A P Í TU L O 1 I N T R O D U C C IÓ N C S ISTEM ISTEMAS AS D DEE CO COM MU UN NICAC ICACIÓ IÓN NÓ ÓPT PTICO ICOSS Un sistema de comunicaciones ópticas es una forma de transmitir información cuyo soporte básico es la luz. La información viaja en forma de luz a lo largo de dicho sistema. Las ondas de luz, al igual que las de radio, son una forma de radiación electromagnética. Es por ello que pueden usarse, al igual que se usan las ondas de radio para la transmisión de información. Esta idea surgió hace más de un siglo, pero no se pudo aplicar ya que no había fuentes de luz ni medios para transportarla adecuados. Hoy en día , en cambio, ya se sabe que la forma más eficiente de que la luz viaje desde un punto hasta otro es mediante la fibra óptica, que no es más que un fino hilo de cristal o plástico. La primera peculiaridad de los sistemas de comunicaciones ópticas es que las señales que se transmiten por la fibra óptica son señales luminosas, mientras que la información se tiene en general en forma de señal eléctrica (tensión o corriente). Es por eso que es necesario en estos sistemas disponer de elementos que conviertan dicha señal en luz y que conviertan después la luz en señal eléctrica. El primero de los elementos (convierte señal eléctrica en luz) se denomina emisor óptico y en comunicaciones ópticas existen dos tipos fundamentales, los diodos LED y los láseres. El segundo se denomina receptor óptico y también se utilizan dos tipos fundamentales, los fotodiodos PIN y los de avalancha (ADP). El proceso de conversiones se muestra en la siguiente figura: SEÑAL ELÉCTRICA SEÑAL ÓPTICA EM ISOR ÓP TICO C onv ers ión elec tric a-óptic a SEÑAL ÓPTICA F ibra óptica SEÑAL ELÉCTRICA RECEPTOR ÓPTICO C onv ers ión óptic o-eléc tric a El sistema de comunicaciones ópticas (del que la fibra es sólo el medio de transmisión) es más complejo y los emisores/receptores ópticos son parte del transmisor/receptor. El esquema general de un transmisor se muestra en la siguiente figura: S E Ñ A L E N TR A D A S A LID A ÓP TIC A INTERFAZ ELÉCTRICO MODULADOR EMISOR DE LUZ La primera parte es un interfaz eléctrico, vídeo, audio datos u otras formas de entrada eléctrica. Dicha información se codifica después mediante un modulador, en el caso de señales analógicas AM o FM, o en el caso de señales digitales modulación digital. La salida modulada se convierte después en luz mediante un LED o un diodo láser. Las longitudes de onda van desde los 660 nm (visible) hasta 1550 nm (infrarojo). Las fibras de vidrio trabajan en longitudes de onda más altas, en particular 1300 nm y 1550 nm, ya que las pérdidas son menores. Las fibras de plástico presentan el caso contrario y se trabaja en el visible. El receptor en cambio tiene un esquema como el de la figura, en el que los bloques realizan los procesos inversos al del transmisor. E N TR A D A Ó P TIC A S E Ñ A L D E S A LID A DETECTOR ÓPTICO DEMODULADOR INTERFAZ ELÉCTRICO La tecnología de fibras ópticas comprende a su vez otros aspectos como la conectorización, empalmes, cables de fibra, dispositivos de fibra,... El objetivo de este libro es dar una perspectiva de todos estos aspectos relacionados con la tecnología de las fibras ópticas. Comienza por exponer algunos aspectos teóricos sobre la luz y los medios por los que se propaga la luz. Introducidos estos conceptos se describen las fibras ópticas y sus procesos de fabricación. Se analizan entonces los parámetros fundamentales de transmisión en los distintos tipos de fibras ópticas, fundamentalmente la atenuación y la dispersión. Las fibras no se instalan sin más en los sistemas de comunicaciones ópticas sino que las fibras se agrupan en cables de fibra, a los que se dedica el siguiente capítulo. Completado el análisis del medio de transmisión se analiza el funcionamiento, características y tipos fundamentales tanto de emisores como de receptores ópticos. Dichos elementos son parte de sistemas más complejos transmisores y receptores que se abordan a continuación. La discusión de los elementos de los sistemas de fibras ópticas se completa con una breve descripción de algunos de los dispositivos más importantes en la tecnología de fibras ópticas. Todos esos dispositivos integran los sistemas de fibras ópticas por lo que el análisis de los enlaces de fibra constituye el siguiente capítulo. La discusión termina con dos temas, el primero sobre los equipos de medida en fibras ópticas, equipos necesarios para la verificación de las instalaciones de fibra y un capítulo final de aplicaciones de las fibras. H ISTO ISTORIA RIA D DEE LA LASS CCO OM MU UN NIC ICAC ACIO ION NES ES Ó ÓPTIC PTICAASS Hoy en día se usan las fibras ópticas para transmitir información en forma de luz, pero la idea de la transmisión de la información mediante la luz no es nueva. En navegación por ejemplo se han utilizado los faros que usan luz para comunicar información a los barcos. El primer sistema de comunicaciones ópticas lo desarrolló Claude Chappe al construir un telégrafo óptico entorno a 1790. El telégrafo unía las ciudades de Lille y París, separadas por 230 km, mediante una serie de hombres situados en unas torres a lo largo del camino y que hacían señas con los brazos. Los mensajes tardaban aproximadamente 15 minutos en llegar. En 1870 en la British Royal Society de Londres el físico inglés John Tyndall demostró el principio de la reflexión total interna. Mediante un cubo de agua con un orificio del que caía a otro cubo demostró que mediante la reflexión total interna la luz viajaba por dentro del chorro de agua. Según el agua caía del cubo superior al inferior Tyndall enfocó un haz de luz la chorro. Los espectadores quedaron asombrados al comprobar que la luz seguía una trayectoria en zig-zag dentro del chorro. Este experimento marcó el primer paso en las investigaciones respecto de la transmisión guiada de la luz. William Wheeling extendió los experimentos de Tyndall cuando patentó en 1880 un método para la transmisión de luz llamado “entubado de la luz”. Wheeling creía que mediante tuberías especulares podía conseguir iluminar varias habitaciones mediante una única fuente de luz, al igual que se distribuye el agua mediante un sistema de tuberías. Con la invención de la lámpara incandescente de Edison el inventó no triunfó ya que era muy poco efectivo. Curiosamente hoy en día algunas compañías japonesas han retomado investigaciones en este sentido debido a la mejora tecnológica. Ese mismo año Alexander Graham Bell desarrolló un sistema óptico para transmisión de voz llamado fototeléfono. Mediante unos espejos estratégicamente situados la luz reflejada del sol alcanzaba un diafragma incorporado a la boquilla del micrófono. A medida que se habla sobre el micrófono el diafragma iluminado vibraba de forma que se lograba modular la luz incidente en el mismo. Se lograba variar la amplitud de la misma en función del mensaje, es decir una modulación AM. La luz procedente del diafragma incidía sobre el receptor compuesto de un receptor parabólico con una resistencia de selenio en el foco. La resistencia de selenio es sensible a la luz de forma las variaciones en intensidad en la luz se convierten en variaciones de corriente eléctrica y se puede reproducir la luz. Bell consigió así una comunicación óptica de 200 m. A principios del siglo XX varios científicos realizaron trabajos tanto experimentales como teóricos en el tema de las guías de onda dieléctricas (fibras ópticas), incluyendo barras flexibles de vidrio. Así en 1910 Hondros y Debye realizaron estudios teóricos de propagación de la luz en las guiaondas dieléctricas. En 1927 el británico Baird patenta un aparato capaz de transmitir imágenes en distancias cortas de forma que la señal se transmitía mediante un guiaondas dieléctrico. En 1934 el norteamericano R French patenta un sistema telefónico óptico describiendo como las señales de voz se propagarían por medio de una red de conductores ópticos formados por varillas rígidas de vidrio. Desgraciadamente la tecnología de la época no permitió llevar a cabo el proyecto. La tecnología de las fibras ópticas ha recibido un impulso muy importante en la segunda mitad del siglo. Los primeros éxitos llegaron a comienzos de la década de los 50 con la invención de la sonda óptica. Se trataba de un dispositivo para transmitir imágenes, que usaba la primera fibra de vidrio de uso práctico. Dicha fibra fue desarrollada por Brian O´Brien de la American Optical Company y por Narinder Kapany y sus colaboradores del Imperial College of Science and Technology de Londres. De hecho fue Kapany quien primero empleó el término fibra óptica en 1956. El desarrollo de las fibras recubiertas de vidrio lo motivó las altas pérdidas que se producían cuando se utilizaban fibras sin recubrimiento. La fibra interior, el núcleo, se usaba para transmitir la luz, mientras que la capa de cristal que lo cubre, revestimiento, evitaba que la luz saliese del núcleo haciendo que ésta rebotará de volviendo al núcleo de la fibra. El siguiente gran paso en el desarrollo de las comunicaciones ópticas fue el desarrollo de la tecnología del láser. El diodo láser o el LED (para menores potencias) tienen la capacidad de generar grandes cantidades de luz en una zona lo suficientemente pequeña como para ser útil en la tecnología de las fibras ópticas. En 1957 Gordon Gould, recién graduado de la universidad de Columbia, describió el láser como una fuente intensa de luz. Charles Townes y Arthur Schawlow de los laboratorios Bell ayudaron a popularizar la idea del láser en círculos científicos y empujaron la investigación para el desarrollo de un láser práctico. Hacia 1960 Theodore Mainman de los laboratorios Hughes construyó el primer láser de rubí y Townes uno de Helio Neón. En 1962 se construyeron los primeros láseres a base de semiconductores, que son precisamente los utilizados en comunicaciones ópticas. El láser trabaja a frecuencias ópticas que son muy altas. En particular en la segunda ventana de transmisión (que veremos más adelante) la longitud de onda utilizada es de: 1550 nm Dicha longitud de onda se corresponde con una frecuencia de f 2 10 14 H z que es del orden de 10 4 veces mayor que las frecuencias más altas de microondas (entorno a las decenas de GHz, es decir 10 10 H z ). El ancho de banda es en general proporcional a la frecuencia de portadora que se utiliza y es por eso que un incremento tan grande de los anchos de banda a transmitir estimulara la investigación en este campo. A pesar de esta ventaja el láser no es apropiado para las transmisiones de visión directa como las que se realizan en microondas ya que factores como la lluvia, la niebla, etc ... afectan muy negativamente las comunicaciones a estas frecuencias. Como anécdota basta con decir que es más viable una comunicación por el aire desde la tierra a la luna que un enlace de visión directa en la tierra. Una vez desarrollado el láser, la fuente de luz, el problema siguiente fue el de hallar un medio de transmisión que se adaptase a las características del mismo. Dicho medio es la fibra óptica. En 1966 Charles Kao y Charles Hockham del Standard Telecommunication Laboratory de Inglaterra publicaron un artículo clave en el desarrollo de las comunicaciones ópticas. En dicho artículo se proponía la fibra como el medio de transmisión óptico siempre que las pérdidas pudieran reducirse por debajo de los 20 dB km . En aquellas épocas las pérdidas de las fibras eran de entorno a los 1 0 0 0 d B km (hoy en día están por debajo de los 0 .3 d B km . Ellos propusieron que las tan altas pérdidas de la fibra se debían a las impurezas del cristal y no al propio cristal y que por lo tanto mejorando los procesos de fabricación podrían obtenerse fibras aptas para las comunicaciones ópticas. Así en 1970 Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz de la Corning desarrollaron una fibra de vidrio cuya atenuación era inferior a los 20 dB km para una longitud de onda de 633 nm , el límite que convertía a las fibras ópticas en una tecnología viable. En 1972 las pérdidas se redujeron a 4 dB km en muestras de laboratorio, un valor muy por debajo del sugerido por Kao y Hockham para sistemas prácticos en comunicaciones ópticas. La marina americana instaló el primer sistema telefónico experimental que usaba como medio de transmisión la fibra óptica en el Little Rock en 1973. En el año 1977 AT&T y la GTE instalaron un sistema telefónico basado en fibra óptica y que transportaba tráfico telefónico comercial. El sistema superaba los rígidos estándares de fiabilidad de las compañías telefónicas para los equipos y para la operación. A consecuencia de estos primeros éxitos las compañías de telecomunicaciones instalaron sistemas ópticos a finales de los 70 y principios de los 80. En el año 1976 M. Horiguchi de la NTT (Nipon Telegraph and Telephone) y H. Osanai de Fujikura anunciaron el comienzo de la producción de fibras ópticas monomodo con atenuaciones de 0 .47 dB km para una longitud de onda de 1 2 0 0 n m y en 1977 Hartman, Schumaker y Dixon descubren las altas prestaciones del láser Ga-As-Al, de funcionamiento continuo y con larga vida. En la segunda mitad de la década de los setenta se desarrollaron multitud de sidtemas experimentales basados en fibras ópticas. Así en 1976 Siemens pone en funcionamiento un tramo experimental bajo la norma RDSI para la transmisión de telefonía, televisión y videoteléfono con un enlace de 2.1 km. En 1977 la Bell Systems pone en funcionamiento un enlace telefónico de 2.5 km en Chicago y la General Telephone pone en funcionamiento otro en Long Beach de 9 km. También en 1977 el Deutsche Bundespost instala en Berlin un enlace digital óptico de 9km a 140 Mbps. En 1978 la NTT realiza un enlace óptico digital de 53 km sin repetidores intermedios y a una velocidad de 32 Mbps. A lo largo de 1979 la NTT realiza dos enlaces experimentales, el primero a 100 Mbps y el segundo a 400 Mbps. Ya en 1980 AT&T anunció los planes de un ambicioso proyecto para construir un sistema de fibra óptica desde Boston a Richmond. Este sistema demostró la capacidad para la fibra para sistemas normales de alta capacidad en vez de para aplicaciones especializadas. La fibra óptica iba a ser la tecnología preferida del futuro, ya era una tecnología viable. En este periodo la tecnología avanzaba muy rápidamente y la industria comenzaba a madurar. Así a finales de 1983 las fibras monomodo se creían tan difíciles de utilizar que parecía que sólo tendrían aplicaciones especializadas durante años. Para 1985 todos los operadores de larga distancia como AT&T o MCI no sólo habían instalado ya fibras monomodo sino que las habían escogido como su estándar para instalaciones futuras. En 1990 Linn Mollenauer, un investigador de la Bellcore, transmitió una señal de 2.5 Gbps a lo largo de 7500 km sin regeneración, cuando normalmente las señales viajando por la fibra deben regenerarse cada cierta longitud por ejemplo 25 km. El sistema de Mollenauer usaba un láser de solitones y una fibra dopada de erbio. La propiedad de los solitones es que su forma de onda no se deforma a medida que viajan por la fibra, mientras que las fibras dopadas de erbio presentan propiedades de amplificación de la señal. V EN ENTA TAJA JASS EE IN INCCO ON NVVEN ENIEN IENTES TES D DEE LLAASS FIB FIBRRAASS Ó ÓPTIC PTICAASS La fibra óptica es el medio de transmisión del futuro. Esto se debe a que las fibras ópticas presentan muchas ventajas respecto de los medios de transmisión convencionales. En esta sección vamos a analizar las principales ventajas e inconvenientes de las fibras. Entre las ventajas tenemos: G Gran ran anch anchoo de de banda banda Al usar láseres y LED-s (fuentes de luz) abre una ventana del espectro electromagnético diez mil veces superiores en frecuencia a las mayores frecuencias utilizadas en radio. Mientras que en radio dichas frecuencias rondan los GHz (10 9 Hz), en el caso de las comunicaciones ópticas se sitúan en los 1014 Hz. Al ser las portadoras de mayor frecuencia la capacidad de transmitir información (el ancho de banda) aumenta. Como idea de la capacidad de transmisión de las fibras una señal a 10 Gbps es capaz de transmitir: 130.000 canales telefónicos 16 canales de HDTV sin compresión o 100 canales de HDTV con técnicas de compresión. Hay que tener en cuenta que el ancho de banda necesario para la televisión de alta definición es mucho mayor que el necesario para la televisión convencional. BBaja ajass pérdidas pérdidas El ancho de banda da una idea de la cantidad de información que puede transmitirse por una fibra óptica, las pérdidas indican cómo de lejos puede enviarse la señal. En el cable de cobre a medida que crece la frecuencia crecen las pérdidas del cable así que como para transmitir grandes cantidades de información hacen falta frecuencias altas los cables de cobre no valen. En las fibras las pérdidas son “parecidas” y muy bajas en un rango de frecuencias muy altas y muy parecidas. Las pérdidas intrínsecas (debidas a la propia constitución física de la fibra) de las fibras son muy bajas. Así se obtienen pérdidas en las fibras actuales del orden de 0.35 dB a km 1300 nm y 0 .2 dB km a 1550 nm. Así se pueden obtener grandes distancias entre repetidores, mucho mayores que en el caso de los cables metálicos. Así el primer enlace telefónico trasatlántico lo instalo AT&T en 1988 y transportaba 37.800 canales de voz en cada dirección mediante un par de fibras. Los repetidores se situaban cada 35 km. En cambio el mejor sistema trasatlántico coaxial es capaz de transportar 4.200 canales con repetidores cada 9.4 km. Con el estado actual de la tecnología las fibras serán capaces de transportar hasta 200 Mbps sobre entre 80 a 100 km sin repetidores. Es así que la combinación de gran ancho de banda y bajas pérdidas lo que permite introducir más canales en el medio de transmisión y con distancias entre repetidores mayores, es decir sistemas más baratos. TTam amaño año yy flexibilidad flexibilidad Un cable de diez fibras ópticas puede tener un diámetro exterior de 8 a 10 mm y ofrecer una misma capacidad de información (aunque con menos repetidores) que un cable coaxial de 10 tubos y 8 cm de diámetro, o que 5 o 10 cables de 2000 pares de 0.8 mm. La diferencia de tamaño repercute en el peso y flexibilidad del cable. así es más fácil transportar y por lo tanto realizar la instalación en fibras ópticas. Por ejemplo la figura compara un cables coaxial con un cable de fibra óptica ambos usados en telefonía digital. El cable coaxial puede transportar 40.300 comunicaciones en ambos sentidos y para cortas distancias. El cable de fibra tiene 144 fibras y un diámetro de 1.25 cm, y puede transportar 24.192 conversaciones en cada fibra, es decir 1.75 millones de llamadas en todas las fibras. A pesar de ser 10 veces menor en tamaño puede transportar mucha más información que el cable coaxial. M Menor enor peso peso La fibra óptica pesa mucho menos que los cables de cobre. Además de que la fibra es menor y más ligera para tener la misma capacidad de transmisión de datos hacen falta más líneas de cable de cobre que de fibra óptica. Así los cables de cobre pueden reemplazarse en general por cables de fibra que pesan del orden de 10 veces menos. En aplicaciones de larga distancia el conjunto del cable de fibra más la electrónica la ventaja del peso es considerable, cuando las distancias son muy cortas la mayor carga de electrónica de las fibras ópticas puede no ser tan ventajosa. FFacto actorres es aam mbbie ienntales tales yy m mate ateria ria pprim rimaa La evolución de la atenuación de las fibras con la temperatura depende en gran parte de la estructuración del cableado. Sin embargo, hay diseños que permiten garantizar la total estabilidad de las pérdidas en el margen de -60 ºC a 80 ºC. Hay que resaltar además que las materias primas utilizadas en las fibras son muy abundantes en la naturaleza, ya que la sílice y los silicatos constituyen uno de los grupos de materiales más abundantes y repartidos sobre la corteza terrestre. M M en enor or co coste ste Los factores que se han ido mencionando pueden resumirse en que los sistemas de fibra óptica son más baratos, ya que son en general los factores económicos los que determinan la utilización o no de una tecnología. Sin embargo la ventaja del coste debe matizarse. Para aplicaciones de corta distancia los sistemas de fibra óptica son más caros que los cables de cobre ya que la electrónica asociada es más cara y compleja. Así a pesar de que la fibra sea más barata que el cobre el sistema no lo es. Los medios se comparan mediante la distancia de coste de equilibrio, es decir aquella distancia en la que los costes de los sistemas de fibra óptica y de cable de cobre son iguales. A mediados de los 80 dicha distancia rondaba los 10 km, hoy en día se acerca a los 100 m, es decir al nivel del cableado horizontal en las LAN. IInm nmunid unidad ad electrom electromagn agnética ética La fibra está compuesta de medios dieléctricos y por lo tanto no metálicos. El cable de cobre o el cable coaxial en cambio son metálicos y como todo cable metálico puede bien recoger o radiar energía electromagnética, es decir actuar como antena. En cambio los equipos electrónicos que acompañan a los sistemas de fibra óptica (en el emisor, receptor y en los repetidores) no son inmunes a la radiación electromagnética por lo que es necesario protegerlos. La interferencia electromagnética (EMI) es una forma de contaminación ambiental, de hecho la cantidad de energía que puede radiar la pantalla de un ordenador está limitada por ley. Como prueba se puede situar una radio AM al lado de una pantalla del ordenador y jugando con el dial la radio puede captar la radiación de la misma. Las fibras ópticas se están utilizando en sistemas de seguridad ya que debido a su inmunidad electromagnética no les afectan los rayos. Como los sistemas de seguridad suelen estar dispersos a lo largo de grandes áreas pueden verse afectados por rayos e interferencias. Otra ventaja es que para tirar la fibra óptica pueden utilizarse los conductos existentes para las líneas de alta tensión ya que al ser inmunes electromagnéticamente no les afecta la radiación de éstas. A Aislam islamiento iento eléctrico eléctrico Como las fibras no radían energía electromagnética la señal transmitida a través de ellas no puede ser captada por el exterior. Además de las ventajas señaladas las fibras presentan también una serie de inconvenientes que pueden limitar su uso en algunos casos como distancias cortas y bajos flujos de información. TTiem iempos pos de de vida vida ddee los los fotoem fotoemisores isores Principalmente los emisores de luz que trabajan en ciertas ventanas del infrarojo, regiones donde la fibra presenta menor atenuación, tienen un tiempo de vida todavía no muy alto (cerca de las 10.000 horas). PPrrecios ecios Los dispositivos de calidad que hemos mencionado en el apartado anterior tienen precios elevados. Así sustituir el cableado de una red local, en general cable de pares, por un cableado a base de fibra óptica resulta muy caro debido a que los circuitos de conversión luz/corriente y corriente/luz son excesivamente caros para la viabilidad del cambio. Existen a su vez inconvenientes relacionados con el desconocimiento de la tecnología y la normativa asociada a la misma. Como se ve la mayoría de los inconvenientes son consecuencia de que la tecnología está en un estado de desarrollo, y su solución avanza día a día.