¿Qué es la Comunicación Óptica?
La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión de información de un lugar a otro mandando señales de luz a través de fibra óptica.
2. Transmisión de la señal a lo largo de la fibra, garantizando que la señal no sea demasiado débil o distorsionada.
3. Recepción de la señal, lo que consiste en la conversión de ésta a una señal eléctrica.
Esta tecnología fue desarrollada en 1970 revolucionando la industria de las telecomunicaciones.
Su grandes ventajas a causado que en gran medida se sustituya las comunicaciones realizadas por cables de cobre por la de fibra óptica.
La técnica para la transmisión o proceso de comunicación de la fibra óptica implica 3 pasos fundamentales.
1. Creación de la señal óptica mediante el uso de un Transmisor.2. Transmisión de la señal a lo largo de la fibra, garantizando que la señal no sea demasiado débil o distorsionada.
3. Recepción de la señal, lo que consiste en la conversión de ésta a una señal eléctrica.
Transmisores de Fibra Óptica.
Por lo regular La señal de Fibra óptica se transforma en pulsos digitales con código de líneas NRZ
Mediante la asignación de un nivel de tensión a cada símbolo se simplifica la tarea de decodificar un mensaje. Esta es la teoría que desarrolla el código NRZ (non return to zero). La codificación en banda base se considera como una disposición diferente de los bits de la señal on/off, de este modo se adapta la señal al sistema de transmisión utilizado. Para ello se emplean los códigos tipo NRZ.
En sistemas de corta distancia se usan Transmisores LED el cual emite una haz de luz infrarrojo de baja intensidad y para largas distancias se usan Transmisores Láser con luz de mayor potencia y de alta velocidad.
➔ Transmisor LED (Light-Emitting Diode: ‘diodo emisor de luz)
Las comunicaciones led se producen principalmente a partir de GaAsp o GaAs (Arseniuro de galio). Debido a que los LEDs GaAsp operan a una mayor longitud de onda que los LEDs GaAs (1,3 micrómetros contra 0,81-0,87 µm), su espectro de salida es más ancho en un factor de alrededor de 1,7 veces. El ancho de amplio espectro de los ledes causa una alta dispersión en la fibra, limitando considerablemente su producto tasa de bits-distancia (medida común de utilidad).
Los Leds son adecuados para transmisión de red de área local con velocidades de 10 a 100 Mbit/s y distancia de transmisión de unos pocos kilómetros.
- Características
Hay tres formas de conocer la polaridad de un LED.
● La pata más larga siempre va a ser el ánodo[1]
● En el lado del cátodo[2], la base del LED tiene un borde plano
● Dentro del LED, la plaqueta indica el ánodo. Se puede reconocer porque es más pequeña que el yunque, que indica el cátodo.
- Ventajas
● Tamaño reducido
● Resistente a las vibraciones
● Reduce la emisión de calor
● No contiene mercurio, el cual es venenoso a al exponerse al medio ambiente.
● En comparación con la tecnología fluorescente, no crean campos magnéticos altos como la tecnología de inducción magnética.
- Desventajas
● Requieren de disipadores de calor cada vez más eficientes en comparación con las bombillas fluorescentes de potencia equiparables.
➔ Transmisor Láser
Los diodos Láser son a menudo, directamente modulados, que es la salida de luz controlada por una corriente aplicada directamente al dispositivo. Para tasas de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia, una fuente de láser puede ser de onda continua y la luz modulada por un dispositivo externo como un modulador de electro absorción.
El haz emitido es elíptico tiene ángulos de 10° - 20° o de 20° - 30°
El acoplamiento en fibra es mejor que el transmisor LED pero igualmente complejo
➢ Ventajas
- Grandes prestaciones
- Distancias largas mayor a 1 Km
- Alta velocidad mayores a 1 Gbps esto en fibras monomodos
- Puede transmitir y comunicar eficientemente de enlaces troncales de comunicacion (Telefonia, Internet) como lo son la tecnologia SDH[3]/Sonet
Receptor de Fibra óptica
El principal componente de un receptor óptico es una célula fotoeléctrica, que convierte la luz en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico.
Un receptor óptico se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica y por tanto actúa como un transductor óptico-eléctrico. Estos dispositivos absorben los fotones (luz) procedentes de la F.O. y generan una corriente eléctrica sobre un circuito exterior. Existen básicamente dos tipos de detectores: PIN y APD.
➢ Receptor LED – Fototransistor
Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.
Para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos PIN. También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad.
Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión.
Fototransistor PIN: se trata de una versión mejorada de una unión PN elemental que trabaja polarizado en inversa. Son utilizadas de forma general en 850 nm y 1300 nm, con independencia del tipo de F.O.
➢ Receptor Laser – APD
También conocido por el nombre de fotodiodo de avalancha. Se trata de una unión PN polarizada fuertemente en inversa cerca de la región de ruptura lo que origina un efecto multiplicativo de la corriente generada. Su utilización es escasa debido a las elevadas tensiones de polarización (centenares de voltios) que lo hacen desaconsejable.
La ganancia de un APD tiene influencia sobre el ancho de banda. El máximo ancho de banda se da para ganancia 1. Con ganancias más elevadas, el ancho de banda se reduce debido al tiempo necesario para que se forme la foto avalancha.
Son foto detectores especialmente diseñados para medir luz de muy baja intensidad. En los APD la luz externa incide en una zona intrínseca, generando portadores libres, al igual que en un fotodiodo PIN.
El voltaje de polarización inversa es típicamente de 100-200 V y la ganancia por efecto de avalancha es del orden 100 veces.
Tipos de Foto detectores
Estos fotodiodos APD pueden elegirse entre diferentes modelos y tipos, como:
● APD de silicio (longitudes de onda de hasta 1100 nm). Emplean un dopaje alternativo y otras técnicas que permiten aplicar un voltaje mayor (>1500V) antes de alcanzar el efecto de avalancha y, por tanto, una ganancia mayor (>1000). En general, cuanto mayor es el voltaje en inversa, mayor es la ganancia.
● APD de InGaAs /InP (longitudes de onda para 1300 nm). Cada semiconductor que anchura de banda se satisfaga idealmente a las tarifas estándares de la transmisión de la industria de la C.C. a 2.5 gigahertz. Son estos semiconductores óptimos para los usos que exigían receptores altos de la confiabilidad. Para el funcionamiento óptimo con aumentos en la orden de 10 a 15. Pueden funcionar y almacenar entre 40 y 85°C.
● APD de germanio (para 1300 nm). El factor de multiplicación depende fuertemente del voltaje inverso aplicado y de la temperatura, lo que hace dificultoso alcanzar una ganancia estable. Un compromiso típico entre ganancia y estabilidad es un valor del factor de multiplicación entre 50 y 150. En los de APD de Germanio la corriente se dobla cada 9° C a 10° C. A 25° C.
Amplificadores Ópticos
La distancia de transmisión de un sistema de comunicación de fibra óptica ha sido tradicionalmente limitada por la atenuación de la fibra y por la distorsión de la fibra. Mediante el uso de repetidores opto-electrónicos.
Los amplificadores en fibra son amplificadores ópticos que usan fibra dopada, normalmente con tierras raras. Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican. Típicamente, las longitudes de onda de bombeo
Son 980 nm o 1480 nm y para obtener los mejores resultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en la misma dirección que la señal
➔ Amplificador de fibra Dopada (EDFA)
El EDFA es el amplificador de fibra dopada más empleado en la actualidad, ya que es posible amplificar señales en la tercera ventana (1550nm).
Características típicas de los EDFAs comerciales son:
- Frecuencia de operación: bandas C y L (aproximadamente de 1530 a 1625 nm).
- Para el funcionamiento en banda S (por debajo de 1480 nm) son necesarios otros dopantes.
- Baja figura de ruido (típicamente entre 3-6 dB).
- Ganancia entre (15-40 dB).
- Baja sensibilidad al estado de polarización de la luz de entrada.
- Máxima potencia de salida: 14-25 dBm.
- Ganancia interna: 25-50 dB.
- Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB.
- Longitud de fibra dopada: 10-60 m para EDFAs de banda C y 50-300 m para los de banda L.
- Número de láseres de bombeo: 1-6.
- Longitud de onda de bombeo: 980 nm o 1480 nm.
Al dopar con iones de erbio el núcleo de una fibra óptica se provoca un ensanchamiento de las bandas de transición. Esto a su vez provoca un ensanchamiento considerable del rango de longitudes de onda que pueden ser amplificadas. Este efecto puede mejorarse añadiendo al núcleo, aluminio y óxido de germanio.
Las dos longitudes de onda de bombeo más adecuadas son:
- 1480nm (mediante un diodo láser de InGaAsP)
- 980nm (mediante un diodo láser de InGaAs).
Diagnostico digital
El Amplificador Óptico EDFA dispone de un medidor de potencia óptica integrado a la salida del amplificador óptico que permite detectar fallos en el amplificador óptico, reportando una alarma a la controladora SNMP del chasis que a su vez encaminará a la consola de gestión de la red óptica.
Bajo factor de ruido
Con un factor de ruido de 5dB y un factor de amplificación fijo de 20dB de ganancia, la tecnología EDFA es una alternativa más eficiente a los amplificadores SOA y es la única permite el encadenamiento de dispositivos en cascasa. La tarjeta puede ser configurada en fábrica para trabajar en modo Booster o en modo preamplificador óptico, permitiendo una máxima flexibilidad en el caso de que el equipo no pueda ubicarse en el punto medio de una ruta de fibra óptica.
➔ Amplificador de Semiconductor (SOA)
El amplificador óptico de semiconductor suele ser de pequeño tamaño y el bombeo se implementa de forma eléctrica. Podría ser menos caro que un EDFA y puede ser integrado con otros dispositivos (láseres, moduladores...) Su elevada no-linealidad hacen atractivos los SOAs para aplicaciones de procesado como la conmutación todo óptica o la conversión de longitud de onda.El Semiconductor Optical Amplifiers, es muy similar a la de un láser semiconductor pero sin la realimentación que hace que éste oscile. Según como se evite esta oscilación se tienen tres subtipos de amplificadores.
- Amplificadores de enganche por inyección. Son los menos empleados y consisten en láseres de semiconductor polarizados por encima del umbral que se emplea para amplificar una señal óptica de entrada.
- Amplificador Fabry-Perot (FP). Su estructura es básicamente como la de un láser de Fabry-Perot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo así su oscilación. Su principal inconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual que un filtro de Fabry-Perot consiste en una serie de bandas de paso espaciadas periódicamente.
- Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA). En él se eliminan las reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando así la realimentación de la señal, por lo que la amplificación se produce por el paso de la señal un sola vez por el dispositivo. Este amplificador se suele alargar con respecto a los diodos laseres convencionales para aumentar la ganancia.
El amplificador de onda viajera es el tipo de SOA más empleado en la actualidad debido a sus prestaciones en saturación, ancho de banda y ruido. Su estructura consiste en una unión PN polarizada en directa con los extremos de la zona activa recubiertos con un material antireflectante.
Ventajas
- La posibilidad de integración por su reducido tamaño.
- La facilidad de construcción a distintas longitudes de onda variando la composición del material.
Desventajas
- Su geometría rectangular produce pérdidas al acoplarlo con la fibra, y no amplifica por igual las dos polarizaciones de la señal.
- Cuando las señales transmitidas poseen ciertos niveles de potencia aparecen fenómenos de naturaleza no lineal que producen distorsión y diafonias. Por ejemplo, debido a la saturación de la ganancia la señal de un canal puede modular la ganancia instantánea del amplificador de forma que la información de esta señal pase a las señales del resto de canales, esto es la modulación cruzada de ganancia (XGM, Cross-Gain Moulation). Otro efecto similar al anterior que puede producirse en la fase es la modulación de cruzada de fase (XPM, Cross-Phase Modulation).
Los efectos debido a los fenómenos no lineales son útiles para implementar, a partir de los amplificadores ópticos, convertidores de longitud de onda. Se aprovechan estos fenómenos para pasar la información de una señal en una longitud de onda a otra con distinta longitud de onda.
➔ Amplificador de Raman
Es la obtención de una ganancia constante con la longitud de onda, emplenado un EDFA junto con un amplificador Raman
Estos dispositivos se basan en amplificar la señal óptica mediante el efecto Raman. A diferencia de los EDFAs y de los SOAs, los amplificadores Raman se basan en un una interacción no lineal entre la señal óptica y la señal de bombeo de alta potencia. De esta forma, la fibra convencional ya instalada puede ser usada como medio con ganancia para la amplificación Raman. Sin embargo, es mejor emplear fibras especialmente diseñadas (fibra altamente no lineal) en las que se introducen dopantes y se reduce el núcleo de la fibra para incrementar su no linealidad.
La señal de bombeo se puede acoplar a la fibra tanto en la misma dirección en la que se transmite la señal (bombeo codireccional) o en el sentido contrario (bombeo contradireccional). Es más habitual el bombeo contradireccional para evitar la amplificación de las componentes no lineales.
El máximo de ganancia se consigue 13 THz (unos 100 nm) por debajo de la longitud de onda de bombeo.
Para obtener una buena amplificación es necesario usar potencias de bombeo elevadas (de hasta 1 W y hasta 1,2 W para amplificación en banda L en fibra monomodo estándar). Normalmente se emplean más de dos diodos de bombeo. El nivel de ruido que se obtiene es bajo especialmente cuando se usa junto con EDFAs.
Las frecuencias que se pueden generar dependen las frecuencias características de las moléculas que componen el material. Si al tiempo que pasa por la fibra óptica la señal de bombeo pasa otra señal con una frecuencia característica del material, esta frecuencia será estimulada. En el caso de un material amorfo, como es una fibra óptica, las frecuencias características del material son un todo casi continuo, es decir, no son un conjunto de frecuencias claramente diferenciadas como ocurre con los materiales monocristalinos.
Gracias a este concepto se obtiene un nuevo método de amplificar una señal óptica. La señal que provoca la amplificación será la propia señal que transmite la información. Además, si por la fibra se transmite más de un canal, cada uno dará lugar al efecto Raman en su propia frecuencia, produciéndose la amplificación, siempre que estas frecuencias estén dentro del rango de frecuencias características del material.
Una de sus ventajas es que cubre un margen de longitudes de onda no cubierto por los EDFA, por lo que pueden emplearse de forma complementaria.
Los principales inconvenientes que presentan estos amplificadores es la necesidad de una alta potencia de bombeo, cercana al vatio.
