Sistemas de Cableado basados en Fibra Óptica
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Sistemas de Cableado basados en Fibra Óptica AGENDA • • • • • • • • • • La necesidad de la fibra óptica. Introducción a las comunicaciones ópticas. Tipos de fibra óptica. Cables de fibra óptica. Conectores de fibra óptica. Conectorización. Empalmadoras de fusión. Diseño de enlaces ópticos. Medidas de enlaces ópticos. Reflectómetros ópticos. Estándares de Cableado ¿QUIEN ESCRIBE LOS ESTANDARES? • INTERNACIONAL (PERO BASADOS EN EUROPA) • ISO INTERNATIONAL STANDARDS ORGANISATION • IEC INTERNATIONAL ELECTRO TECHNICAL COMMISION • ISO/IEC 11801 ESTANDARES El sistema de cableado genérico tiene una topología de estrella jerárquica. CD El sistema de cableado debe tener esta forma. El número y la presencia de CD y BD depende de la situación geográfica del lugar en cuestión. BD CABLE TRONCAL CAMPUS BD BD CABLE TRONCAL EDIFICIO FD FD FD CABLEADO HORIZONTAL Por ejemplo, un único edificio no tiene por que necesitar un repartidor de campus. TO TO TO TO ESTANDARES TO TO FD TO FD TO FD TO TO FD FD FD FD BD CD FD Las funciones del BD y FD se pueden combinar BD/FD Están permitidos enlaces adicionales entre FD, y en algunos casos se utilizan como backup de emergencia, etc. EVOLUCIÓN DEL TRÁFICO DE RED La regla 80/20 • Se aplicaba cuando los grupos de trabajo prevalecían • 80% del tráfico se produce dentro del grupo de trabajo • 20% del tráfico es entre distintos grupos • Los servidores pertenecen al grupo de trabajo Core Switching / Routing 20% 80% 80% Workstation Workstation Workstation Local Server Workstation Workstation Local Server Workstation 80% Workstation Workstation Local Server Workstation Los servicios de las compañías (como el e-mail) incrementaron el tráfico en las troncales Core Switching / Routing 60% 40% 40% 60% 60% Workstation Workstation Workstation Local Server Workstation Workstation Local Server Workstation 40% Workstation Workstation Local Server Enterprise Service Workstation eMail Server Los servicios de las compañías se desplazaron hacia el núcleo conforme la demanda aumentaba Core Switching / Routing eMail Server Enterprise Service 40% 40% 40% 60% 60% Workstation Workstation Workstation Local Server Workstation Workstation Local Server Workstation 60% Workstation Workstation Local Server Workstation La migración de los servicios hacia el núcleo condujo a la formación de centros de datos y granjas de servidores, pero también incrementó la necesidad de ancho de banda en las troncales Core Switching / Routing eMail Server Enterprise Servers Enterprise Services 80% 80% Virtual LAN needed to Assign Enterprise Services to Workgroup 80% 20% 20% Workstation Workstation Workstation Laser printer Laser printer Workstation Workstation Laser printer Workstation 20% Workstation Workstation IBM laser printer Workstation ASCII Printer Plotter Redes de Area Local Switch Principal 10 Gbps 1 Gbps 100 Mbps LAN Switch LAN Switch LAN Switch 100 10 10 100 100 10 10 10 1995 1G 1G 100 100 2000 1G 1G 1G 2005 ARQUITECTURA LAN 100BaseTX 100 Ethernet switch Una Planta Troncal de edificio 1000 10 Gigabit ethernet Troncal de Campus Otra Planta El mundo exterior RTC, RDSI, lineas dedicadas servidores 1000 Gigabit Ethernet Un Edificio Otro Edificio Switch router COMPARADA CON EL COBRE • La fibra tiene un ancho de banda mucho mayor • La fibra tiene mucha menos atenuación • La fibra no se ve afectada por las interferencias electromagnéticas • La fibra es pequeña y ligera • La fibra es segura INTRODUCCIÓN A LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS ¿QUE ES LA FIBRA OPTICA? Revestimiento Rayo de luz Núcleo INDICE DE REFRACCIÓN n1<n 2<n 3 n1 n2 n3 REFRACCION / REFLEXION Rayo refractado rayo refractado rayo reflectado AIRE AGUA Rayo incidente Ejemplo 1 angulo critico rayo incidente Ejemplo 2 rayo incidente Ejemplo 3 APERTURA NUMERICA INTRODUCIENDO LA LUZ EN LA FIBRA REVESTIMIENTO θ NUCLEO Eje A Cono de aceptación El ángulo A es el Angulo Crítico. La N.A.( Apertura Numérica de la fibra ) = SINθ. Cuanto mayor sea el valor de N.A., más fácil es introducir luz en la fibra Dispersion Modal Pulso de Salida Pulso de Entrada Multimodo Salto de Indice T kT Transmisión de Señales On Off On On Off On Umbral del Receptor 1 0 On Off On 1 1 0 1 On On On Dispersión excesiva 1 1 1 Bit Error Off Off Off Dispersión excesiva + atenuación 0 Bit Error 0 0 1.48 1.46 0 1.00 MM Salto de Indice 125 1.48 0 1.46 MM Indice Gradual 1.00 Diametro (µm) Diametro (µm) Pérfiles del Indice de Refracción del núcleo 125 Indice de Refracción Dispersion Modal Pulso de Salida Pulso de Entrada Multimodo Indice Gradual Rapido Lento Rapido T k’T DISPERSION - ANCHO DE BANDA índice de Pulso a la Sección de la fibra refracción entrada Tipo : multimodo de salto de indice 125 um 100 um n Tipo : multimodo de indice gradual 125 um 50um n Tipo : monomodo 125 um 10um n Propagación del pulso Pulso a la salida Diferentes Tipos de Fibra 62.5 um 125 um 50 um 9 um 125 um 125 um TIPOS DE FIBRA ¿Porqué hay diferentes tipos de fibra (multimodo/monomodo)? Cuando más pequeño es el núcleo, menor atenuación mayor ancho de banda Pero más difícil de conectorizar y medir requiere el uso de laser Led vs Laser LED Laser Atebuación Ventanas de Longitud de Onda 800 1ª Ventana 850nm 1000 1200 1400 2ª Ventana 1300nm 1600 3ª Ventana 1550nm Longitud de Onda • 850nm y 1300nm/multimodo-LED • 1310nm y 1550nm/monomodo-Laser LED vs. Laser para Multimodo • Velocidad máxima de transmisión de un LED ~ 622 Mbps • Las velocidades de Gigabit requieren lasers • ¿Porqué no utilizar entonces monomodo…? VCSEL • Laser de Emisión por superficie de cavidad vertical (Vertical Cavity Surface Emitting Laser - VCSEL) – Similar al Laser Fabry-Perot, pero… • Reduce drásticamente el coste de los lasers acercandolos a los LEDs • Disponible sólo en 850 nm Fuentes de Luz 10/100 Mbps 1 Gbps 10Gbps 850nm LED VCSEL VCSEL 1300nm LED LASER LASER Multimodo 1310nm Monomodo LASER 1550nm ESPECIFICACION DE FIBRA OPTICA Tipo Fibra Ancho de Banda Mhz - km 850nm 1300nm 50/125 400 600 3 1 1.488 62.5/125 200 500 3.5 1 1.499 1310nm 1550nm 0.45 0.30 Monomodo Atenuación Dispersión dB/km ps/nm - km 850nm 1300nm 1310nm 1550nm 3.5 18 Indice Refracción 1.468 GIGABIT ETHERNET FIBRA ANCHO DE BANDA MHz.km 850/1300 nm DISTANCIA m 850nm 1300nm • 62.5/125 • 62.5/125 160/500 200/500 220 550 275 550 • 50/125 • 50/125 400/400 500/500 500 550 550 550 IEEE 802.3z aprobado el 25 de Junio de 1998 NUEVAS PROPUESTAS PARA FIBRA DE ISO 11801 ISO 11801 2ª Ed PROPONE ‘CLASES’ DE FIBRA PARA DIFERENTES APLICACIONES ISO 11801 2ª Ed. Tipos de Fibra Optica Ancho de Banda (MHz-Km) Clase Optica Tipo de Fibra Núcleo Saturado (LED) 850 1300 Efectivo (LASER) 850 OM1 62.5/125 200 500 ND OM2 50/125 500 500 ND OM3 50/125 1500 500 2000 ISO 11801 2ª Ed. Clases de Fibra Optica Velocidad de Transmisión (Mbps) Distancia (M) 300 500 2000 10 OM1 OM1 OM1 100 OM1 OM1 OM1 1000 OM1 OM2 OS1 10000 OM3 OS1 OS1 CABLES DE FIBRA OPTICA Brand-Rex Ltd CONSTRUCCION TIPICA DE FIBRA Revestimiento 125um Núcleo Protección primaria 250um Fibra óptica con protección primaria CONSTRUCCIÓN DEL CABLE • Protección de la fibra • Elementos de refuerzo • Barreras anti humedad • Armaduras • Cubiertas CABLES DE FIBRA OPTICA PROTECCIÓN AJUSTADA Brand-Rex Ltd Latiguillo Duplex "T2ZL" 900um Fibra ajustada Cubierta LSF/0H Duplex plano "T2L" Brand-Rex Ltd CABLES DE FIBRA OPTICA PROTECCIÓN AJUSTADA Barrera antihumedad Fibras de aramida Brand-Rex Ltd Cubierta LSF/0H Hasta 24 fibras de protección ajustada Universal, distribución “C-NMLU” CABLES DE FIBRA OPTICA UNITUBO Capa de fibras de aramida como elementos de refuerzo Brand-Rex Ltd Cubierta Exterior material LSF/0H Hasta 12 fibras en un tubo relleno con gel Supertubo “LU” CABLES DE FIBRA OPTICA MULTITUBO Cubierta PVC Elemento central de acero Cubierta Polietileno Relleno de gel Brand-Rex Ltd Armadura de hilos de acero galvanizado Cinta de Aluminio Barrera antihumedad . 6 tubos rellenos de gel colocados helicoidalmente alrededor del elemento central hasta 12 fibras por tubo Atadura Armadura de hilos de acero “S-MB-SWA” PRUEBAS DEL CABLE IEC 794 / EN 187 000 • TRACCIÓN MÁXIMA • APLASTAMIENTO • IMPACTO • FLEXIBILIDAD • TORSION • RADIO DE CURVATURA • RANGO DE TEMPERATURAS • PENETRACION DE AGUA CONECTORES ÓPTICOS CONECTORES • El propósito de los conectores es enfrentar dos fibras ópticas. • Tienen que cumplir correctamente su función: – Conectar y desconectar • Un buen conector debe ofrecer resultados repetitivos. DIAGRAMA DE UN CONECTOR PROTECTOR DEL CABLE CASQUILLO DE CRIMPADO CUERPO FERRULE ADAPTADORES Dos conectores ópticos se conectan utilizando un pequeño accesorio llamado de múltiples formas: las mas usuales son “adaptador” y “acoplador”. ADAPTADOR SC ADAPTADOR ST ENFRENTAMIENTO • En realidad pretendemos alinear los núcleos de las dos fibras. • La concentricidad es fundamental: – – – – Núcleo-Revestimiento Revestimiento-Capilar Capilar-Ferrule Ferrule-Guías de alineamiento PARÁMETROS • Existen dos parámetros básicos para definir la calidad de un conector. • Pérdidas de Inserción: es la atenuación del conector en dB (menor valor, mejor) • Pérdidas de Retorno: expresa la cantidad de luz reflejada por el conector (mayor valor, mejor). Es más importante en monomodo. PÉRDIDAS INTRÍNSECAS DIFERENTES DIÁMETROS DE NÚCLEO DIFERENTES APERTURAS NUMÉRICAS PÉRDIDAS EXTRÍNSECAS DESALINEAMIENTO LATERAL SEPARACIÓN ENTRE LAS FIBRAS PÉRDIDAS EXTRÍNSECAS DESALINEAMIENTO ANGULAR PULIDO DEFECTUOSO Conectores Opticos LC ST SC SC MT-RJ CONECTORES Y ADAPTADORES SC-DÚPLEX CONECTORES Y ADAPTADORES ST No se recomienda su utilización con fibra monomodo Conectores y adaptadores MT-RJ Conectores y adaptadores LC CONECTORIZACIÓN DE FIBRA ÓPTICA CONECTORIZACIÓN • Existen dos formas de conectorizar una fibra: • Montando manualmente un conector sobre el extremo de la fibra. • Empalmando un pigtail por fusión a la fibra. CONECTORIZACIÓN MANUAL La conectorización (colocación de conectores en los cables de fibra óptica) se realiza mediante diferentes técnicas: EPOXY HOT MELT (3M) ANAEROBICO Curado en frío CRIMPADO AJUSTE DE LA FIBRA REVESTIMIENTO MAL FERRULE CUERPO PROTECCION PRIMARIA BIEN INSERCIÓN DE LA FIBRA Resina Fibra Ferrule Ferrule Cuerpo Cuerpo Resina CORTE DE LA FIBRA Fibra Cuchilla Fibra Resina Resina Ferrule Cuerpo Ferrule Cuerpo PULIDO DE LA FIBRA B A C MONTAJE DE UN PANEL REPARTIDOR PARA RACK DE 19” PANEL REPARTIDOR COMPACTO PARA RACK PREPARACIÓN DEL PANEL 16mm 20mm 25mm 20mm 16mm INSTALACIÓN DE LOS ADAPTADORES PREPARACIÓN DEL CABLE POSITION "A" 2 METRES 2 METRES SECOND MARK FIRST MARK COMPRESSION GLAND PELADO DEL CABLE CUT YARNS BACK TO GLAND FIJACIÓN DEL CABLE NYLON CABLE TIE ORDENACIÓN DE LAS FIBRAS EN EL PANEL NYLON CABLE TIES EMPALMADORAS DE FUSION EMPALMES DE FIBRA OPTICA • Existen tres motivos para realizar empalmes en planta externa: – Sobrepasar la máxima longitud instalable. – Sobrepasar la longitud suministrada por bobina. – Realizar segregaciones o derivaciones. • Los empalmes deben estar protegidos por cajas. • También empalmamos fibras al utilizar pigtails en la conectorización. CAJA DE EMPALME 1 2 3 4 5 7 6 8 CAJA DE EMPALME PANEL REPARTIDOR MODULAR PARA RACK HEL-FCAS-001 HEL-FCAS-002 HEL-FMKIT-001 HEL-FMKIT-003 HEL-FMKIT-002 320mm Connector Front Plates EMPALMES DE FIBRA OPTICA • Existen dos métodos para empalmar fibras ópticas: – Empalmes mecánicos (solo para multimodo). – Empalmes de fusión (monomodo o multimodo). EMPALMES MECÁNICOS FIBRES INDEX MATCHING GEL PRECISION MADE GLASS OR ELASTOMER TUBE EMPALME POR FUSION Calentando las dos fibras, estas quedan unidas ELECTRODOS FIBRAS VISTA MEDIANTE EL MICROSCOPIO DE LA EMPALMADORA POR FUSION EMPALME POR FUSION Fibras alineadas esperando a ser limpiadas mediante arco Fibras preparadas para ser empalmadas Fibras después de ser empalmadas INSPECCION PREPARACIÓN DE LAS FIBRAS • Limpieza: limpiar completamente las fibras de cualquier residuo (gel, suciedad, etc.) • Pelado: eliminar las protecciones de la fibra. • Limpieza: limpiar los restos de protección por medio de alcohol isopropílico. • Corte: cortar las fibras. CORTAR LA FIBRA Corte perfecto Corte incompleto Muesca Recubrimiento no eliminado CORTADORAS DE FIBRA FUSIÓN DE LAS FIBRAS • Las fusionadoras alinean, aproximan y calientan las fibras para obtener un empalme perfecto, de bajas pérdidas y mínimas reflexiones. • Se basan en apoyar las fibras sobre unos soportes acanalados en V. • La geometría de las fibras introduce un grado de incertidumbre respecto al alineamiento. CANAL EN V: PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO CANAL EN V: ERRORES DE ALINEAMIENTO diámetro de revestimiento requer. típico: ± 1,0 µm circularidad del revestimiento requer. típico: > 1,0% concentricidad núcleo/revestimiento requer. típico: > 0,8 µm curvaturas requer. típico: > 2 metros TIPOS DE FUSIONADORAS • MANUALES • AUTOMÁTICAS DE ALINEAMIENTO FIJO • AUTOMÁTICAS DE ALINEAMIENTO EN 3 EJES ALINEAMIENTO EN LOS TRES EJES PAS LID DISEÑO DE ENLACES OPTICOS PARAMETROS DE ENLACES OPTICOS ISO/EN MULTIMODO MONOMODO Parametro 850 nm Atenuacion dB/km 3.5 max 1.0 max n/a BW MHz.km 200 min 500 min n/a Conector Perdidas Insercion 0.75 max 0.75 max Perdidas Retorno 20 min 20 min Perdidas de empalme 0.3 max 1300 nm 0.3 max 1310 nm 0.75 max 26 min 0.3 max 1550 nm n/a n/a 0.75 max 26 min 0.3 max PARAMETROS DE ENLACES OPTICOS ISO/EN Atenuacion dB Subsistema de cableado Longitud máxima Multimodo 850 nm 1300 nm Horizontal OF 300 100 m 300 m 2.5 2.55 2.2 1.95 Monomodo 1310nm 1550 nm 2.2 1.8 2.2 1.8 Troncal edificio OF 500 Troncal campus 500 m 500 m 1500 m 3.9 3.25 7.4 2.6 2.25 3.6 2.7 2.0 3.6 2.7 2.0 3.6 OF 2000 2000 m 8.5 4.5 3.5 3.5 ISO 11801 2nd Ed en ROJO Cálculo de pérdidas Troncal de Campus Latiguillo adaptador conector panel repartidor empalme cable 1.9 km conectores 0.75 cable empalme 0.75 1.9 x 3.5 0.3 Pérdidas totales = 0.75 + (1.9 x 3.5) + 0.3 + 0.75 = 8.45 dB a 850 nm Perdidas de enlace permitidas = 8.5dB ISO 11801 2ª Ed. Clases de Fibra Optica Velocidad de Transmisión (Mbps) Distancia (M) 300 500 2000 10 OM1 OM1 OM1 100 OM1 OM1 OM1 1000 OM1 OM2 OS1 10000 OM3 OS1 OS1 APLICACIÓN LONGITUD DE ONDA DISTANCIA 62.5/125 OM1 DISTANCIA 50/125 OM2 DISTANCIA 50/125 OM3 10BASE-FL 850 nm 2,000 m 1,340 m 1340 m 100BASE-SX 850 nm 300 m 300 m 300 m 100 BASE-FX 1300 nm 2,000 m 2,000 m 2000 m 1000BASE-SX 850 nm 300 m 600 m 600 m 1000BASE-LX 1300 nm 600 m 600 m 600 m 10GBASE-SR 850 nm 26 m 82 m 300 m 10GBASE-LW 1310 nm ATM 155 1300 nm 2,000 m 2,000 m ATM 622 1300 nm 500 m 500 m ATM 155 swl 850 nm 1,000 m 1,000 m FDDI 1300 nm 2,000 m 2,000 m Token Ring 850 nm 2,000 m 1,400 m Fiber Channel 850 nm 2,000 m 2,000 m 850 nm 700 m 2000 m 850 nm 350 m 1000 m 850 nm 300 m 500 m DISTANCIA MONOMODO OS1 5,000 m 40,000 m 15,000 m 133 Fiber Channel 266 Fiber Channel 531 Fiber Channel 1062 Fiber Channel 1062 1300 nm 10,000 m MEDIDAS DE ENLACES OPTICOS MEDIDAS DE ENLACES OPTICOS EDIFICIO 2 Panel EDIFICIO 1 Panel x x Cable fibra óptica multimodo Empalme mecánico o por fusión Longitud del cable p.e.. 1.2KM Panel 1 con un conector directamente terminado y conectado al adaptador Perdida Conector 0.75 dB Perdida Empalme 0.3 dB Panel 2 con cable empalmado a un latiguillo y este conectado al adaptador Perdida Fibra 1.2 X 3.5 = 4.2dB Perd. Empalme 0.3 dB Per. Conector 0.75 dB MEDIDAS DE ENLACES OPTICOS Después de calcular la atenuación máxima del enlace y verificar que se mantienen dentro de los límites marcados por la norma, el paso siguiente es medir el enlace para comprobar que el sistema de cableado tiene la misma atenuación o más baja. Para esta medición se utiliza un OTDR o una fuente de luz y un medidor de potencia óptica. MEDIDOR DE POTENCIA Y FUENTE DE LUZ CALIBRADA OPTICAL CALIBRATED LIGHT SOURCE POWER METER LENGTH OF CABLE UNDER TEST CALIBRADO DEL MEDIDOR DE POTENCIA Latiguillo de Test Conectores adaptadores Fuente de luz Medidor de potencia MEDIDAS DE ENLACES A A Enlace a medir Latiguillo de Test Latiguillo de Test Conectores adaptadores Fuente de luz Medidor de potencia REFLECTOMETROS OPTICOS OTDR • El OTDR es un Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo: – Óptico: las medidas se realizan transmitiendo pulsos de luz. – Dominio del tiempo: las medidas se realizan en el dominio temporal. Representamos gráficamente el nivel de señal en función del retardo. – Reflectómetro: La señal recibida y analizada es causada por las reflexiones que se producen en conectores, empalmes y en la propia fibra. APLICACIONES DEL OTDR • Para medir las pérdidas totales de un enlace. • Para medir las pérdidas de una sección. • Para medir las pérdidas de un empalme o un conector. • Para medir las reflexiones de un conector o un empalme mecánico. • Para localizar defectos o roturas de la fibra. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO • El OTDR transmite un pulso de luz muy corto. • Mide el tiempo que tardan en llegar las reflexiones. • Mide el nivel de señal de esas reflexiones. • Las reflexiones se producen por dos fenómenos: – Reflexiones de Fresnel – Dispersión de Rayleigh REFLEXIONES DE FRESNEL • Cuando la luz se encuentra con un cambio en la densidad del material (por ejemplo el aire) parte de la energía se refleja (hasta un 4%). • La cantidad de luz reflejada depende de: – La magnitud del cambio de la densidad de los dos medios. – El ángulo de incidencia de la luz con la frontera de separación entre los dos medios. REFLEXIONES DE FRESNEL conector ferrule Fibra Pérdidas de transmisión = 0.04dB. Pulso de luz Reflexión < 4% Pérdidas de Retorno = 35dB. Cristal RI = 1.5 Aire RI = 1 Cambio en el Indice de Refracción CONECTOR CON PULIDO PC DISPERSION DE RAYLEIGH • Cuando se envía un pulso de luz por una fibra óptica, parte de la luz choca con unas partículas microscópicas y se dispersa en todas direcciones. • Parte de esa dispersión se transmite en dirección opuesta a la del pulso luminoso. • Es la principal causa de la atenuación de las fibras ópticas. • Es mayor cuanto menor es la longitud de onda. DISPERSION DE RAYLEIGH CONFIGURACION DE TEST Prolongador Empalme Prolongador OTDR Conectores Conectores Cursor Cursor MEDIDAS DE DISTANCIA A B Perdidas dB Distancia en Km 0.4 0.8 MEDIDAS DE ATENUACION DE LA FIBRA Perdidas db C Distancia Km 0.4 0.8 MEDIDAS DE PERDIDAS EN EMPALMES Perdidas dB. F G H Distancia Km. 0.4 0.8 MEDIDAS DE PERDIDAS EN CONECTORES J Perdidas dB. K Distancia Km. 0.4 0.8 MEDIDAS DE PERDIDAS DE RETORNO Perdidas dB M Distancia Km. 0.4 0.8 Sistemas de Cableado basados en Fibra Óptica
