Los sistemas modernos de comunicación de fibra óptica generalmente incluyen un transmisor óptico para convertir una señal eléctrica en una señal óptica para enviar a través de la fibra óptica, un cable que contiene haces de múltiples fibras ópticas que se enrutan a través de conductos subterráneos y edificios, múltiples tipos de amplificadores y un receptor óptico para recuperar la señal como señal eléctrica. La información transmitida es típicamente información digital generada por computadoras, sistemas telefónicos y compañías de televisión por cable.
TransmittersEdit
Los transmisores ópticos más utilizados son dispositivos semiconductores como diodos emisores de luz (LED) y diodos láser. La diferencia entre los led y los 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 de manera que sean compactos, eficientes y fiables, a la vez que funcionan en un rango de longitud de onda óptimo y se modulan directamente a altas frecuencias.
En su forma más simple, un LED es una unión p-n sesgada hacia adelante, que emite luz a través de la emisión espontánea, un fenómeno conocido como electroluminiscencia. La luz emitida es incoherente con un ancho espectral relativamente amplio de 30-60 nm. La transmisión de luz LED también es ineficiente, con solo aproximadamente el 1% de la potencia de entrada, o aproximadamente 100 microvatios, que finalmente se convierten en energía lanzada que se ha acoplado a la fibra óptica. Sin embargo, debido a su diseño relativamente simple, los LED son muy útiles para aplicaciones de bajo costo.
Los LED de comunicaciones se hacen más comúnmente de fosfuro de arseniuro de indio y galio (InGaAsP) o arseniuro de galio (GaAs). Porque los LED InGaAsP funcionan a una longitud de onda más larga que los led GaAs (1,3 micrómetros frente a 0,81-0).87 micrómetros), su espectro de salida, mientras que el equivalente en energía es más amplio en términos de longitud de onda por un factor de aproximadamente 1,7. El gran ancho de espectro de los led está sujeto a una mayor dispersión de fibra, lo que limita considerablemente su producto de distancia de velocidad de bits (una medida común de utilidad). Los LED son adecuados principalmente para aplicaciones de red de área local con velocidades de bits de 10-100 Mbit/s y distancias de transmisión de unos pocos kilómetros. También se han desarrollado LED que utilizan varios pozos cuánticos para emitir luz a diferentes longitudes de onda en un amplio espectro y actualmente se utilizan para redes WDM (Multiplexación por división de longitud de onda) de área local.
Hoy en día, los LED han sido reemplazados en gran medida por dispositivos VCSEL (Láser Emisor de Superficie de Cavidad Vertical), que ofrecen una velocidad, potencia y propiedades espectrales mejoradas, a un costo similar. Los dispositivos VCSEL comunes se acoplan bien a la fibra multimodo.
Un láser semiconductor emite luz a través de emisión estimulada en lugar de emisión espontánea, lo que da como resultado una potencia de salida alta (~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. El ancho espectral estrecho también permite altas velocidades de bits, ya que reduce el efecto de la dispersión cromática. Además, los láseres semiconductores pueden modularse directamente a altas frecuencias debido al corto tiempo de recombinación.
Las clases comúnmente utilizadas de transmisores láser semiconductores utilizados en fibra óptica incluyen VCSEL (Láser Emisor de Superficie de Cavidad Vertical), Fabry-Pérot y DFB (Retroalimentación Distribuida).
Los diodos láser a menudo se modulan 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, una fuente láser puede ser operada de onda continua, y la luz modulada por un dispositivo externo, un modulador óptico, como un modulador de electro absorción o un interferómetro Mach-Zehnder. La modulación externa aumenta la distancia de enlace alcanzable al eliminar el chirrido del láser, que amplía la anchura de línea de los láseres directamente modulados, aumentando la dispersión cromática en la fibra. Para una eficiencia de ancho de banda muy alta, se puede usar modulación coherente para variar la fase de la luz además de la amplitud, lo que permite el uso de QPSK, QAM y OFDM.
Un transceptor es un dispositivo que combina un transmisor y un receptor en una sola carcasa (ver imagen a la derecha).
La fibra óptica ha experimentado avances tecnológicos recientes. «La clave de cambio de fase en cuadratura de doble polarización es un formato de modulación que envía de manera efectiva cuatro veces más información que las transmisiones ópticas tradicionales de la misma velocidad.»
ReceiversEdit
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 galio. El fotodetector es típicamente un fotodiodo basado en semiconductores. Varios tipos de fotodiodos incluyen fotodiodos p-n, fotodiodos p-i-n y fotodiodos de avalancha. Los fotodetectores Metal-semiconductor-metal (MSM) también se utilizan debido a su idoneidad para la integración de circuitos en regeneradores y multiplexores de división de longitud de onda.
Los convertidores óptico-eléctricos normalmente se acoplan con un amplificador de transimpedancia y un amplificador limitador para producir una señal digital en el dominio eléctrico a partir de la señal óptica entrante, que puede atenuarse y distorsionarse al pasar por el canal. El procesamiento de señales adicional, como la recuperación de datos de reloj (CDR) realizada por un bucle bloqueado por fase, también se puede aplicar 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.
Predistorción Digitaleditar
Un transmisor de sistema de comunicación óptica consta de un convertidor digital a analógico (DAC), un amplificador de controlador y un modulador Mach-Zehnder. El despliegue de formatos de modulación más altos (> 4QAM) o velocidades de transmisión más altas (> 32 GBaud) disminuye el rendimiento del sistema debido a los efectos de transmisor lineales y no lineales. Estos efectos se pueden clasificar en distorsiones lineales debido a la limitación de ancho de banda DAC y el sesgo 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 predistorción digital contrarresta los efectos de degradación y permite velocidades de transmisión de hasta 56 GBaud y formatos de modulación como 64QAM y 128QAM con los componentes disponibles comercialmente. El procesador de señal digital del transmisor realiza la predistorción digital de las señales de entrada utilizando el modelo de transmisor inverso antes de cargar las muestras al DAC.
Los métodos de predistoración digital más antiguos solo abordaban los efectos lineales. Las publicaciones recientes también compensan las distorsiones no lineales. Berenguer et al modelan el modulador Mach–Zehnder como un sistema Wiener independiente y el DAC y el amplificador del controlador son modelados por una serie Volterra truncada e invariante en el tiempo. Khanna et al utilizaron un polinomio de memoria para modelar los componentes del transmisor conjuntamente. En ambos enfoques, la serie de Volterra o los coeficientes polinómicos de memoria se encuentran utilizando arquitectura de aprendizaje indirecto. Duthel et al registra para cada rama del modulador Mach-Zehnder varias señales en diferentes polaridad y fases. Las señales se utilizan para calcular el campo óptico. Los campos de correlación cruzada en fase y cuadratura identifican el sesgo de sincronización. La respuesta de frecuencia y los efectos no lineales están determinados por la arquitectura de aprendizaje indirecto.
Tipos de cable de fibreeditar
Un cable de fibra óptica consta de un núcleo, revestimiento y un tampón (un revestimiento exterior protector), 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) generalmente están 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 fibra.
Los dos tipos principales de fibra óptica utilizados en comunicaciones ópticas incluyen fibras ópticas multimodo y fibras ópticas monomodo. Una fibra óptica multimodo tiene un núcleo más grande (≥ 50 micrómetros), lo que permite que transmisores y receptores menos precisos y baratos se conecten a ella, 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. La fibra monomodo y multimodo se ofrece en diferentes grados.
| MMF FDDI 62,5/125 µm (1987) |
MMF OM1 62.5/125 µm (1989) |
MMF OM2 50/125 µm (1998) |
MMF OM3 50/125 µm (2003) |
MMF OM4 50/125 µm (2008) |
MMF OM5 50/125 µm (2016) |
SMF OS1 9/125 µm (1998) |
SMF OS2 9/125 µm (2000) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 160 MHz·km @ 850 nm |
200 MHz·km @ 850 nm |
500 MHz·km @ 850 nm |
1500 MHz·km @ 850 nm |
3500 MHz·km @ 850 nm |
3500 MHz·km @ 850 nm & 1850 MHz·km @ 950 nm |
1 dB/km @ 1300/ 1550 nm |
0,4 dB/km @ 1300/ 1550 nm |
Con el fin de empaquetar la fibra en un producto comercialmente viable, generalmente se recubre de forma protectora utilizando polímeros de acrilato curado por luz ultravioleta (UV), luego termina con conectores de fibra óptica y finalmente se ensambla en un cable. Después de eso, se puede colocar en el suelo y luego atravesar las paredes de un edificio y desplegarse de forma aérea de manera similar a los cables de cobre. Estas fibras requieren menos mantenimiento que los cables de par trenzado comunes una vez que se despliegan.
Los cables especializados se utilizan para la transmisión de datos submarinos de larga distancia, por ejemplo, el cable de comunicaciones transatlánticas. Los cables nuevos (2011-2013) operados por empresas comerciales (Emerald Atlantis, Hibernia Atlantic) generalmente tienen cuatro hilos de fibra y cruzan el Atlántico (NYC-Londres) en 60-70 ms. El costo de cada cable fue de aproximadamente 3 300M en 2011. fuente: The Chronicle Herald.
Otra práctica común es agrupar muchos hilos de fibra óptica dentro del cable de transmisión de energía de larga distancia. Esto explota los derechos de paso de transmisión de energía de manera efectiva, garantiza que una compañía de energía pueda poseer y controlar la fibra necesaria para monitorear sus propios dispositivos y líneas, es efectivamente inmune a la manipulación y simplifica la implementación de la tecnología de red inteligente.
AmplificationEdit
La distancia de transmisión de un sistema de comunicación de fibra óptica se ha limitado tradicionalmente por la atenuación de la fibra y la distorsión de la fibra. Mediante el uso de repetidores optoelectrónicos, estos problemas se han eliminado. Estos repetidores convierten la señal en una señal eléctrica, y luego usan un transmisor para enviar la señal de nuevo a una intensidad más alta que la recibida, contrarrestando así la pérdida incurrida en el segmento anterior. Debido a la alta complejidad de las señales modernas multiplexadas por división de longitud de onda. incluyendo 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 amplifican la señal óptica directamente sin tener que convertir la señal al dominio eléctrico. Un tipo común de amplificador óptico se llama amplificador de fibra dopada con erbio, o EDFA. Estos se hacen dopando una longitud de fibra con el erbio mineral de tierras raras y bombeándola con luz de un láser con una longitud de onda más corta que la señal de comunicaciones (típicamente 980 nm). Los EDFA proporcionan ganancia en la banda ITU C a 1550 nm, que está cerca del mínimo de pérdida para fibra óptica.
Los amplificadores ópticos tienen varias ventajas significativas sobre los repetidores eléctricos. En primer lugar, un amplificador óptico puede amplificar una banda muy ancha a la vez que puede incluir cientos de canales individuales, eliminando la necesidad de desmultiplicar señales DWDM 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 simples que un repetidor con las mismas capacidades y, por lo tanto, son significativamente más confiables. Los amplificadores ópticos han reemplazado en gran medida a los repetidores en las nuevas instalaciones, aunque los repetidores electrónicos todavía se utilizan ampliamente como transpondedores para la conversión de longitud de onda.
Multiplexación por división de longitud de onda Edit
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 mediante el envío de 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 de división de longitud de onda en el equipo transmisor y un demultiplexor (esencialmente un espectrómetro) en el equipo receptor. Las rejillas de guía de onda dispuestas se usan comúnmente para multiplexar y desmultiplexar en WDM. Utilizando la tecnología WDM ahora disponible en el mercado, el ancho de banda de una fibra se puede dividir en hasta 160 canales para admitir una velocidad de bits combinada en el rango de 1,6 Tbit/s.