el tiempo . [30] Khanna et al utilizan un polinomio de memoria para modelar los componentes del transmisor de forma conjunta. [31] En ambos enfoques, la serie de Volterra o los coeficientes polinomiales de memoria se encuentran utilizando una arquitectura de aprendizaje indirecto. Duthel et al registran, para cada rama del modulador Mach-Zehnder, varias señales con diferente polaridad y fase. Las señales se utilizan para calcular el campo óptico. La correlación cruzada de los campos en fase y en cuadratura identifica la desviación de tiempo . La respuesta de frecuencia y los efectos no lineales están determinados por la arquitectura de aprendizaje indirecto. [32]
Un cable de fibra óptica consta de un núcleo, un revestimiento y un amortiguador (una capa exterior protectora), en el que el revestimiento guía la luz a lo largo del núcleo mediante el método de reflexión interna total . El núcleo y el revestimiento (que tiene un índice de refracción más bajo) suelen estar hechos de vidrio de sílice de alta calidad , aunque ambos también pueden estar hechos de plástico. La conexión de dos fibras ópticas se realiza mediante empalme por fusión o empalme mecánico y requiere habilidades especiales y tecnología de interconexión debido a la precisión microscópica requerida para alinear los núcleos de las fibras. [33]
Dos tipos principales de fibra óptica utilizados en las comunicaciones ópticas incluyen las fibras ópticas multimodo y las fibras ópticas monomodo . Una fibra óptica multimodo tiene un núcleo más grande (≥ 50 micrómetros ), lo que permite conectar a ella transmisores y receptores menos precisos y más baratos, así como conectores más baratos. Sin embargo, una fibra multimodo introduce distorsión multimodo , que a menudo limita el ancho de banda y la longitud del enlace. Además, debido a su mayor contenido de dopantes , las fibras multimodo suelen ser caras y presentan una mayor atenuación. El núcleo de una fibra monomodo es más pequeño (< 10 micrómetros) y requiere componentes y métodos de interconexión más caros, pero permite enlaces mucho más largos y de mayor rendimiento. Tanto la fibra monomodo como la multimodo se ofrecen en diferentes grados.
Para empaquetar la fibra en un producto comercialmente viable, normalmente se recubre de forma protectora mediante el uso de polímeros de acrilato curados con luz ultravioleta [ cita necesaria ] y se ensambla en un cable. Después de eso, se puede colocar en el suelo y luego pasar a través de las paredes de un edificio y desplegarse aéreamente de manera similar a los cables de cobre. Estas fibras requieren menos mantenimiento que los cables de par trenzado comunes una vez desplegadas. [35]
Para la transmisión de datos submarinos a larga distancia se utilizan cables especializados, por ejemplo, cables de comunicaciones transatlánticos . Los cables nuevos (2011-2013) operados por empresas comerciales (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic ) suelen tener cuatro hilos de fibra y las señales cruzan el Atlántico (Nueva York-Londres) en 60 a 70 ms. El coste de cada uno de estos cables fue de unos 300 millones de dólares en 2011. [36]
Otra práctica común es agrupar muchos hilos de fibra óptica dentro de un cable de transmisión de energía de larga distancia utilizando, por ejemplo, un cable óptico de tierra . Esto explota eficazmente los derechos de paso de transmisión de energía, garantiza que una compañía eléctrica pueda poseer y controlar la fibra necesaria para monitorear sus propios dispositivos y líneas, es efectivamente inmune a la manipulación y simplifica el despliegue de tecnología de red inteligente .
La distancia de transmisión de un sistema de comunicación de fibra óptica ha estado tradicionalmente limitada por la atenuación y la distorsión de la fibra. Estos problemas se han eliminado mediante el uso de repetidores optoelectrónicos . Estos repetidores convierten la señal en una señal eléctrica y luego utilizan un transmisor para enviar la señal nuevamente con una intensidad mayor a la recibida, contrarrestando así la pérdida sufrida en el segmento anterior. Debido a la alta complejidad de las señales multiplexadas por división de longitud de onda modernas, incluido el hecho de que tenían que instalarse aproximadamente una vez cada 20 km (12 millas), el costo de estos repetidores es muy alto.
Un enfoque alternativo es utilizar amplificadores ópticos que amplifiquen la señal óptica directamente sin tener que convertir la señal al dominio eléctrico. Un tipo común de amplificador óptico es un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA). Estos se fabrican dopando un trozo de fibra con el mineral de tierras raras erbio y bombeándolo con láser con luz con una longitud de onda más corta que la señal de comunicaciones (normalmente 980 nm ). Los EDFA proporcionan ganancia en la banda ITU C a 1550 nm.
Los amplificadores ópticos tienen varias ventajas importantes sobre los repetidores eléctricos. En primer lugar, un amplificador óptico puede amplificar una banda muy amplia a la vez que puede incluir cientos de canales multiplexados , eliminando la necesidad de demultiplexar señales en cada amplificador. En segundo lugar, los amplificadores ópticos funcionan independientemente de la velocidad de datos y el formato de modulación, lo que permite que coexistan múltiples velocidades de datos y formatos de modulación y permite actualizar la velocidad de datos de un sistema sin tener que reemplazar todos los repetidores. En tercer lugar, los amplificadores ópticos son mucho más sencillos que un repetidor con las mismas capacidades y, por tanto, mucho más fiables. Los amplificadores ópticos han reemplazado en gran medida a los repetidores en instalaciones nuevas, aunque los repetidores electrónicos todavía se utilizan ampliamente cuando se requiere un acondicionamiento de la señal más allá de la amplificación.
La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es la técnica de transmitir múltiples canales de información a través de una sola fibra óptica enviando múltiples haces de luz de diferentes longitudes de onda a través de la fibra, cada uno modulado con un canal de información separado. Esto permite multiplicar la capacidad disponible de las fibras ópticas. Esto requiere un multiplexor por división de longitud de onda en el equipo transmisor y un demultiplexor (esencialmente un espectrómetro ) en el equipo receptor. Las rejillas de guía de ondas dispuestas se utilizan comúnmente para multiplexación y demultiplexación en WDM. [37] Usando la tecnología WDM ahora disponible comercialmente, el ancho de banda de una fibra se puede dividir en hasta 160 canales [38] para soportar una velocidad de bits combinada en el rango de1,6 Tbit/s .
Debido a que el efecto de la dispersión aumenta con la longitud de la fibra, un sistema de transmisión de fibra a menudo se caracteriza por su producto ancho de banda-distancia , generalmente expresado en unidades de MHz ·km. Este valor es un producto del ancho de banda y la distancia porque existe un equilibrio entre el ancho de banda de la señal y la distancia a través de la cual se puede transportar. Por ejemplo, una fibra multimodo común con un producto ancho de banda-distancia de 500 MHz·km podría transportar una señal de 500 MHz durante 1 km o una señal de 1000 MHz durante 0,5 km.
Al utilizar la multiplexación por división de longitud de onda , cada fibra puede transportar muchos canales independientes, cada uno de los cuales utiliza una longitud de onda de luz diferente. La velocidad de datos neta (velocidad de datos sin bytes de sobrecarga) por fibra es la velocidad de datos por canal reducida por la sobrecarga de corrección de errores directa (FEC), multiplicada por el número de canales (generalmente hasta ochenta en sistemas comerciales densos WDM a partir de 2008). [actualizar]). [ necesita actualización ]
A continuación se resume la investigación utilizando cables de fibra de núcleo sólido único, monomodo y estándar para telecomunicaciones.
A continuación se resume la investigación que utiliza cables especializados que permiten que se produzca la multiplexación espacial, utilice cables de fibra trimodo especializados o cables de fibra óptica especializados similares.
La investigación de DTU , Fujikura y NTT se destaca porque el equipo pudo reducir el consumo de energía de la óptica a alrededor del 5 % en comparación con técnicas más convencionales, lo que podría conducir a una nueva generación de componentes ópticos con un consumo energético muy eficiente.
Una investigación realizada por la Universidad RMIT de Melbourne, Australia, ha desarrollado un dispositivo nanofotónico que transporta datos sobre ondas de luz que se han retorcido en forma de espiral y ha logrado un aumento de 100 veces en las velocidades de fibra óptica alcanzables actualmente. [70] La técnica se conoce como momento angular orbital (OAM). El dispositivo nanofotónico utiliza láminas ultrafinas para medir una fracción de milímetro de luz retorcida. El dispositivo nanoelectrónico está integrado en un conector más pequeño que el tamaño de un conector USB y puede instalarse en el extremo de un cable de fibra óptica. [71]
Para la fibra óptica de vidrio moderna, la distancia máxima de transmisión no está limitada por la absorción directa del material sino por la dispersión , la propagación de los pulsos ópticos a medida que viajan a lo largo de la fibra. La dispersión limita el ancho de banda de la fibra porque el pulso óptico en expansión limita la velocidad a la que los pulsos pueden sucederse entre sí en la fibra y aún ser distinguibles en el receptor. La dispersión en las fibras ópticas se debe a diversos factores.
La dispersión intermodal , causada por las diferentes velocidades axiales de los diferentes modos transversales , limita el rendimiento de la fibra multimodo . Debido a que la fibra monomodo admite solo un modo transversal, se elimina la dispersión intermodal.
En la fibra monomodo, el rendimiento está limitado principalmente por la dispersión cromática , que se produce porque el índice del vidrio varía ligeramente dependiendo de la longitud de onda de la luz y, debido a la modulación, la luz de los transmisores ópticos necesariamente ocupa un rango (estrecho) de longitudes de onda. . La dispersión del modo de polarización , otra fuente de limitación, se produce porque aunque la fibra monomodo puede sostener sólo un modo transversal, puede llevar este modo con dos polarizaciones diferentes, y ligeras imperfecciones o distorsiones en una fibra pueden alterar las velocidades de propagación de los dos. polarizaciones. Este fenómeno se llama birrefringencia y puede contrarrestarse mediante fibra óptica que mantiene la polarización .
Parte de la dispersión, en particular la dispersión cromática, se puede eliminar mediante un compensador de dispersión . Esto funciona mediante el uso de una longitud de fibra especialmente preparada que tiene la dispersión opuesta a la inducida por la fibra de transmisión, y esto agudiza el pulso para que pueda ser decodificado correctamente por la electrónica.
La atenuación de la fibra es causada por una combinación de absorción de material , dispersión de Rayleigh , dispersión de Mie y pérdidas en los conectores . La absorción del material para la sílice pura es de sólo alrededor de 0,03 dB/km. Las impurezas en las primeras fibras ópticas causaron una atenuación de aproximadamente 1000 dB/km. La fibra moderna tiene una atenuación de alrededor de 0,3 dB/km. Otras formas de atenuación son causadas por tensiones físicas en la fibra, fluctuaciones microscópicas en la densidad y técnicas de empalme imperfectas . [72]
Cada efecto que contribuye a la atenuación y dispersión depende de la longitud de onda óptica. Hay bandas (o ventanas) de longitud de onda donde estos efectos son más débiles y éstas son las más favorables para la transmisión. Estas ventanas han sido estandarizadas. [73]
Tenga en cuenta que esta tabla muestra que la tecnología actual ha logrado unir las ventanas E y S que originalmente estaban separadas.
Históricamente, había una ventana de longitudes de onda más cortas que la banda O, llamada primera ventana, entre 800 y 900 nm; sin embargo, las pérdidas son elevadas en esta región, por lo que esta ventana se utiliza principalmente para comunicaciones de corta distancia. Las ventanas inferiores actuales (O y E) alrededor de 1300 nm tienen pérdidas mucho menores. Esta región tiene dispersión cero. Las ventanas intermedias (S y C) de alrededor de 1500 nm son las más utilizadas. Esta región tiene las pérdidas de atenuación más bajas y logra el rango más largo. Tiene cierta dispersión, por lo que se utilizan dispositivos compensadores de dispersión para solucionar este problema.
Cuando un enlace de comunicaciones debe abarcar una distancia mayor de la que es capaz de cubrir la tecnología de fibra óptica existente, la señal debe regenerarse en puntos intermedios del enlace mediante repetidores de comunicaciones ópticas . Los repetidores añaden un costo sustancial a un sistema de comunicación, por lo que los diseñadores de sistemas intentan minimizar su uso.
Los avances recientes en la tecnología de comunicaciones ópticas y de fibra han reducido la degradación de la señal hasta el punto de que la regeneración de la señal óptica solo es necesaria en distancias de cientos de kilómetros. Esto ha reducido en gran medida el costo de las redes ópticas, particularmente en tramos submarinos donde el costo y la confiabilidad de los repetidores es uno de los factores clave que determinan el rendimiento de todo el sistema de cable. Los principales avances que contribuyen a estas mejoras de rendimiento son la gestión de la dispersión, que busca equilibrar los efectos de la dispersión frente a la no linealidad; y solitones , que utilizan efectos no lineales en la fibra para permitir una propagación sin dispersión a largas distancias.
Aunque los sistemas de fibra óptica destacan en aplicaciones de gran ancho de banda, la fibra óptica ha tardado en lograr su objetivo de llevar fibra hasta las instalaciones o resolver el problema de la última milla . Sin embargo, la implementación de FTTH ha aumentado significativamente durante la última década y se prevé que preste servicio a millones de suscriptores más en el futuro cercano. En Japón, por ejemplo, EPON ha reemplazado en gran medida al DSL como fuente de Internet de banda ancha. KT de Corea del Sur también ofrece un servicio llamado FTTH (Fiber To The Home), que proporciona conexiones de fibra óptica al hogar del suscriptor. Los mayores despliegues de FTTH se encuentran en Japón, Corea del Sur y China. Singapur comenzó la implementación de su Red Nacional de Banda Ancha de Próxima Generación (Next Gen NBN), totalmente de fibra, cuya finalización está prevista para 2012 y está siendo instalada por OpenNet. Desde que comenzaron a implementar servicios en septiembre de 2010, la cobertura de la red en Singapur ha alcanzado el 85% en todo el país.
En EE. UU., Verizon Communications ofrece un servicio FTTH llamado FiOS para seleccionar mercados con alto ARPU (ingresos promedio por usuario) dentro de su territorio actual. El otro ILEC (o operador titular de intercambio local) importante que sobrevive, AT&T, utiliza un servicio FTTN (Fibra al nodo) llamado U-verse con par trenzado hasta el hogar. Sus competidores MSO emplean FTTN con coaxial usando HFC . Todas las principales redes de acceso utilizan fibra durante la mayor parte de la distancia desde la red del proveedor de servicios hasta el cliente.
La tecnología de red de acceso dominante a nivel mundial es EPON (Ethernet Passive Optical Network). En Europa, y entre las empresas de telecomunicaciones en los Estados Unidos, BPON (PON de banda ancha basada en ATM) y GPON (PON Gigabit) tenían sus raíces en las organizaciones de estándares FSAN (Full Service Access Network) y ITU-T bajo su control.
La elección entre transmisión por fibra óptica y eléctrica (o cobre ) para un sistema particular se basa en una serie de compensaciones. La fibra óptica generalmente se elige para sistemas que requieren un mayor ancho de banda o que abarcan distancias más largas de las que puede soportar el cableado eléctrico.
Los principales beneficios de la fibra son su pérdida excepcionalmente baja (lo que permite largas distancias entre amplificadores/repetidores), su ausencia de corrientes de tierra y otras señales parásitas y problemas de energía comunes a largos recorridos de conductores eléctricos paralelos (debido a su dependencia de la luz en lugar de la electricidad para transmisión y la naturaleza dieléctrica de la fibra óptica), y su inherentemente alta capacidad de transporte de datos. Se necesitarían miles de enlaces eléctricos para reemplazar un único cable de fibra de gran ancho de banda. Otro beneficio de las fibras es que incluso cuando se extienden uno al lado del otro durante largas distancias, los cables de fibra no experimentan interferencias , a diferencia de algunos tipos de líneas de transmisión eléctrica . La fibra se puede instalar en áreas con alta interferencia electromagnética (EMI), como junto a líneas de servicios públicos, líneas eléctricas y vías de ferrocarril. Los cables totalmente dieléctricos no metálicos también son ideales para áreas con alta incidencia de rayos.
A modo de comparación, si bien los sistemas de cobre de calidad de voz de una sola línea de más de un par de kilómetros requieren repetidores de señal en línea para un rendimiento satisfactorio, no es inusual que los sistemas ópticos recorran más de 100 kilómetros (62 millas), sin ninguna señal activa o procesamiento pasivo. Los cables de fibra monomodo suelen estar disponibles en longitudes de 12 km (7,5 millas), lo que minimiza la cantidad de empalmes necesarios en un tendido de cable largo. La fibra multimodo está disponible en longitudes de hasta 4 km, aunque los estándares industriales sólo exigen tramos ininterrumpidos de 2 km.
En aplicaciones de corta distancia y de ancho de banda relativamente bajo, a menudo se prefiere la transmisión eléctrica debido a su
Las fibras ópticas son más difíciles y costosas de empalmar que los conductores eléctricos. Y a potencias más altas, las fibras ópticas son susceptibles a fusionarse , lo que provoca una destrucción catastrófica del núcleo de la fibra y daños a los componentes de transmisión. [74]
Debido a estos beneficios de la transmisión eléctrica, la comunicación óptica no es común en aplicaciones cortas de caja a caja, backplane o chip a chip; sin embargo, se han demostrado en el laboratorio sistemas ópticos en esas escalas.
En determinadas situaciones, la fibra se puede utilizar incluso para aplicaciones de corta distancia o de bajo ancho de banda, debido a otras características importantes:
Los cables de fibra óptica se pueden instalar en edificios con el mismo equipo que se utiliza para instalar cables de cobre y coaxiales, con algunas modificaciones debido al tamaño pequeño y la tensión de tracción y el radio de curvatura limitados de los cables ópticos. Los cables ópticos normalmente se pueden instalar en sistemas de conductos en tramos de 6000 metros o más dependiendo de la condición del conducto, el diseño del sistema de conductos y la técnica de instalación. Los cables más largos se pueden enrollar en un punto intermedio y, según sea necesario, introducirlos más dentro del sistema de conductos.
Para que varios fabricantes puedan desarrollar componentes que funcionen de manera compatible en sistemas de comunicación de fibra óptica, se han desarrollado una serie de estándares. La Unión Internacional de Telecomunicaciones publica varios estándares relacionados con las características y el rendimiento de las fibras mismas, incluyendo
Otros estándares especifican criterios de rendimiento para la fibra, los transmisores y los receptores que se utilizarán juntos en sistemas conformes. Algunas de estas normas son:
TOSLINK es el formato más común para cable de audio digital que utiliza fibra óptica plástica para conectar fuentes digitales a receptores digitales .
Una fibra óptica se romperá si se dobla demasiado
Los sensores ópticos son ventajosos en entornos peligrosos porque no se producen chispas cuando se rompe una fibra o se desgasta su cubierta.
