Evolución de la Fibra Óptica en el Futuro (página 2)

La Fibra
Óptica es un filamento flexible, largo y delgado (Del
orden de unas micras) más fino que un cabello humano, es
una guía de ondas
ópticas totalmente dieléctrica y constituida por
dos cilindros concéntricos vítreos de diferentes
Índices de Refracción que forman una estructura
Monolítica, al cilindro interior se le conoce como
Núcleo y no es más que un centro de
Dióxido de Silicio (SiO2) dopado o no, por donde viajan
los pulsos de luz transmitidos
y al cilindro exterior se le conoce como Revestimiento, el
cual conforma una capa exterior que rodea al núcleo
reflejando la luz que incide en él y permitiendo que
dentro del núcleo el valor del
Índice de Refracción sea mayor siempre en el
núcleo que en el revestimiento y la estructura
Núcleo-Revestimiento durante el proceso de
fabricación se protege por una capa de acrilatos
epóxicos llamada generalmente Protección
Primaria.

Figura 2. Estructura de una Fibra
Óptica.

La velocidad de
la luz en el vacío es de 3.108 m/s y varía
sensiblemente en dependencia de la diferencia de la densidad de los
materiales que
atraviesa, para caracterizar la densidad de los materiales se ha
definido el parámetro Índice de Refracción
Absoluto (),
expresado por la relación entre la velocidad de la luz en
el medio considerado ().

Índice de Refracción Absoluto:

Tabla 1. Índice de
Refracción de algunas sustancias
básicas.

II.2.- Índice Refractivo.

El principio subyacente de la transmisión por
Fibra Óptica es que la luz ¨En una secuencia de pulsos
codificados¨ es reflejada o refractada sobre fronteras de dos
medios
ópticos diferentes, constituyendo una guía de onda
para la transmisión de luz y la densidad de un medio
óptico está dada por el Índice de
Refracción (), dicho índice indica que ese es el medio donde la
luz viaja más lentamente, en nuestro caso es el
vacío (En el cual una Fibra Óptica para transmitir (Ver figura
3) consiste en un centro cilíndrico conductor de luz
compuesto por un cristal con alto grado de Silicio que posee un
Índice Refractivo () rodeado por un revestimiento concéntrico de
cristal de Silicio y con Índice Refractivo () ligeramente menor que el
índice del centro, esta diferencia de Índice
Refractivo se obtiene dopando el cristal puro de Silicio con Boro
el cual lo reduce o Germanio que lo incrementa.

Figura 3. Fibra Óptica para
transmitir.

Razón entre las velocidades de una
onda en el vacío y en un medio:

Donde:

c: Velocidad de la luz en el
vacío.

v: Velocidad de la luz en el
medio.

Permeabilidad Magnética en el vacío
=
Farad/m

Permeabilidad Eléctrica en el vacío
=
Henry/m

Figura 4. Variación del
Índice de Refracción con la longitud de
onda.

II.3.- Ángulo de Apertura.

Para obtener una pérdida mínima, la
diferencia entre
y debe ser alrededor del 1%
para que los rayos de luz puedan reflectarse totalmente sobre los
bordes del centro con su revestimiento si se inyecta con un
ángulo dentro del límite crítico, a este
ángulo crítico de aceptación de luz se le
llama Ángulo de Apertura () y es el ángulo máximo de
entrada de la luz en la Fibra Óptica, el mismo permite el
efecto de la guía de onda por reflexión total
interna y se define como:

Al seno del ángulo de apertura se le nombra
Apertura Numérica y se denota:

el mismo
caracteriza el acople de la potencia
óptica en la fibra.

La luz entrante a la fibra fuera de este ángulo
de aceptación se pierde para transmisión;
también se puede perder si la fibra es doblada más
allá del radio
mínimo de curvatura permisible.

Figura 5. Ángulo de
aceptación y Apertura Numérica. (NA)

Dependiente del Ángulo de Apertura para cada rayo
de luz incidente, existe un camino específico llamado
Modo, el cual será seguido a través de la
fibra, a mayor centro más modos pueden
simultáneamente existir y cada uno con diferencias ligeras
en distancia recorrida, de aquí la existencia de dos tipos
fundamentales de Fibras: Fibras Multimodo o Fibra
Monomodo.

El número de modos está definido
por:

Donde:

Representa el número de modos.

Representa el Diámetro del centro en
µm.

Figura 6. Ángulo de
Aceptación y Apertura Numérica. (NA)

Relacionado con el diámetro del centro
está también la longitud de onda de corte
(), la cual
está definida como la longitud de onda por debajo de la
cual los modos de propagación excepto el modo
básico aparecen por primera vez, el espectro de la fuente
de transmisión debe yacer sobre un valor superior a
() para permitir
la transmisión de Monomodo y la longitud de onda para
corte puede calcularse mediante la siguiente
fórmula:

II.4.- Ventanas de Transmisión.

El cristal de Silicio ofrece tres ventanas de
mínima atenuación localizadas entre las fronteras
de absorción ultravioleta e infrarrojo y abarca el rango
de 800nm a 1600nm, la teórica atenuación
mínima entre los dos bordes está determinada por el
esparcimiento Rayleigh, el cual constituye una propiedad
física del
material, cambios de la densidad local del cristal causa una
fluctuación del Índice de Refracción que no
puede ser eliminada y limita la más baja atenuación
espectral de la fibra a un valor bajo de 0.13dB/km a 1550nm,
otras atenuaciones son causadas por impurezas del material tales
como iones OH- que entran a la fibra durante el proceso de
producción y provocan picos de
atenuación a 950nm, 1240nm y 1380nm y la Fibra Monomodo
con una atenuación ligeramente menor de 0.2dB/km es
estándar.

En la figura 7 se muestra la
atenuación típica de la Fibra Monomodo vs la
Longitud de Onda de la luz usada para transmitir a través
de ella y al rango de baja atenuación (Casi Rayleigh)
entre picos de atenuación de absorción se le nombra
Ventana, la Fibra Óptica tiene 3 ventanas de
mínima atenuación.

Las primeras fibras comerciales obtenidas eran del tipo
Multimodo para Salto de índice y operaban a 850nm, las
mismas se caracterizaban por un coeficiente de atenuación
relativamente alto a su vez que la frecuencia de operación
estaba por debajo de 1Ghz a distancias máximas de unos
10Km sin Repetidor, actualmente operan en Redes de Área Local
(LAN) hasta
1Gbits/s y presentan la ventaja de un menor costo,
además de que pueden utilizar como fuente de luz un
dispositivo relativamente barato como el diodo emisor de luz.
(LED)

Figura 7. Ventanas de Trabajo de la
Fibra Óptica.

La segunda generación trabaja a 1300nm y desde el
punto de vista tecnológico se les conocen como Fibras
Multimodos de Índice Gradual, las cuales logran una
atenuación muy baja típicamente inferior a los
0.4dB/Km así como mayor ancho de banda, operando a un poco
más de 2,5Gbps, preferiblemente utilizan fuentes de luz
Láser y
se aplican en redes de larga distancia con tramos de
repetición sobre los 50Km.

La tercera generación es la más importante
porque es un tipo de Fibra Monomodo de altas prestaciones
que puede operar en 1300nm y 1550nm, con atenuación por
debajo de 0.4dB/Km y un ancho de banda que le permite alcanzar
más de 10Gbps, con tramos de repetición de 100Km
aproximadamente y en la cual la pérdida por esparcimiento
de Rayleigh y la absorción infrarroja están
minimizados, la misma requiere necesariamente el empleo de
fuente de láser en sus diferentes alternativas comerciales
se ha convertido en el Caballo de Batalla de las redes de
transporte
óptico actuales y sobre ellas se soportan los sistemas de
transmisión de la Jerarquía Digital Síncrona
(SDH), así como los servicios
Frame Relay y
ATM de banda
ancha.

Figura 8. Espectro
Electromagnético.

En esta figura también se ilustra la enorme
capacidad de transmisión que tiene la Fibra Óptica
e indica los anchos de banda aproximados por ventana, estos
anchos de banda pueden ser calculados como:

Donde:

c: Velocidad de la luz.

Longitud
de onda de la luz.

II.5.- Atenuación.

Es la pérdida de potencia que sufre la
señal óptica al propagarse a través de la
Fibra, si PT es la potencia transmitida a la Fibra y PR la
potencia recibida para una longitud L, entonces la
atenuación se expresa en forma logarítmica (dB)
como:

Donde:

Coeficiente de atenuación en dB/Km.

Figura 9. Atenuaciones en las Fibras
Ópticas.

II.6.- Ancho de Banda.

Para aplicaciones prácticas el ancho de banda de
la Fibra Óptica se define como el producto del
ancho de banda en Ghz y la posible distancia en Km sin
repetidores para un máximo de potencia óptica de
pérdida de 3dB, de esta forma el ancho de banda representa
frecuencia analógica en pulsos diseminados en un rango de
tiempo,
usualmente conocida como Dispersión, por ello a
menos dispersión del pulso sobre la ruta de
transmisión mayor será su ancho de banda, este
ancho de banda expresado convencionalmente en Ghz/Km
estará dado por la fórmula:

Donde:

dT: Dispersión en nS y se calcula:

Donde:

y
Son los 3dB que
valen los pulsos de Transmisión y Recepción
respectivamente.

Podemos plantear que en la actualidad hay dos razones
principales que motivan a una utilización cada vez mayor
del recurso para el ancho de banda:

• 1. Aumento de los servicios de datos, en
  especial los relacionados con Internet que han tenido un
  crecimiento muy fuerte desde su proliferación a escala
  mundial en 1996, un impulso muy fuerte en este sentido se
  está produciendo a partir de la incorporación
  de nuevos servicios de banda ancha como son la
  televisión digital, el video en demanda y las opciones
  de multimedia en general.

• 2. Existencia de diversos protocolos de
  comunicación incompatibles entre sí, tal es el
  caso de IP y ATM en particular, la variante de voz
  empaquetada la cual puede transportarse en diferentes
  formatos como son VoIP, Frame Relay, ATM, entre otros
  además de los servicios de voz convencionales de la
  Red Telefónica Pública Conmutada (PSTN) sobre
  SDH.

Figura 12. Evolución de la velocidad de
Transmisión en la Red.

En la figura 12 se muestra un crecimiento de la
velocidad por año, considerando tres niveles en la
Red:

• 1. El backbone de Internet.

• 2. Las Redes de área local (LAN) donde
  se ha producido un fuerte incremento de velocidad al hacerse
  realidad el nuevo estándar Ethernet de
  10Gbits/s.

• 3. El backbone de Transmisión
  propiamente que transporta la información a grandes
  distancias.

Prácticamente en el año 2000 se logra
sobrepasar el umbral de 10Gbits/s en el backbone de transporte,
obligando a un uso eficiente del ancho de banda potencial que
puede ofrecer la Fibra Óptica, obsérvese en la
propia figura que a partir de este límite las soluciones de
transmisión sobre fibra dejan de ser monocromáticas
para convertirse en multicanales haciéndose necesario el
empleo de varias longitudes de onda a una máxima velocidad
eléctrica fija, que en este caso es de 10Gbps.

Esta tecnología aumenta la
capacidad de la información en fibra proporcionalmente al
número de longitudes de onda utilizado y se obtiene
mediante el Multiplexado Óptico de los flujos de
información monocromáticos, donde a la entrada del
sistema los
cuales se re sintonizan, previamente a una longitud de onda
asignada, alrededor de la ventana de 1550nm, a esta
técnica se le conoce como Multiplexado en Longitud de
Onda (WDM), la cual permite un mejor aprovechamiento del
ancho de banda potencial de la fibra como medio de
transmisión.

II.7.- Dispersión.

La Dispersión se mide en ps/nm-Km y esta
relacionada con el ensanchamiento que sufre un pulso al
propagarse a través de la fibra. La Dispersión
nS) se localiza a
la mitad de la amplitud del pulso o punto de 3dB, en la figura 13
se muestra la Dispersión con un pulso de entrada y el
pulso amplificado de salida luego de recorrer 1Km de fibra y el
correspondiente ancho de banda (1Ghz/Km) de la fibra, la
Dispersión está compuesta esencialmente de la
Dispersión Modal y Cromática, mientras que el modo
polarizado de Dispersión con muy alta velocidad de
transmisión de bits y la dispersión dependiente de
potencia, crean limitaciones de transmisión.

Figura 13. Muestra de
Dispersión con un pulso de entrada y el pulso amplificado
de salida.

II.7.1- Diferentes tipos de Dispersiones.

• Dispersión Modal: Dependiendo del
  Ángulo de Apertura para cada rayo incidente sobra la
  fibra, se generará un camino específico a
  seguir a través de esta, donde a mayor centro
  más modos con mínimas diferencias en cuanto a
  las posibles distancias a recorrer, una fibra típica
  Multimodo con 50µm de centro puede tener varios cientos
  de modos al alargamiento de pulsos ópticos causados
  por las distintas distancias recorridas de los diferentes
  modos y se le nombra Dispersión Modal, esta
  puede ser reducida si decrementamos el diámetro del
  centro, así reduciríamos el número de
  posibles modos simultáneos de ahí que la Fibra
  Monomodo con 8a 10de diámetro central tenga una
  Dispersión Modal Nula.

• Dispersión Cromática: Debida al
  espectro de colores que conforman la luz; está
  compuesta de Dispersión Material y Dispersión
  para Guía de Onda, los pulsos de luz usualmente tienen
  un espectro pequeño decompuestas de diferentes colores
  que viajan a velocidades ligeramente distintas a
  través de la fibra, por lo tanto crean una
  Dispersión Cromática de tipo material
  (Dependiendo del material de la fibra) que también se
  conoce como Grupo para Velocidades de
  Dispersión, donde a mayor estreches del espectro
  de luz fuente, menor será la Dispersión
  Cromática. (Ver figura 14), esta figura que ilustra
  este fenómeno muestra como los pulsos recibidos llegan
  a un punto que comienzan a solaparse consecutivamente unos
  con otros, de ahí la señal
  distorsionada.

Figura 14. Dispersión
Cromática.

Dispersión Material Cromática se define
como:

Donde:

Denota el
factor material de Dispersión en ps/nmxKm.

Espectro
de la fuente de luz en nm.

L: Longitud de la fibra en Km.

La Dispersión Cromática por Guía de
Onda se origina de diferencias de potencias en la velocidad de
propagación en el centro y cubierta exterior y se
representa por:

La Dispersión Cromática total se obtiene
por la suma de la material y la de Guía de
Onda:

La figura 15 muestra la relación entre ambas y
está dada por que más allá de los 1300nm
aproximadamente ambas tienen diferente signo, por lo que la
Dispersión Cromática total puede ser cero, este
punto de cero dispersión en cristal puro de Silicio ocurre
a 1270nm correspondiente a la segunda ventana y una señal
con 10nm de espectro (Láser típicamente)
podría difícilmente experimentar alguna
Dispersión Cromática si transmitiera por esta
segunda ventana, sin embargo, sufriría una mayor
Dispersión del orden de 160ps luego de 1Km si lo hiciera
por la tercera ventana y con el objetivo de
aprovechar la baja atenuación de la tercera ventana se
desarrolló a los 1550nm la Fibra de Dispersión
Movida (DSF) mediante el incremento de material dopante en la
fibra.

Figura 15. Relación entre
Dispersiones.

Las Fibras de Dispersión Aplanada fueron
desarrolladas para una operación óptima en la
segunda y tercera ventana.

• Modo de Dispersión Polarizada: La
  polarización es una propiedad de la luz relacionada
  con la dirección de sus vibraciones donde los rayos de
  luz que viajan en una fibra puedes ser descrita tanto si
  vibran enteramente en el eje X, en el Y o incluso en ambos
  ejes, cada eje representa un Modo de Polarización,
  donde el Modo de Dispersión Polarizado (PMD) proviene
  de las Fibras Monomodos que son esencialmente bimodales desde
  el punto de vista de la polarización y debido a
  imperfecciones de la fibra ocurren demoras de tiempo entre
  los modos polarizados resultando un ensanchamiento del pulso
  y por lo tanto una degradación al transmitir, el PMD
  se mide eny un
  nivel máximo de 0.5está considerado apropiado para Fibras
  Monomodos.

• Modulación de Fase Propia: La
  dependencia del comportamiento de la potencia en la fibra
  trae consigo limitaciones en posteriores transmisiones. Este
  fenómeno conocido como Efecto Kerr crea un
  cambio de fase dependiente de la intensidad que conlleva a un
  ensanchamiento del espectro, resultando una modulación
  de fase propia y también una degradación de la
  forma del pulso, dicho efecto aumenta al aumentar la
  velocidad de transmisión debido a que está
  reducido el intervalo de bit e incrementada la densidad
  espectral.

El Efecto Kerr se basa en un fenómeno que cuando
la luz está presente en un medio, puede ocurrir un
cambio
dependiente de la Intensidad del Índice Refractivo, en
distancias largas de fibra este efecto es acumulativo y altera la
fase de luz significativamente un pulso de luz puede ser
considerado como un rango de intensidades distribuidas y al ser
el cambio de fase proporcional a la intensidad, cada parte del
pulso experimenta un cambio de fase diferente.

II.8.- Amplificación de señales
ópticas.

Para la Amplificación de señales
ópticas en equipos de terminal o repetidor hay dos
soluciones básicas disponibles:

• 1. Componentes Opto–Electrónicos.
  (O/E)

• 2. Amplificadores Ópticos subdivididos
  en:

• i. Amplificadores Ópticos
  Semiconductores. (SOA)

• ii. Amplificadores de Fibra Dopada con Erbium.
  (EDFA)

• Componentes Opto – Electrónicos
  (O/E): Básicamente sirven como convertidores de la
  energía óptica a eléctrica virtualmente
  sin que exista pérdida, consisten en fuentes y
  detectores de luz y las fuentes de luz son principalmente
  LEDs y diodos láser GaAs, los Detectores de luz que
  convierten fotones en electrones, son Diodos Pin o Diodos
  Foto–avalancha (APD), un Diodo Pin consiste en un
  semiconductor intrínseco puro con una capa ligeramente
  dopada entre dos capas p y n, en un ADP un fotón de
  luz que entra en una región de reducción entre
  las capas p y n genera una avalancha de electrones y una
  amplificación interna de la foto–corriente, de
  aquí un incremento de la sensibilidad ambos (Diodos
  Pin y APDs) se pueden utilizar para velocidades de
  transmisión de 20Gbps. Los componentes O/E han
  evolucionado hacia circuitos integrados O/E, las limitaciones
  en la circuitería de componentes O/E causa dificultad
  para alcanzar la velocidad de transmisión de 20Gbps
  para sistemas de Fibra Óptica de simplede aquí la
  creación de los sistemas WDM.

• Amplificadores Ópticos: Un
  Amplificador Óptico amplifica una luz emitida sin
  convertir la señal o mensaje que esta porta en una
  forma eléctrica, la naturaleza, tipo de
  modulación, ancho de banda y velocidad de
  transmisión del mensaje e incluso el número y
  posiciones de las portadoras eléctricas u
  ópticas son desestimadas, al menos superficialmente,
  para el trabajo del amplificador sobre la información
  contenida en la luz emitida.

Los Amplificadores del tipo SOAs y EDFAs tienen gran
aplicación, ambos usan el mismo principio físico,
un rayo de luz incidente es amplificado por emisión
estimulada en un medio que causa amplificaciones por
inyección de energía (También llamado
bombeo), mientras que los SOAs usan un láser de bombeo
especial y aplica bombeador eléctrico, en los EDFAs el
medio amplificador es una pequeña sección
típicamente de 20m ó 30m de Fibra Óptica
dopada con iones raros de la tierra
insertados dentro de circuitos de
línea óptica con bombeo óptico aplicado,
estas impurezas al excitarse con el bombeo de láser crean
un nivel meta estable de energía en el material de la
fibra donde se acumula una cantidad grande de electrones, al
incidir el flujo de fotones de la señal de entrada, se
provoca una emisión estimulada que refuerza la intensidad
de la señal, haciéndose posible el proceso de
amplificación, es decir, se producen al paso de la
señal nuevos fotones lo cual garantiza una
operación total en el dominio
óptico. Para amplificar a 1550nm la fibra es dopada con
iones Erbium (ErNo.68 en la Tabla
Periódica de Mendeleviev, llamados elementos raros de
la tierra), la
emisión estimulada es la base para la amplificación
óptica de un fotón incidente y la emisión
espontánea puede de regreso ser amplificada por
emisión estimulada, esto causa una amplificación de
ruido
indeseado, en la figura 16 se describe los principios de la
transición y la amplificación
óptica.

Figura 16. Principios de la
transición y la amplificación
óptica.

Para operar en la segunda ventana los amplificadores
ópticos usan fibras dopadas con flúor y con otros
elementos raros de la tierra, como Praseodymium (Pr, No.59 en la
Tabla Periódica de Mendeleviev) y tiene
características similares a las de EDFAs,
lógicamente a ellos se les nombra PDFAs, pero más
convenientemente la denominación de Amplificador de Fibra
pudiera considerarse el nombre común para EDFA y PDFA. Los
SOAs generalmente tienen una ganancia y una potencia de
saturación de salida mas baja que los amplificadores de
fibra y su ventaja es que tienen bajo ruido y consumo
eléctrico, además su disponibilidad para estar
tanto en la segunda como en la tercera ventana.

II.9.- Solitones Ópticos.

Para incrementar la capacidad de transmisión de
las Fibras Ópticas (Mayor cantidad de bits de
información por unidad de tiempo) es necesario reducir la
anchura de los pulsos ópticos generados por el transmisor
pero además de la propia limitación
tecnológica que puede existir, la Dispersión
Cromática de la fibra conduce al inevitable ensanchamiento
de los pulsos durante la propagación, tanto mayor conforme
los pulsos son más estrechos y este ensanchamiento de los
pulsos provoca finalmente interferencia entre símbolos y la degradación de la
señal a la salida del foto detector. La solución a
este problema viene posibilitada por los Solitones, un tipo de
pulsos que se caracterizan por mantener su forma durante la
propagación a través de la fibra, los Solitones
Ópticos son pulsos de luz que viajan libres de
distorsión sobre grandes longitudes de la Fibra
Óptica como consecuencia de un balance entre los efectos
dispersivos y no lineales, en especial y bajo ciertas condiciones
de diseño,
el SPM (Auto modulación
de Fase) inducido por la no linealidad de la fibra produce un
chirp de frecuencia que compensa el ensanchamiento producido por
la Dispersión Cromática, evitando de este modo la
utilización de regeneradores ópticos. La
propagación de los Solitones a través de la Fibra
Óptica se rige por la ecuación de Schrödinger
no lineal, de hecho la expresión matemática
en el dominio del tiempo de la forma de onda del solitón
es la única solución estable de la ecuación
de Schrödinger, las soluciones más habituales son las
que tienen un perfil en forma de secante hiperbólica y
cuando el orden es igual a 1 se le llama Solitón
Fundamental y es el utilizado en sistemas de transmisión
dado que los demás no mantienen su forma aunque sí
evolucionan de forma periódica con la distancia, en la
figura 17 se representa la evolución con la distancia por
la fibra del solitón de segundo orden y para su
representación se han utilizado unidades normalizadas de
intensidad, tiempo y distancia, en este último caso con
respecto al período de repetición del pulso,
obsérvese cómo el pulso inicial modifica su forma
para posteriormente volver a recuperarla al final del
período de repetición. (Este patrón se
repite a lo largo de toda la longitud del enlace de Fibra
Óptica)

Figura 17. Evolución de un
Solitón Óptico a lo largo de la
fibra.

Aunque se ha comentado que la forma del pulso se
mantiene durante la propagación, todavía es
necesaria la presencia de Amplificadores Ópticos a lo
largo del trayecto para restaurar el nivel de potencia del pulso
y mantener las propiedades del Solitón, los sistemas de
comunicaciones
ópticas típicos que emplean transmisión por
solitones se caracterizan por enlaces de fibra de gran distancia
(L>10.000Km) divididos en trayectos de longitud del orden de
50Km entre los cuales se sitúan Amplificadores de Fibra
Dopada con Erbio (EDFA) con una ganancia tal que compensa las
pérdidas del tramo de fibra previo, las distancias entre
amplificadores coinciden con múltiplos del período
espacial de repetición de los pulsos.

No obstante, la máxima velocidad de
transmisión alcanzable con esta técnica viene
limitada por una serie de factores como pueden ser la interacción mutua entre los distintos
pulsos o el ruido de emisión espontánea amplificada
(ASE, Amplified Spontaneous Emission) introducido por los
Amplificadores Ópticos, la interacción entre
solitones adyacentes tiene lugar cuando los pulsos se encuentran
excesivamente cercanos (Anchuras de pulso inferiores a 5ps) y se
manifiesta en una atracción que conduce finalmente a la
colisión de los pulsos, por otra parte, la adición
de ruido de emisión espontánea a un solitón,
además de degradar la relación señal a
ruido, provoca que se modifique su energía y frecuencia
central de forma aleatoria, como resultado de ello se producen
fluctuaciones de potencia y jitter temporal a la salida del Foto
detector (Efecto Gordon-Haus) que limitan el valor máximo
alcanzable del producto entre la tasa de bits y la distancia de
propagación, diversas técnicas
para compensar estas degradaciones han sido estudiadas algunas de
ellas consisten en emplear solitones de diferente amplitud,
amplificación limitada en banda, ganancia no lineal o
filtrado de frecuencia deslizante, los filtros utilizados para
reducir el jitter pueden ser del tipo Fabry-Perot o Butterworth,
en el caso de filtros de Butterworth se obtienen mejores
prestaciones debido a su comportamiento
máximamente plano y a una menor inestabilidad.

La gran aplicación de la técnica de
transmisión basada en Solitones se encuentra en los
sistemas de comunicaciones de gran capacidad y larga distancia,
como por ejemplo los enlaces de fibra transoceánicos donde
científicos del NTT (Nippon Telephone & Telegraph) de
Japón
han demostrado ya la transmisión libre de errores de una
señal de 40Gbit/s sobre 70.000Km de fibra lo que confirma
el gran potencial de esta técnica, especialmente si se
combina con esquemas DWDM.

Ventajas principales de la Transmisión
Óptica

Las características de transmisión
concernientes a la atenuación, ancho de banda y
diafonía del cristal puro de Silicio (SiO2) son altamente
superiores a las de líneas de Cobre.

Principales ventajas de la transmisión por Fibra
Óptica:

• Alto ancho de banda: Enorme disponibilidad de
  ancho de banda, cerca de

50 000Ghz en las dos ventanas de baja
atenuación.

• Alta confiabilidad: La calidad de
  transmisión con la tasa de error de bits (BER) del
  orden de 10-10.

• Baja pérdida: Atenuación
  típica de fibra de 0.2dB/Km, permite terminales y
  repetidores altamente espaciados; por ejemplo: 300Km de
  enlace sin repetidores operando a 622Mbps.

• Inmunidad electromagnética: No hay
  interferencia electromagnética y no hay
  diafonía.

• Resistente al fuego: El punto de
  fundición de la fibra de Silicio es aproximadamente de
  1900oC (Contra 1100oC de Cobre).

• Protector de incendios: Los fotones no
  generan chispas y así es seguro operar incluso en
  ambientes explosivos.

• Tamaño pequeño:
  Típicamente dos pares de cable exterior tienen un
  diámetro de fibra de 2mm a 5mm, Cobre trenzado de 3mm
  a 6mm y Coaxial de 12mm a 16mm.

• Peso ligero: El cable de fibra pesa un 10% a
  30% menos que el Cobre.

• Libre de oxidación: El cristal es
  químicamente estable y así puede prevalecer en
  ambientes adversos (Tales como fondos
  oceánicos).

• Aislamiento eléctrico: La fibra
  está libre completamente de alto voltaje.

• Alta flexibilidad física: El cable de
  Fibra Óptica puede fácilmente ser doblado,
  permitiendo su rápida instalación en
  conductores ya en uso.

• Recursos: Contrario al Cobre, el Silicio
  está disponible en abundancia.

Principales desventajas de la Transmisión por
Fibra Óptica:

• Costo: El costo es alto en la conexión
  de Fibra Óptica, las empresas no  cobran por
  tiempo de utilización sino por cantidad de
  información transferida al computador, que se mide en
  Mbyte y el coste de instalación es elevado y altos
  precios de los conectores.

• Acoplamiento y Conectorización: El
  acoplamiento y la conectorización tiene que ser
  extremadamente exacto y la disponibilidad limitada de
  conectores.

• Reparación: Dificultad de reparar un
  cable de fibras roto en el campo. 

• Transmisión: Imposibilidad de
  transmitir potencia.

Características del cable de Fibra
Óptica

Difiere básicamente del de cobre en que no
necesita de protección electromagnética y sí
de un superior mecanismo de protección, los cables de
Fibra Óptica pueden ser utilizados en áreas
explosivas, para ambientes computacionales y médicos
altamente sensibles y no atrae descargas eléctricas.
Contrariamente al cable de cobre, la torcedura de una fibra no es
requerida (Para reducir la diafonía), pero si requiere
libertad de
movimiento con
el objetivo de prevenir esfuerzos de tensión, por lo cual
las Fibras Ópticas son empacadas en un cable con un
núcleo en las siguientes versiones: (Ver figura
18)

• 1. Fibras con más o menos soltura,
  amortiguadas adentro con tubos protectores.

• 2. Fibras con núcleo
  ranurado.

• 3. Fibras encapsuladas en largueros
  planos.

Figura 18. Característica del
cable de Fibra Óptica.

• Fibras con más o menos soltura,
  amortiguadas adentro con tubos protectores: Con esta
  concepción hasta 144 fibras están ubicadas
  dentro de un tubo plástico llenado usualmente con un
  gel para evitar la humedad y la combinación de un
  número de estos tubos forma un cable versiones
  especiales de cables mini tubo de acero han sido fabricadas
  para aplicaciones submarinas, más de 48 fibras son
  colocadas dentro de un mini tubo de acero con diámetro
  externo de 2.3mm y una pared de grosor de 0.2mm, este tubo de
  acero posee protección contra la humedad y la
  abrasión longitudinal, es llenado con thixotropic
  jelly (Gel).

• Fibras con núcleo ranurado: Una o
  más fibras son insertadas con un ángulo de
  soltura en helicoidales ranuras alrededor de ejes de un
  centro termoplástico, las fibras se pueden mover
  dentro de sus ranuras para acomodar estirajees del cable sin
  ninguna tensión y para cables submarinos las ranuras
  helicoidales se llenan con compuesto repelente al agua para
  prevenir propagaciones longitudinales de agua de mar dentro
  del cable en caso de un posible daño.

• Fibras encapsuladas en largueros planos: Los
  cables de largueros planos son los preferidos para cables de
  alta densidad con varios cientos o incluso miles de fibras,
  un pequeño número de fibras son encapsuladas en
  un larguero plano y varios largueros son colocados uno sobre
  otro formando el centro del cable para aliviar
  tensión, cuerdas de plástico y/o silicio
  resistentes son trenzadas alrededor del centro del cable, el
  cual es luego cubierto por una chaqueta de polietileno,
  cloruro de polivinilo o una chaqueta mixta.

Efectos no lineales
de la Fibra Óptica

El gran atractivo que poseen los sistemas de
comunicaciones ópticas se debe a la capacidad que poseen
las Fibras Ópticas para transportar grandes cantidades de
información sobre trayectos extensos sin utilizar
repetidores, para aprovechar el ancho de banda disponible pueden
multiplexarse numerosos canales a diferente longitud de onda
sobre una misma fibra, técnica que se conoce como
WDM (Wavelength Division Multiplexing), adicionalmente
para incrementar los márgenes del sistema se requieren
mayores potencias ópticas de transmisión o
pérdidas de la fibra inferiores, sin embargo, todos los
intentos realizados para utilizar las capacidades de las Fibras
Ópticas se encontrarán limitados por las
interacciones no lineales que se producen entre las portadoras
ópticas que transportan la información y el medio
de transmisión, en los sistemas que operan a velocidades
iguales o inferiores a 2,5Gbits/s y con potencias que no exceden
algunos milivatios para la transmisión de
información, la influencia de los mismos es bastante
reducida por lo que no son considerables, a medida que se
incrementa la velocidad de transmisión a partir de
10Gbits/s, la longitud de los enlaces y la potencia de los
transmisores, los efectos no lineales en la fibra comienzan a ser
importantes y deben ser considerados de forma ineludible porque
alteran significativamente las características de las
señales transmitidas, con la degradación de la
calidad del
sistema y la limitación de la capacidad de
información de los mismos.

Estos efectos no lineales, aunque inciden de diferentes
formas sobre la transmisión se basan en la
interacción de la radiación
transmitida con el material por donde se propaga la
radiación y responde a dos mecanismos básicos, el
primero es la variación del índice de
refracción del material (En este caso la Sílice)
cuando la intensidad de la radiación óptica
sobrepasa una determinada potencia esta variación provoca diferentes
fenómenos como la auto modulación de fase (Self-
Phase Modulation (SPM)), la modulación de fase cruzada
(Cross-Phase Modulation (XPM ó CPM)), la mezcla de cuatro
ondas (Four Wave Mixing (FWM)), también designada por
algunos autores como mezcla de cuatro fotones (Four Photon Mixing
(FPM)) y el segundo mecanismo es la interacción de los
fotones incidentes con algunos modos de vibración del
material que se conocen como Fonones, de esta
interacción resultan dos tipos de dispersiones: La
Dispersión Estimulada de Raman (Stimulated Raman
Scattering (SRS)) y la Dispersión Estimulada de Brillouin.
(Stimulated Brillouin Scattering (SBS))

Los efectos no lineales no son independientes de las
características geométricas de la fibra y el perfil
de la radiación no es rectangular, sino tiene una forma
derivada del modo de propagación, esto da lugar a una
intensidad inconstante que afecta de manera diferente a una y
otras zonas de la sección de la fibra, la intensidad de la
señal disminuye a medida que se propaga, al ser los
efectos no lineales dependientes de dicha intensidad, entonces la
incidencia de estos sobre la transmisión varía con
la distancia para esto se definen dos parámetros
característicos: La longitud y el área
efectiva.

• Longitud Efectiva: Para determinar
  la longitud efectiva, se considera que la potencia es
  constante a lo largo de la longitud del enlace, esta adquiere
  valores de 15Km a 25Km para distancias largas y valores del
  coeficiente de atenuación de la fibra entre 0,15dB/Km
  y 0,25dB/Km.

• Área Efectiva: El área efectiva
  es un parámetro estrechamente relacionado con las no
  linealidades de la fibra óptica que afectarán
  la calidad de transmisión de los sistemas de fibra
  óptica, especialmente en los sistemas de larga
  distancia con amplificación óptica. Los valores
  típicos de área efectiva oscilan entre
  90µm2 y 50µm2.

IV.1.- Efectos no lineales por la variación del
Índice de Refracción de la sílice con
relación a la potencia óptica.

Las Fibras Ópticas tienen un
comportamiento no lineal caracterizado por la dependencia del
índice de refracción con la intensidad del campo
óptico, esta dependencia es conocida como Efecto
Kerr y se expresa como:

Donde:

Índice de Refracción del núcleo
de la Fibra para bajos niveles de potencia
óptica.

Coeficiente del Índice de Refracción no
lineal. (m2/W para el Silicio)

P: Potencia óptica, expresada en
Watt.

Área efectiva del núcleo, expresada en
m2.

Figura 19. Dependencia del
Índice de Refracción con relación a la
potencia óptica transmitida por la fibra.

La figura 19 muestra la relación entre el
Índice de Refracción del Silicio y la Potencia
Óptica, la dependencia del Índice de
Refracción con la potencia es relativamente pequeña
pero cobra importancia en los sistemas ópticos de
comunicaciones de cientos de Kms de longitud.

• Auto modulación de Fase. (SPM: Self-Phase
  Modulation): Es el caso más simple dentro de los
  fenómenos no lineales, pues es la intensidad del pulso
  óptico la cual posee valores diferentes en las
  regiones de subida o bajada que en su máximo, esta
  variación provoca un desplazamiento inducido de fase
  que es diverso en cada zona del mismo y el pulso
  sufrirá una modulación gradual de frecuencia lo
  cual hará que cada parte del pulso tenga una
  frecuencia distinta a este fenómeno se le conoce como
  la terminología inglesa Chirping, tal efecto
  puede degradar aquellos sistemas ópticos de una sola
  longitud de onda que empleen esquemas de modulación de
  fase.

La SPM convierte las fluctuaciones de la potencia
óptica de la señal contenida en un canal en
fluctuaciones de fase de la señal y la variación de
la fase debido a la no linealidad del Índice de
Refracción está dada por:

Donde:

Fluctuación rms de la fase en
radianes.

Fluctuación rms de la potencia en
mW.

En sistemas Mono canales prácticos el ruido de
fase resultante es menor que 0,04radianes.

La Dispersión de la fibra influye notablemente en
la magnitud de la SPM (Mientras mayor sea la Dispersión
Cromática de la fibra, mayor será la SPM) y por
otra parte, el diseño de las fibras contribuye a evitar la
SPM las fibras diseñadas con un área efectiva
amplia tienen un umbral alto de SPM.

• Modulación de fase cruzada. (XPM:
  Croos-Phase Modulation): En sistemas WDM la
  modulación de fase cruzada convierte las fluctuaciones
  de potencia óptica de un determinado canal en
  fluctuaciones de fase en el resto de canales, para
  idénticos parámetros del sistema el
  fenómeno no lineal de XPM es el doble de eficiente que
  el SPM.

La XPM es similar a la SPM, con la excepción de
que esta involucra más de un pulso de luz y en este caso
el efecto del cambio de Índice de refracción se ve
reforzado por la existencia de otro canal. En la XPM el efecto
mutuo de la interacción de todos los pulsos que viajan por
el interior de la fibra sobre su Índice de
Refracción provoca que los pulsos se distorsionen en
relación con su interacción.

En un sistema de N canales la fluctuación de fase
rms en un canal particular, debido a las fluctuaciones de la
potencia en otros canales, está representada
por:

A diferencia de la SPM, la dispersión de la fibra
tiene un impacto pequeño en la XPM, con el aumento del
área efectiva de la fibra se reduce el XPM y el resto de
las no linealidades de la fibra. Este fenómeno adquiere
importancia en los sistemas con elevados números de
canales y que están próximos en longitud de onda,
la manera más fácil de evitar la modulación
de fase cruzada es espaciando los canales del sistema a 100Ghz,
lo cual es posible porque con este intervalo de frecuencias las
constantes de propagación son suficientemente diferentes
como para desplazarse a velocidades diferentes y el solapamiento
que pueda existir entre los pulsos desaparezca a una corta
distancia, desapareciendo así la XPM entre dichos pulsos
esto es posible cuando la diferencia entre la dispersión
cromática de los canales sea alrededor de 2ps/nm-Km, que
ocurre con el espaciado de 100Ghz, siempre que dichos canales no
se encuentren cerca del valor de dispersión nula para
fibras monomodos estándar y el fenómeno XPM es un
problema grave para las fibras de dispersión desplazada a
1550nm cuando se trabaja a velocidades por encima de
10Gbit/s.

• Mezclado de cuatro ondas (FWM: Four-wave Mixing)
  o Mezclado de cuatro fotones (FPM: Four-Photon Mixing):
  La mezcla de cuatro fotones (FPM) ocurre sólo en los
  sistemas de transmisión que portan
  simultáneamente muchas longitudes de ondas, como es el
  caso de los sistemas DWDM la origina la dependencia del
  Índice de Refracción de la fibra con la
  intensidad de la luz.