Hitos Históricos y Evolución de la Fibra Óptica

• 2000 a.C. – Vidrio.
• 1000 a.C. – Señales de fuego.
• 400 a.C. – Alfabeto con antorchas.
• 1713 – Cristal hilado.
• 1791 – Telégrafo óptico.
• 1865 – Maxwell: teoría electromagnética.
• 1870 – Tyndall: guiado de luz.
• 1880 – Bell: fotófono.
• 1958 – Láser.
• 1961 – Fibra monomodo.
• 1964 – Kao: 20 dB/km.
• 1970 – Fibra óptica de bajas pérdidas.
• 1975 – Fibra óptica comercial.
• 1984 – SDH.
• 1987 – Amplificadores de fibra.
• 1988 – Enlace transatlántico.
• 1997 – WDM.
• 2000 – DWDM.

Hitos Nacionales

• 1997 – ENTEL: La Paz–Oruro.
• 2002 – AXS: La Paz–Santa Cruz.
• 2009 – ENTEL: SDH/DWDM/OTN.
• 2011 – TIGO: red nacional.
• 2011 – Metro Ethernet/FTTx.
• 2013 – AXS y COTAS: eje troncal.

Conceptos Clave en Comunicaciones Ópticas

Láser: permitió nuevas aplicaciones de la luz, alta monocromaticidad, gran direccionalidad y coherencia.

Fotónica: usa fotones (luz) en vez de electrones, mantiene la información en forma óptica, sistemas más eficientes, económicos, livianos y pequeños, sin diafonía. Varias longitudes de onda pueden viajar por una sola fibra.

Red óptica: red que usa componentes ópticos y ondas de luz para transmitir o conmutar datos. Puede ser optoelectrónica o todo-óptica.

Particularidades de la Red

Usa la luz para transportar datos, trabaja a frecuencias mucho mayores que una red inalámbrica y utiliza la fibra óptica como guía de onda.

Conductores: la principal razón es la gran demanda de ancho de banda. Los componentes ópticos permiten redes más potentes, económicas y simples.

¿Cuál es el límite?: en el rango de 1525 a 1625 nm, la capacidad indicada es de 16 Tbps.

Principios Físicos de la Luz

• Reflexión: un rayo de luz llega a un medio de diferente densidad y rebota total o parcialmente en la interfaz entre los dos medios.
• Refracción: la luz pasa de un medio a otro de diferente densidad y cambia su velocidad y dirección de propagación; una pequeña parte también puede reflejarse.
• Difracción: ocurre cuando una onda choca contra un obstáculo o pasa por un agujero. Es mayor cuando el tamaño del obstáculo o abertura es parecido a la longitud de onda.
• Reflexión total: ocurre cuando la luz pasa de un medio más denso a uno menos denso y el ángulo de incidencia aumenta hasta superar cierto valor; entonces la luz se refleja completamente.
• Incidencia de la luz en la FO: para que la luz se propague dentro de la fibra debe entrar con un ángulo adecuado, de manera que se produzca reflexión total entre el núcleo y el revestimiento.
• Apertura numérica (AN): determina la condición de incidencia de la luz y la eficiencia de acoplamiento entre la fuente y la fibra. A mayor AN, mayor facilidad para introducir luz en la fibra.
• Aceptancia: indica la cantidad de luz que puede introducirse en la fibra. Depende de la sección del núcleo, del cuadrado de la apertura numérica y del perfil del índice.
• Pérdidas de Fresnel: no toda la luz que llega a la fibra logra entrar. En la transición aire–vidrio se pierde aproximadamente un 4 % de la luz por reflexión.

Generaciones de la Tecnología de Fibra Óptica

Comparativa de Tecnologías de Transmisión

Atributos y Estructura de la Fibra Óptica

Atributos y ventajas de la FO: tiene baja atenuación, alto ancho de banda, es inmune a interferencias eléctricas, tiene poco peso y tamaño, usa material dieléctrico como SiO₂ y ofrece mayor seguridad.

Estructura de la Fibra

Se define por el diámetro del núcleo, diámetro exterior o revestimiento y la apertura numérica (AN). Se consideran la no circularidad y la concentricidad.

• Estructura MM (Multimodo): se consideran diámetro del núcleo, diámetro exterior, AN y distribución del índice de refracción.
• Estructura SM (Monomodo): se consideran diámetro del mode-field, diámetro exterior y longitud de onda de corte.

Tipos de Fibra Óptica

Fibra óptica multimodo: primera en fabricarse. Transporta múltiples modos al mismo tiempo y tiene un núcleo más grande que la fibra monomodo. El número de modos depende de la apertura numérica. Facilita el acoplamiento de la luz, pero su principal desventaja es el ancho de banda reducido por la dispersión modal. Los diámetros típicos son 50/125 y 62,5/125 µm.

• Salto de índice: existe una discontinuidad del índice de refracción entre núcleo y revestimiento.
• Índice gradual: el índice cambia poco a poco y los rayos que recorren mayor distancia viajan más rápido, ayudando a reducir la dispersión temporal.

Fibra óptica monomodo: tiene un núcleo mucho más pequeño, por lo que transmite un solo modo y evita la dispersión multimodal. Su diámetro típico es 9/125 µm. Posee menor atenuación y permite alcanzar grandes distancias y altas tasas de bit. Como desventaja, el acoplamiento de la luz es más complicado. Sus límites son la dispersión cromática y los efectos no lineales.

Estándares de Fibra Monomodo

• Fibra monomodo estándar (SSMF G.652): tiene una atenuación de 0,2 dB/km y dispersión cromática de unos 16 ps/km·nm a 1550 nm. Su dispersión es nula cerca de 1310 nm. Tiene bajas pérdidas a 1550 nm y puede trabajar con EDFA.
• Fibra de dispersión desplazada (DSF G.653): desplaza la dispersión nula hacia 1550 nm. Tiene pérdidas de 0,25 dB/km. Su principal problema son los efectos no lineales, especialmente FWM, por lo que no es adecuada para DWDM.
• Fibra de dispersión desplazada no nula (NZDSF G.655): tiene una dispersión cromática reducida pero no nula, para disminuir los problemas de no linealidad. Puede tener dispersión positiva o negativa y está diseñada para DWDM.
• Fibra compensadora de dispersión (DCF): tiene una dispersión cromática alta y de signo contrario a la fibra estándar. Se coloca un tramo de DCF para compensar la dispersión acumulada. Como desventaja, tiene mayor atenuación (0,5 dB/km).
• Fibra de mantenimiento de polarización (PMF): permite propagar una única polarización de la señal óptica. Se usa en dispositivos sensibles a la polarización y funciona mediante deformaciones en el núcleo que producen un comportamiento birrefringente.
• Fibra óptica de plástico (POF): tiene pérdidas de 0,15–0,2 dB/m a 650 nm, gran apertura numérica y ancho de banda reducido. Sus ventajas son el manejo e instalación sencillos y una mayor robustez.
• Fibra de cristal fotónico: es una fibra de sílice con una microestructura de agujeros de aire. Puede tener núcleos muy pequeños, amplias bandas de propagación monomodo y permite ajustar la dispersión cromática mediante su geometría.

Fabricación de la Fibra Óptica

Material de fabricación: la fibra óptica se fabrica principalmente con dióxido de silicio (SiO₂). Debe ser muy puro para tener buena transparencia. Para modificar el índice de refracción se agregan dopantes: boro y flúor en el revestimiento para disminuirlo, y germanio y fósforo en el núcleo para aumentarlo.

Procesos de Producción

• Preforma: se crea una preforma y luego se estira. La preforma es un cilindro macizo de SiO₂ dopado que sirve como materia prima.
• Estirado de la preforma: en este proceso se fija el diámetro exterior de la fibra. La preforma se calienta a unos 2000 °C para ablandar el cuarzo. Se deben evitar turbulencias y cuerpos extraños. Finalmente, se coloca una capa protectora de acrilato de 250 µm para evitar microcurvaturas.

Métodos de Deposición

• OVD (Outside Vapor Deposition): se parte de una varilla de cerámica y se depositan capas con dopantes. Luego la preforma porosa se seca con cloro gaseoso.
• VAD (Vapor Axial Deposition): la preforma crece axialmente sobre un cilindro auxiliar. Se deposita tanto el núcleo como el revestimiento.
• MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition): se coloca un tubo de cuarzo en un torno y se calienta entre 1400 y 1600 °C mientras se introducen dopantes en el interior.
• PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition): similar al MCVD, pero utiliza plasma generado con microondas para mejorar la precisión del perfil del índice.

Fenómenos de Degradación de la Señal

Efectos Lineales

Son efectos que pueden ser compensados. Incluyen atenuación, pérdidas de los componentes y dispersión. Las soluciones incluyen la regeneración electrónica y la amplificación óptica (SOA, PDFA y EDFA).

• Atenuación: disminución de la señal medida en dB/km. Causas: absorción, scattering (difusión) y radiación.
• Absorción: la energía se transforma en calor por el material o impurezas.
• Scattering (difusión): la luz se dispersa por partículas o irregularidades. La dispersión de Rayleigh ocurre por falta de homogeneidad.
• Radiación: pérdidas por curvaturas y microcurvaturas.
• Dispersión: ensanchamiento de los pulsos que limita el ancho de banda.

Tipos de Dispersión

• Dispersión modal: característica de fibras multimodo por diferentes caminos de los modos.
• Dispersión del material: depende del material; baja cerca de 1300 nm.
• Dispersión de guía de ondas: importante en monomodo; depende del confinamiento de la luz.
• Dispersión cromática: suma de material y guía de ondas.
• PMD (Polarization Mode Dispersion): dispersión por modo de polarización que causa problemas en altas velocidades.

Efectos No Lineales

A diferencia de los lineales, estos se acumulan y son más difíciles de compensar.

• FWM (Four Wave Mixing): mezcla de cuatro ondas. Es el efecto más crítico en WDM porque genera interferencia (cross-talk).
• No linealidad de Kerr: el índice de refracción varía con la intensidad. Produce SPM, XPM y FWM.
• SPM (Self-Phase Modulation): el pulso modifica su propia fase, causando cambios de frecuencia (chirp).
• CPM/XPM (Cross-Phase Modulation): un pulso es afectado por otro de diferente longitud de onda, produciendo jitter.
• SSB (Stimulated Scattering Brillouin): interacción con la materia; influye poco en WDM.
• SRS (Stimulated Raman Scattering): transferencia de potencia entre canales, reduciendo los de onda corta y amplificando los de onda larga.

Etiquetas: fibra óptica, fotónica, redes ópticas, telecomunicaciones, WDM