Comunicación por fibra óptica

Los transmisores ópticos más utilizados son dispositivos semiconductores como los diodos emisores de luz (LED) y los diodos láser . La diferencia entre los LED y los diodos láser radica en que los LED producen luz incoherente , mientras que los diodos láser producen luz coherente. Para su uso en comunicaciones ópticas, los transmisores ópticos semiconductores deben diseñarse para ser compactos, eficientes y fiables, operando en un rango de longitud de onda óptimo y modulados directamente a altas frecuencias.

En su forma más simple, un LED emite luz mediante emisión espontánea , un fenómeno conocido como electroluminiscencia . La luz emitida es incoherente con un ancho espectral relativamente amplio de 30 a 60  nm. ^{[ a ]} El amplio ancho espectral de los LED está sujeto a una mayor dispersión de la fibra, lo que limita considerablemente su producto de velocidad de bits por distancia (una medida común de utilidad). Los LED son adecuados principalmente para aplicaciones de redes de área local con velocidades de bits de 10 a 100 Mbit/s y distancias de transmisión de unos pocos kilómetros.

La transmisión de luz LED es ineficiente, ya que solo alrededor del 1% de la potencia de entrada, o unos 100 microvatios, se convierte finalmente en potencia emitida acoplada a la fibra óptica. ^{[ 30 ]}

Se han desarrollado LED que utilizan varios pozos cuánticos para emitir luz en diferentes longitudes de onda en un amplio espectro y que actualmente se utilizan en aplicaciones de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) de área local .

Los LED han sido reemplazados en gran medida por los dispositivos láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL), que ofrecen mayor velocidad, potencia y propiedades espectrales a un costo similar. Sin embargo, debido a su diseño relativamente simple, los LED son muy útiles para aplicaciones de muy bajo costo. Las clases de transmisores láser semiconductores comúnmente utilizadas en fibra óptica incluyen VCSEL, Fabry-Pérot y láser de retroalimentación distribuida .

Un láser semiconductor emite luz mediante emisión estimulada en lugar de emisión espontánea, lo que resulta en una alta potencia de salida (~100  mW) y otros beneficios relacionados con la naturaleza de la luz coherente. La salida de un láser es relativamente direccional, lo que permite una alta eficiencia de acoplamiento (~50%) en fibra monomodo. Los dispositivos VCSEL comunes también se acoplan bien a fibra multimodo. El ancho espectral estrecho también permite altas velocidades de bits, ya que reduce el efecto de la dispersión cromática . Además, los láseres semiconductores se pueden modular directamente a altas frecuencias debido a su corto tiempo de recombinación .

Los diodos láser suelen modularse directamente , es decir, la salida de luz se controla mediante una corriente aplicada directamente al dispositivo. Para velocidades de datos muy altas o enlaces de muy larga distancia, una fuente láser puede funcionar en onda continua y la luz se modula mediante un dispositivo externo, un modulador óptico , como un modulador de electroabsorción o un interferómetro de Mach-Zehnder . La modulación externa aumenta la distancia de enlace alcanzable al eliminar la modulación de frecuencia del láser , que amplía el ancho de línea en los láseres modulados directamente, aumentando la dispersión cromática en la fibra. Para una eficiencia de ancho de banda muy alta, se puede utilizar la modulación coherente para variar la fase de la luz además de la amplitud, lo que permite el uso de QPSK , QAM y OFDM . "La modulación por desplazamiento de fase en cuadratura de doble polarización es un formato de modulación que transmite eficazmente cuatro veces más información que las transmisiones ópticas tradicionales de la misma velocidad." ^{[ 31 ]}

El componente principal de un receptor óptico es un fotodetector que convierte la luz en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico . Los fotodetectores primarios para telecomunicaciones están fabricados con arseniuro de indio y galio . El fotodetector suele ser un fotodiodo semiconductor . Existen varios tipos de fotodiodos, como los fotodiodos p-n, p-i-n y los fotodiodos de avalancha. También se utilizan fotodetectores metal-semiconductor-metal (MSM) debido a su idoneidad para la integración en circuitos de regeneradores y multiplexores por división de longitud de onda.

Dado que la luz puede atenuarse y distorsionarse al pasar por la fibra, los fotodetectores suelen acoplarse a un amplificador de transimpedancia y a un amplificador limitador para generar una señal digital en el dominio eléctrico, recuperada a partir de la señal óptica de entrada. Antes de la transmisión de los datos, también se puede aplicar un procesamiento de señal adicional, como la recuperación de la señal de reloj mediante un bucle de enganche de fase .

Los receptores coherentes utilizan un láser oscilador local en combinación con un par de acopladores híbridos y cuatro fotodetectores por polarización, seguidos de convertidores analógico-digitales de alta velocidad y procesamiento digital de señales para recuperar datos modulados con QPSK, QAM u OFDM.

Un transmisor de sistema de comunicación óptica consta de un convertidor digital-analógico (DAC), un amplificador controlador y un modulador Mach-Zehnder . El despliegue de formatos de modulación más altos (> 4-QAM ) o velocidades de transmisión más altas (>32 GBd  ) disminuye el rendimiento del sistema debido a efectos lineales y no lineales del transmisor. Estos efectos se pueden clasificar como distorsiones lineales debido a la limitación del ancho de banda del DAC y la asimetría I/Q del transmisor , así como efectos no lineales causados ​​por la saturación de ganancia en el amplificador controlador y el modulador Mach-Zehnder. La predistorsión digital contrarresta los efectos degradantes y permite velocidades de Baud de hasta Admite formatos de modulación de 56 GBd y 64-QAM y 128-QAM con componentes disponibles comercialmente. El procesador de señal digital del transmisor realiza una predistorsión digital en las señales de entrada mediante el modelo inverso del transmisor antes de enviar las muestras al convertidor digital-analógico (DAC).

Los métodos de predistorsión digital más antiguos solo abordaban los efectos lineales. Publicaciones recientes también consideran distorsiones no lineales. Berenguer et al. modelan el modulador Mach-Zehnder como un sistema Wiener independiente y el DAC y el amplificador de excitación se modelan mediante una serie de Volterra truncada e invariante en el tiempo . ^{[ 32 ]} Khanna et al. utilizan un polinomio de memoria para modelar conjuntamente los componentes del transmisor. ^{[ 33 ]} En ambos enfoques, los coeficientes de la serie de Volterra o del polinomio de memoria se encuentran utilizando una arquitectura de aprendizaje indirecto . Duthel et al. registran, para cada rama del modulador Mach-Zehnder, varias señales con diferentes polaridades y fases. Las señales se utilizan para calcular el campo óptico. La correlación cruzada de los campos en fase y en cuadratura identifica la asimetría temporal . La respuesta en frecuencia y los efectos no lineales se determinan mediante la arquitectura de aprendizaje indirecto. ^{[ 34 ]}

Un cable de fibra óptica consta de un núcleo, un revestimiento y una capa protectora (un recubrimiento exterior protector), en la que el revestimiento guía la luz a lo largo del núcleo mediante el método de reflexión interna total . El núcleo y el revestimiento (que tiene un índice de refracción menor ) suelen estar hechos de vidrio de sílice de alta calidad , aunque también pueden ser de plástico. La conexión de dos fibras ópticas se realiza mediante empalme por fusión o empalme mecánico y requiere habilidades especiales y tecnología de interconexión debido a la precisión microscópica necesaria para alinear los núcleos de las fibras. ^{[ 35 ]}

Los dos tipos principales de fibra óptica utilizados en comunicaciones ópticas son las fibras ópticas multimodo y las monomodo . Una fibra óptica multimodo tiene un núcleo más grande (≥  50 micrómetros ), lo que permite conectar transmisores y receptores menos precisos y más económicos, así como conectores más baratos. Sin embargo, la fibra multimodo introduce distorsión multimodo , lo que suele limitar el ancho de banda y la longitud del enlace. Además, debido a su mayor contenido de dopantes , las fibras multimodo suelen ser caras y presentan mayor atenuación. El núcleo de una fibra monomodo es más pequeño (<  10 micrómetros) y requiere componentes y métodos de interconexión más costosos, pero permite enlaces mucho más largos y de mayor rendimiento. Tanto las fibras monomodo como las multimodo se ofrecen en diferentes grados.

Para convertir la fibra en un producto comercialmente viable, generalmente se recubre con polímeros de acrilato curados con luz ultravioleta y se ensambla en un cable. Posteriormente, se puede tender bajo tierra, pasar a través de las paredes de un edificio y desplegarse aéreamente de forma similar a los cables de cobre. Estas fibras requieren menos mantenimiento que los cables de par trenzado comunes una vez desplegadas. ^{[ 37 ]}

Se utilizan cables especializados para la transmisión de datos submarinos a larga distancia, por ejemplo, el cable de comunicaciones transatlántico . Los nuevos cables (2011-2013) operados por empresas comerciales ( Emerald Atlantis , Hibernia Atlantic ) suelen tener cuatro hebras de fibra y las señales cruzan el Atlántico (Nueva York-Londres) en 60-70  ms. El coste de cada uno de estos cables fue de aproximadamente 300 millones de dólares en 2011. ^{[ 38 ]}

Otra práctica común consiste en agrupar varios hilos de fibra óptica dentro de cables de transmisión de energía de larga distancia , utilizando, por ejemplo, un cable de tierra óptico . Esto aprovecha eficazmente los derechos de paso para la transmisión de energía, garantiza que una compañía eléctrica pueda poseer y controlar la fibra necesaria para monitorear sus propios dispositivos y líneas, es prácticamente inmune a manipulaciones y simplifica el despliegue de la tecnología de redes inteligentes .

La distancia de transmisión de un sistema de comunicación por fibra óptica se ha visto tradicionalmente limitada por la atenuación y la distorsión de la fibra. Mediante el uso de repetidores optoelectrónicos , estos problemas se han eliminado. Estos repetidores convierten la señal en una señal eléctrica y, posteriormente, utilizan un transmisor para reenviarla con una intensidad mayor que la recibida, compensando así la pérdida sufrida en el segmento anterior. Debido a la gran complejidad de las señales modernas multiplexadas por división de longitud de onda, incluyendo la necesidad de instalar repetidores aproximadamente cada 20 km (12 millas) , el coste de estos dispositivos es muy elevado.  

Una alternativa es utilizar amplificadores ópticos , que amplifican la señal óptica directamente sin necesidad de convertirla al dominio eléctrico. Un tipo común de amplificador óptico es el amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA). Estos se fabrican dopando un tramo de fibra con el mineral de tierras raras erbio y bombeándolo con luz láser de longitud de onda más corta que la de la señal de comunicación (normalmente 980 nm ). Los EDFA proporcionan ganancia en la banda C de la UIT a 1550 nm.  

Los amplificadores ópticos ofrecen varias ventajas significativas sobre los repetidores eléctricos. En primer lugar, un amplificador óptico puede amplificar una banda muy amplia a la vez, incluyendo cientos de canales multiplexados , eliminando la necesidad de demultiplexar las señales en cada amplificador. En segundo lugar, los amplificadores ópticos funcionan independientemente de la velocidad de datos y el formato de modulación, lo que permite la coexistencia de múltiples velocidades de datos y formatos de modulación, y facilita la actualización de la velocidad de datos de un sistema sin necesidad de reemplazar todos los repetidores. En tercer lugar, los amplificadores ópticos son mucho más sencillos que un repetidor con las mismas capacidades y, por lo tanto, son significativamente más fiables. Los amplificadores ópticos han sustituido en gran medida a los repetidores en las nuevas instalaciones, aunque los repetidores electrónicos todavía se utilizan ampliamente cuando se requiere acondicionamiento de señal más allá de la amplificación.

La multiplexación por división de longitud de onda (WDM) es la técnica de transmitir múltiples canales de información a través de una sola fibra óptica mediante el envío de múltiples haces de luz de diferentes longitudes de onda a través de la fibra, cada uno modulado con un canal de información separado. Esto permite multiplicar la capacidad disponible de las fibras ópticas. Esto requiere un multiplexor por división de longitud de onda en el equipo transmisor y un demultiplexor (esencialmente un espectrómetro ) en el equipo receptor. Las rejillas de guía de onda en matriz se utilizan comúnmente para la multiplexación y demultiplexación en WDM. ^{[ 39 ]} Utilizando la tecnología WDM ahora disponible comercialmente, el ancho de banda de una fibra se puede dividir en hasta 160 canales ^{[ 40 ]} para admitir una tasa de bits combinada en el rango de1,6 Tbit/s  .

Debido a que el efecto de dispersión aumenta con la longitud de la fibra, un sistema de transmisión por fibra se caracteriza a menudo por su producto ancho de banda-distancia , generalmente expresado en unidades de MHz ·km. Este valor es el producto del ancho de banda y la distancia, ya que existe una relación inversa entre el ancho de banda de la señal y la distancia a la que se puede transmitir. Por ejemplo, una fibra multimodo común con un producto ancho de banda-distancia de 500  MHz·km podría transmitir una  señal de 500 MHz durante 1  km o una  señal de 1000 MHz durante 0,5  km.

Mediante la multiplexación por división de longitud de onda , cada fibra puede transportar muchos canales independientes, cada uno utilizando una longitud de onda de luz diferente. La tasa de datos neta (tasa de datos sin bytes de sobrecarga) por fibra es la tasa de datos por canal reducida por la sobrecarga de corrección de errores hacia adelante (FEC), multiplicada por el número de canales (normalmente hasta ochenta en sistemas WDM densos comerciales a partir de 2008).).

En las fibras ópticas de vidrio modernas, la distancia máxima de transmisión no está limitada por la absorción directa del material, sino por la dispersión , es decir, la propagación de los pulsos ópticos a medida que viajan a lo largo de la fibra. La dispersión limita el ancho de banda de la fibra porque la propagación del pulso óptico limita la velocidad a la que los pulsos pueden seguirse unos a otros en la fibra y aún ser distinguibles en el receptor. La dispersión en las fibras ópticas se debe a diversos factores.

La dispersión intermodal , causada por las diferentes velocidades axiales de los distintos modos transversales , limita el rendimiento de la fibra multimodo . Dado que la fibra monomodo solo admite un modo transversal, se elimina la dispersión intermodal.

En la fibra monomodo, el rendimiento está limitado principalmente por la dispersión cromática , que se produce porque el índice del vidrio varía ligeramente según la longitud de onda de la luz y, debido a la modulación, la luz de los transmisores ópticos ocupa necesariamente un rango (estrecho) de longitudes de onda. La dispersión del modo de polarización , otra fuente de limitación, se produce porque, aunque la fibra monomodo solo puede soportar un modo transversal, puede transportar este modo con dos polarizaciones diferentes, y pequeñas imperfecciones o distorsiones en la fibra pueden alterar las velocidades de propagación de ambas polarizaciones. Este fenómeno se denomina birrefringencia y puede contrarrestarse mediante fibra óptica de mantenimiento de polarización .

Cierta dispersión, en particular la dispersión cromática, puede eliminarse mediante un compensador de dispersión . Este funciona utilizando un segmento de fibra especialmente preparado que tiene la dispersión opuesta a la inducida por la fibra de transmisión, lo que agudiza el pulso para que la electrónica pueda decodificarlo correctamente.

La atenuación de la fibra se debe a una combinación de absorción del material , dispersión de Rayleigh , dispersión de Mie y pérdidas en los conectores . La absorción del material para sílice pura es de aproximadamente 0,03 dB/km . Las impurezas en las primeras fibras ópticas causaban una atenuación de alrededor de 1000 dB/km . La fibra moderna tiene una atenuación de alrededor de 0,3 dB/km . Otras formas de atenuación se deben a tensiones físicas en la fibra, fluctuaciones microscópicas en la densidad y técnicas de empalme imperfectas. ^{[ 79 ]}

Cada efecto que contribuye a la atenuación y dispersión depende de la longitud de onda óptica. Existen bandas de longitud de onda (o ventanas) donde estos efectos son más débiles, y estas son las más favorables para la transmisión. Estas ventanas han sido estandarizadas. ^{[ 80 ]}

Cabe destacar que esta tabla muestra que la tecnología actual ha logrado conectar las ventanas E y S, que originalmente estaban separadas.

Históricamente, existía una ventana de longitudes de onda más cortas que la banda O, denominada primera ventana, entre 800 y 900  nm; sin embargo, las pérdidas son elevadas en esta región, por lo que se utiliza principalmente para comunicaciones de corto alcance. Las ventanas inferiores actuales (O y E), alrededor de 1300  nm, presentan pérdidas mucho menores. Esta región no tiene dispersión. Las ventanas intermedias (S y C), alrededor de 1500  nm, son las más utilizadas. Esta región presenta las menores pérdidas por atenuación y alcanza el mayor alcance. Si bien presenta cierta dispersión, se emplean dispositivos compensadores de dispersión para corregirla.

Cuando un enlace de comunicaciones debe cubrir una distancia mayor que la que permite la tecnología de fibra óptica actual, la señal debe regenerarse en puntos intermedios del enlace mediante repetidores de comunicaciones ópticas . Los repetidores aumentan considerablemente el costo de un sistema de comunicaciones, por lo que los diseñadores de sistemas intentan minimizar su uso.

Los recientes avances en la tecnología de comunicaciones ópticas y por fibra óptica han reducido la degradación de la señal hasta el punto de que la regeneración de la señal óptica solo es necesaria en distancias de cientos de kilómetros. Esto ha disminuido considerablemente el coste de las redes ópticas, especialmente en tramos submarinos, donde el coste y la fiabilidad de los repetidores son factores clave que determinan el rendimiento de todo el sistema de cable. Los principales avances que contribuyen a estas mejoras de rendimiento son la gestión de la dispersión, que busca equilibrar los efectos de la dispersión con la no linealidad; y los solitones , que utilizan efectos no lineales en la fibra para permitir la propagación sin dispersión a largas distancias.

Aunque los sistemas de fibra óptica destacan en aplicaciones de alto ancho de banda, el problema de la última milla sigue sin resolverse, ya que la adopción de la fibra hasta el hogar ha sido lenta. Sin embargo, el despliegue de fibra hasta el hogar (FTTH) se ha acelerado. En Japón, por ejemplo, EPON ha reemplazado en gran medida a DSL como fuente de internet de banda ancha. Los mayores despliegues de FTTH se encuentran en Japón, Corea del Sur y China. Singapur comenzó la implementación de su red nacional de banda ancha de próxima generación (Next Gen NBN), totalmente de fibra óptica, cuya finalización está prevista para 2012 y que está siendo instalada por OpenNet. Desde que comenzaron a ofrecer servicios en septiembre de 2010, la cobertura de red en Singapur ha alcanzado el 85 % a nivel nacional.

En Estados Unidos, Verizon Communications ofrece un servicio FTTH llamado FiOS en mercados selectos con altos ingresos promedio por usuario dentro de su territorio actual. El otro operador local tradicional que aún opera , AT&T , utiliza un servicio de fibra hasta el nodo (FTTN) llamado U-verse con cable de par trenzado hasta el hogar. Sus competidores de MSO emplean FTTN con cable coaxial mediante redes híbridas de fibra y coaxial . Todas las principales redes de acceso utilizan fibra para la mayor parte de la distancia desde la red del proveedor de servicios hasta el cliente.

La tecnología de red de acceso dominante a nivel mundial es la red óptica pasiva Ethernet (EPON). En Europa, y entre las empresas de telecomunicaciones de Estados Unidos, las redes PON de banda ancha (BPON) y Gigabit (GPON) basadas en ATM tuvieron su origen en las organizaciones de estándares Full Service Access Network (FSAN) e ITU-T, bajo su control.