1 I S N T R O D U C C IÓ N

A P Í TU L O
1
I N T R O D U C C IÓ N
C
S ISTEM
ISTEMAS
AS D
DEE CO
COM
MU
UN
NICAC
ICACIÓ
IÓN
NÓ
ÓPT
PTICO
ICOSS
Un sistema de comunicaciones ópticas es una forma de transmitir información cuyo
soporte básico es la luz. La información viaja en forma de luz a lo largo de dicho
sistema. Las ondas de luz, al igual que las de radio, son una forma de radiación
electromagnética. Es por ello que pueden usarse, al igual que se usan las ondas de
radio para la transmisión de información. Esta idea surgió hace más de un siglo, pero no
se pudo aplicar ya que no había fuentes de luz ni medios para transportarla adecuados.
Hoy en día , en cambio, ya se sabe que la forma más eficiente de que la luz viaje desde
un punto hasta otro es mediante la fibra óptica, que no es más que un fino hilo de cristal
o plástico.
La primera peculiaridad de los sistemas de comunicaciones ópticas es que las señales
que se transmiten por la fibra óptica son señales luminosas, mientras que la información
se tiene en general en forma de señal eléctrica (tensión o corriente). Es por eso que es
necesario en estos sistemas disponer de elementos que conviertan dicha señal en luz y
que conviertan después la luz en señal eléctrica. El primero de los elementos (convierte
señal eléctrica en luz) se denomina emisor óptico y en comunicaciones ópticas existen
dos tipos fundamentales, los diodos LED y los láseres. El segundo se denomina
receptor óptico y también se utilizan dos tipos fundamentales, los fotodiodos PIN y los
de avalancha (ADP). El proceso de conversiones se muestra en la siguiente figura:
SEÑAL ELÉCTRICA
SEÑAL ÓPTICA
EM ISOR ÓP TICO
C onv ers ión elec tric a-óptic a
SEÑAL ÓPTICA
F ibra óptica
SEÑAL ELÉCTRICA
RECEPTOR ÓPTICO
C onv ers ión óptic o-eléc tric a
El sistema de comunicaciones ópticas (del que la fibra es sólo el medio de transmisión)
es más complejo y los emisores/receptores ópticos son parte del transmisor/receptor. El
esquema general de un transmisor se muestra en la siguiente figura:
S E Ñ A L E N TR A D A
S A LID A ÓP TIC A
INTERFAZ
ELÉCTRICO
MODULADOR
EMISOR DE LUZ
La primera parte es un interfaz eléctrico, vídeo, audio datos u otras formas de entrada
eléctrica. Dicha información se codifica después mediante un modulador, en el caso de
señales analógicas AM o FM, o en el caso de señales digitales modulación digital. La
salida modulada se convierte después en luz mediante un LED o un diodo láser. Las
longitudes de onda van desde los 660 nm (visible) hasta 1550 nm (infrarojo). Las fibras
de vidrio trabajan en longitudes de onda más altas, en particular 1300 nm y 1550 nm,
ya que las pérdidas son menores. Las fibras de plástico presentan el caso contrario y se
trabaja en el visible.
El receptor en cambio tiene un esquema como el de la figura, en el que los bloques
realizan los procesos inversos al del transmisor.
E N TR A D A Ó P TIC A
S E Ñ A L D E S A LID A
DETECTOR ÓPTICO
DEMODULADOR
INTERFAZ ELÉCTRICO
La tecnología de fibras ópticas comprende a su vez otros aspectos como la
conectorización, empalmes, cables de fibra, dispositivos de fibra,... El objetivo de este
libro es dar una perspectiva de todos estos aspectos relacionados con la tecnología de
las fibras ópticas. Comienza por exponer algunos aspectos teóricos sobre la luz y los
medios por los que se propaga la luz. Introducidos estos conceptos se describen las
fibras ópticas y sus procesos de fabricación. Se analizan entonces los parámetros
fundamentales de transmisión en los distintos tipos de fibras ópticas, fundamentalmente
la atenuación y la dispersión. Las fibras no se instalan sin más en los sistemas de
comunicaciones ópticas sino que las fibras se agrupan en cables de fibra, a los que se
dedica el siguiente capítulo. Completado el análisis del medio de transmisión se analiza
el funcionamiento, características y tipos fundamentales tanto de emisores como de
receptores ópticos. Dichos elementos son parte de sistemas más complejos
transmisores y receptores que se abordan a continuación. La discusión de los
elementos de los sistemas de fibras ópticas se completa con una breve descripción de
algunos de los dispositivos más importantes en la tecnología de fibras ópticas. Todos
esos dispositivos integran los sistemas de fibras ópticas por lo que el análisis de los
enlaces de fibra constituye el siguiente capítulo. La discusión termina con dos temas, el
primero sobre los equipos de medida en fibras ópticas, equipos necesarios para la
verificación de las instalaciones de fibra y un capítulo final de aplicaciones de las fibras.
H ISTO
ISTORIA
RIA D
DEE LA
LASS CCO
OM
MU
UN
NIC
ICAC
ACIO
ION
NES
ES Ó
ÓPTIC
PTICAASS
Hoy en día se usan las fibras ópticas para transmitir información en forma de luz, pero la
idea de la transmisión de la información mediante la luz no es nueva. En navegación por
ejemplo se han utilizado los faros que usan luz para comunicar información a los
barcos.
El primer sistema de comunicaciones ópticas lo desarrolló Claude Chappe al construir
un telégrafo óptico entorno a 1790. El telégrafo unía las ciudades de Lille y París,
separadas por 230 km, mediante una serie de hombres situados en unas torres a lo
largo del camino y que hacían señas con los brazos. Los mensajes tardaban
aproximadamente 15 minutos en llegar.
En 1870 en la British Royal Society de Londres el físico inglés John Tyndall demostró el
principio de la reflexión total interna. Mediante un cubo de agua con un orificio del que
caía a otro cubo demostró que mediante la reflexión total interna la luz viajaba por
dentro del chorro de agua. Según el agua caía del cubo superior al inferior Tyndall
enfocó un haz de luz la chorro. Los espectadores quedaron asombrados al comprobar
que la luz seguía una trayectoria en zig-zag dentro del chorro. Este experimento marcó
el primer paso en las investigaciones respecto de la transmisión guiada de la luz.
William Wheeling extendió los experimentos de Tyndall cuando patentó en 1880 un
método para la transmisión de luz llamado “entubado de la luz”. Wheeling creía que
mediante tuberías especulares podía conseguir iluminar varias habitaciones mediante
una única fuente de luz, al igual que se distribuye el agua mediante un sistema de
tuberías. Con la invención de la lámpara incandescente de Edison el inventó no triunfó
ya que era muy poco efectivo. Curiosamente hoy en día algunas compañías japonesas
han retomado investigaciones en este sentido debido a la mejora tecnológica.
Ese mismo año Alexander Graham Bell desarrolló un sistema óptico para transmisión
de voz llamado fototeléfono. Mediante unos espejos estratégicamente situados la luz
reflejada del sol alcanzaba un diafragma incorporado a la boquilla del micrófono. A
medida que se habla sobre el micrófono el diafragma iluminado vibraba de forma que se
lograba modular la luz incidente en el mismo. Se lograba variar la amplitud de la misma
en función del mensaje, es decir una modulación AM. La luz procedente del diafragma
incidía sobre el receptor compuesto de un receptor parabólico con una resistencia de
selenio en el foco. La resistencia de selenio es sensible a la luz de forma las variaciones
en intensidad en la luz se convierten en variaciones de corriente eléctrica y se puede
reproducir la luz. Bell consigió así una comunicación óptica de 200 m.
A principios del siglo XX varios científicos realizaron trabajos tanto experimentales como
teóricos en el tema de las guías de onda dieléctricas (fibras ópticas), incluyendo barras
flexibles de vidrio. Así en 1910 Hondros y Debye realizaron estudios teóricos de
propagación de la luz en las guiaondas dieléctricas. En 1927 el británico Baird patenta
un aparato capaz de transmitir imágenes en distancias cortas de forma que la señal se
transmitía mediante un guiaondas dieléctrico. En 1934 el norteamericano R French
patenta un sistema telefónico óptico describiendo como las señales de voz se
propagarían por medio de una red de conductores ópticos formados por varillas rígidas
de vidrio. Desgraciadamente la tecnología de la época no permitió llevar a cabo el
proyecto.
La tecnología de las fibras ópticas ha recibido un impulso muy importante en la segunda
mitad del siglo. Los primeros éxitos llegaron a comienzos de la década de los 50 con la
invención de la sonda óptica. Se trataba de un dispositivo para transmitir imágenes, que
usaba la primera fibra de vidrio de uso práctico. Dicha fibra fue desarrollada por Brian
O´Brien de la American Optical Company y por Narinder Kapany y sus colaboradores
del Imperial College of Science and Technology de Londres. De hecho fue Kapany
quien primero empleó el término fibra óptica en 1956.
El desarrollo de las fibras recubiertas de vidrio lo motivó las altas pérdidas que se
producían cuando se utilizaban fibras sin recubrimiento. La fibra interior, el núcleo, se
usaba para transmitir la luz, mientras que la capa de cristal que lo cubre, revestimiento,
evitaba que la luz saliese del núcleo haciendo que ésta rebotará de volviendo al núcleo
de la fibra.
El siguiente gran paso en el desarrollo de las comunicaciones ópticas fue el desarrollo
de la tecnología del láser. El diodo láser o el LED (para menores potencias) tienen la
capacidad de generar grandes cantidades de luz en una zona lo suficientemente
pequeña como para ser útil en la tecnología de las fibras ópticas. En 1957 Gordon
Gould, recién graduado de la universidad de Columbia, describió el láser como una
fuente intensa de luz. Charles Townes y Arthur Schawlow de los laboratorios Bell
ayudaron a popularizar la idea del láser en círculos científicos y empujaron la
investigación para el desarrollo de un láser práctico. Hacia 1960 Theodore Mainman de
los laboratorios Hughes construyó el primer láser de rubí y Townes uno de Helio Neón.
En 1962 se construyeron los primeros láseres a base de semiconductores, que son
precisamente los utilizados en comunicaciones ópticas.
El láser trabaja a frecuencias ópticas que son muy altas. En particular en la segunda
ventana de transmisión (que veremos más adelante) la longitud de onda utilizada es de:
  1550 nm
Dicha longitud de onda se corresponde con una frecuencia de f  2  10 14 H z que es del
orden de 10 4 veces mayor que las frecuencias más altas de microondas (entorno a las
decenas de GHz, es decir 10 10 H z ). El ancho de banda es en general proporcional a la
frecuencia de portadora que se utiliza y es por eso que un incremento tan grande de los
anchos de banda a transmitir estimulara la investigación en este campo. A pesar de
esta ventaja el láser no es apropiado para las transmisiones de visión directa como las
que se realizan en microondas ya que factores como la lluvia, la niebla, etc ... afectan
muy negativamente las comunicaciones a estas frecuencias. Como anécdota basta con
decir que es más viable una comunicación por el aire desde la tierra a la luna que un
enlace de visión directa en la tierra.
Una vez desarrollado el láser, la fuente de luz, el problema siguiente fue el de hallar un
medio de transmisión que se adaptase a las características del mismo. Dicho medio es
la fibra óptica. En 1966 Charles Kao y Charles Hockham del Standard
Telecommunication Laboratory de Inglaterra publicaron un artículo clave en el desarrollo
de las comunicaciones ópticas. En dicho artículo se proponía la fibra como el medio de
transmisión óptico siempre que las pérdidas pudieran reducirse por debajo de los 20 dB km .
En aquellas épocas las pérdidas de las fibras eran de entorno a los
1 0 0 0 d B km
(hoy en día
están por debajo de los
0 .3 d B km
. Ellos propusieron que las tan altas pérdidas de la fibra
se debían a las impurezas del cristal y no al propio cristal y que por lo tanto mejorando
los procesos de fabricación podrían obtenerse fibras aptas para las comunicaciones
ópticas.
Así en 1970 Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz de la Corning desarrollaron
una fibra de vidrio cuya atenuación era inferior a los 20 dB km para una longitud de onda de
  633 nm
, el límite que convertía a las fibras ópticas en una tecnología viable. En 1972
las pérdidas se redujeron a 4 dB km en muestras de laboratorio, un valor muy por debajo
del sugerido por Kao y Hockham para sistemas prácticos en comunicaciones ópticas.
La marina americana instaló el primer sistema telefónico experimental que usaba como
medio de transmisión la fibra óptica en el Little Rock en 1973. En el año 1977 AT&T y la
GTE instalaron un sistema telefónico basado en fibra óptica y que transportaba tráfico
telefónico comercial. El sistema superaba los rígidos estándares de fiabilidad de las
compañías telefónicas para los equipos y para la operación. A consecuencia de estos
primeros éxitos las compañías de telecomunicaciones instalaron sistemas ópticos a
finales de los 70 y principios de los 80.
En el año 1976 M. Horiguchi de la NTT (Nipon Telegraph and Telephone) y H. Osanai
de Fujikura anunciaron el comienzo de la producción de fibras ópticas monomodo con
atenuaciones de 0 .47 dB km para una longitud de onda de   1 2 0 0 n m y en 1977 Hartman,
Schumaker y Dixon descubren las altas prestaciones del láser Ga-As-Al, de
funcionamiento continuo y con larga vida.
En la segunda mitad de la década de los setenta se desarrollaron multitud de sidtemas
experimentales basados en fibras ópticas. Así en 1976 Siemens pone en
funcionamiento un tramo experimental bajo la norma RDSI para la transmisión de
telefonía, televisión y videoteléfono con un enlace de 2.1 km. En 1977 la Bell Systems
pone en funcionamiento un enlace telefónico de 2.5 km en Chicago y la General
Telephone pone en funcionamiento otro en Long Beach de 9 km. También en 1977 el
Deutsche Bundespost instala en Berlin un enlace digital óptico de 9km a 140 Mbps. En
1978 la NTT realiza un enlace óptico digital de 53 km sin repetidores intermedios y a
una velocidad de 32 Mbps. A lo largo de 1979 la NTT realiza dos enlaces
experimentales, el primero a 100 Mbps y el segundo a 400 Mbps.
Ya en 1980 AT&T anunció los planes de un ambicioso proyecto para construir un
sistema de fibra óptica desde Boston a Richmond. Este sistema demostró la capacidad
para la fibra para sistemas normales de alta capacidad en vez de para aplicaciones
especializadas. La fibra óptica iba a ser la tecnología preferida del futuro, ya era una
tecnología viable. En este periodo la tecnología avanzaba muy rápidamente y la
industria comenzaba a madurar. Así a finales de 1983 las fibras monomodo se creían
tan difíciles de utilizar que parecía que sólo tendrían aplicaciones especializadas
durante años. Para 1985 todos los operadores de larga distancia como AT&T o MCI no
sólo habían instalado ya fibras monomodo sino que las habían escogido como su
estándar para instalaciones futuras.
En 1990 Linn Mollenauer, un investigador de la Bellcore, transmitió una señal de 2.5
Gbps a lo largo de 7500 km sin regeneración, cuando normalmente las señales viajando
por la fibra deben regenerarse cada cierta longitud por ejemplo 25 km. El sistema de
Mollenauer usaba un láser de solitones y una fibra dopada de erbio. La propiedad de los
solitones es que su forma de onda no se deforma a medida que viajan por la fibra,
mientras que las fibras dopadas de erbio presentan propiedades de amplificación de la
señal.
V EN
ENTA
TAJA
JASS EE IN
INCCO
ON
NVVEN
ENIEN
IENTES
TES D
DEE LLAASS FIB
FIBRRAASS Ó
ÓPTIC
PTICAASS
La fibra óptica es el medio de transmisión del futuro. Esto se debe a que las fibras
ópticas presentan muchas ventajas respecto de los medios de transmisión
convencionales. En esta sección vamos a analizar las principales ventajas e
inconvenientes de las fibras. Entre las ventajas tenemos:
G
Gran
ran anch
anchoo de
de banda
banda
Al usar láseres y LED-s (fuentes de luz) abre una ventana del espectro electromagnético
diez mil veces superiores en frecuencia a las mayores frecuencias utilizadas en radio.
Mientras que en radio dichas frecuencias rondan los GHz (10 9 Hz), en el caso de las
comunicaciones ópticas se sitúan en los 1014 Hz. Al ser las portadoras de mayor
frecuencia la capacidad de transmitir información (el ancho de banda) aumenta. Como
idea de la capacidad de transmisión de las fibras una señal a 10 Gbps es capaz de
transmitir:


130.000 canales telefónicos
16 canales de HDTV sin compresión o 100 canales de HDTV con técnicas de
compresión. Hay que tener en cuenta que el ancho de banda necesario para la
televisión de alta definición es mucho mayor que el necesario para la televisión
convencional.
BBaja
ajass pérdidas
pérdidas
El ancho de banda da una idea de la cantidad de información que puede transmitirse
por una fibra óptica, las pérdidas indican cómo de lejos puede enviarse la señal. En el
cable de cobre a medida que crece la frecuencia crecen las pérdidas del cable así que
como para transmitir grandes cantidades de información hacen falta frecuencias altas
los cables de cobre no valen. En las fibras las pérdidas son “parecidas” y muy bajas en
un rango de frecuencias muy altas y muy parecidas.
Las pérdidas intrínsecas (debidas a la propia constitución física de la fibra) de las fibras
son muy bajas. Así se obtienen pérdidas en las fibras actuales del orden de 0.35 dB a
km
1300 nm y
0 .2 dB km
a 1550 nm. Así se pueden obtener grandes distancias entre
repetidores, mucho mayores que en el caso de los cables metálicos.
Así el primer enlace telefónico trasatlántico lo instalo AT&T en 1988 y transportaba
37.800 canales de voz en cada dirección mediante un par de fibras. Los repetidores se
situaban cada 35 km. En cambio el mejor sistema trasatlántico coaxial es capaz de
transportar 4.200 canales con repetidores cada 9.4 km. Con el estado actual de la
tecnología las fibras serán capaces de transportar hasta 200 Mbps sobre entre 80 a 100
km sin repetidores. Es así que la combinación de gran ancho de banda y bajas pérdidas
lo que permite introducir más canales en el medio de transmisión y con distancias entre
repetidores mayores, es decir sistemas más baratos.
TTam
amaño
año yy flexibilidad
flexibilidad
Un cable de diez fibras ópticas puede tener un diámetro exterior de 8 a 10 mm y ofrecer
una misma capacidad de información (aunque con menos repetidores) que un cable
coaxial de 10 tubos y 8 cm de diámetro, o que 5 o 10 cables de 2000 pares de 0.8 mm.
La diferencia de tamaño repercute en el peso y flexibilidad del cable. así es más fácil
transportar y por lo tanto realizar la instalación en fibras ópticas.
Por ejemplo la figura compara un cables
coaxial con un cable de fibra óptica ambos
usados en telefonía digital. El cable coaxial
puede transportar 40.300 comunicaciones en
ambos sentidos y para cortas distancias. El
cable de fibra tiene 144 fibras y un diámetro
de 1.25 cm, y puede transportar 24.192
conversaciones en cada fibra, es decir 1.75
millones de llamadas en todas las fibras. A
pesar de ser 10 veces menor en tamaño
puede transportar mucha más información
que el cable coaxial.
M
Menor
enor peso
peso
La fibra óptica pesa mucho menos que los cables de cobre. Además de que la fibra es
menor y más ligera para tener la misma capacidad de transmisión de datos hacen falta
más líneas de cable de cobre que de fibra óptica. Así los cables de cobre pueden
reemplazarse en general por cables de fibra que pesan del orden de 10 veces menos.
En aplicaciones de larga distancia el conjunto del cable de fibra más la electrónica la
ventaja del peso es considerable, cuando las distancias son muy cortas la mayor carga
de electrónica de las fibras ópticas puede no ser tan ventajosa.
FFacto
actorres
es aam
mbbie
ienntales
tales yy m
mate
ateria
ria pprim
rimaa
La evolución de la atenuación de las fibras con la temperatura depende en gran parte
de la estructuración del cableado. Sin embargo, hay diseños que permiten garantizar la
total estabilidad de las pérdidas en el margen de -60 ºC a 80 ºC.
Hay que resaltar además que las materias primas utilizadas en las fibras son muy
abundantes en la naturaleza, ya que la sílice y los silicatos constituyen uno de los
grupos de materiales más abundantes y repartidos sobre la corteza terrestre.
M
M en
enor
or co
coste
ste
Los factores que se han ido mencionando pueden resumirse en que los sistemas de
fibra óptica son más baratos, ya que son en general los factores económicos los que
determinan la utilización o no de una tecnología. Sin embargo la ventaja del coste debe
matizarse. Para aplicaciones de corta distancia los sistemas de fibra óptica son más
caros que los cables de cobre ya que la electrónica asociada es más cara y compleja.
Así a pesar de que la fibra sea más barata que el cobre el sistema no lo es.
Los medios se comparan mediante la distancia de coste de equilibrio, es decir aquella
distancia en la que los costes de los sistemas de fibra óptica y de cable de cobre son
iguales. A mediados de los 80 dicha distancia rondaba los 10 km, hoy en día se acerca
a los 100 m, es decir al nivel del cableado horizontal en las LAN.
IInm
nmunid
unidad
ad electrom
electromagn
agnética
ética
La fibra está compuesta de medios dieléctricos y por lo tanto no metálicos. El cable de
cobre o el cable coaxial en cambio son metálicos y como todo cable metálico puede
bien recoger o radiar energía electromagnética, es decir actuar como antena. En cambio
los equipos electrónicos que acompañan a los sistemas de fibra óptica (en el emisor,
receptor y en los repetidores) no son inmunes a la radiación electromagnética por lo que
es necesario protegerlos.
La interferencia electromagnética (EMI) es una forma de contaminación ambiental, de
hecho la cantidad de energía que puede radiar la pantalla de un ordenador está limitada
por ley. Como prueba se puede situar una radio AM al lado de una pantalla del
ordenador y jugando con el dial la radio puede captar la radiación de la misma.
Las fibras ópticas se están utilizando en sistemas de seguridad ya que debido a su
inmunidad electromagnética no les afectan los rayos. Como los sistemas de seguridad
suelen estar dispersos a lo largo de grandes áreas pueden verse afectados por rayos e
interferencias. Otra ventaja es que para tirar la fibra óptica pueden utilizarse los
conductos existentes para las líneas de alta tensión ya que al ser inmunes
electromagnéticamente no les afecta la radiación de éstas.
A
Aislam
islamiento
iento eléctrico
eléctrico
Como las fibras no radían energía electromagnética la señal transmitida a través de
ellas no puede ser captada por el exterior.
Además de las ventajas señaladas las fibras presentan también una serie de
inconvenientes que pueden limitar su uso en algunos casos como distancias cortas y
bajos flujos de información.
TTiem
iempos
pos de
de vida
vida ddee los
los fotoem
fotoemisores
isores
Principalmente los emisores de luz que trabajan en ciertas ventanas del infrarojo,
regiones donde la fibra presenta menor atenuación, tienen un tiempo de vida todavía no
muy alto (cerca de las 10.000 horas).
PPrrecios
ecios
Los dispositivos de calidad que hemos mencionado en el apartado anterior tienen
precios elevados. Así sustituir el cableado de una red local, en general cable de pares,
por un cableado a base de fibra óptica resulta muy caro debido a que los circuitos de
conversión luz/corriente y corriente/luz son excesivamente caros para la viabilidad del
cambio.
Existen a su vez inconvenientes relacionados con el desconocimiento de la tecnología y
la normativa asociada a la misma. Como se ve la mayoría de los inconvenientes son
consecuencia de que la tecnología está en un estado de desarrollo, y su solución
avanza día a día.