Comunicación por fibra óptica
La señal óptica es generada por un transmisor.
Las fibras ópticas se utilizan para transmitir señales y es necesario garantizar que las señales ópticas no se atenúen ni se deformen gravemente en las fibras ópticas.
La señal óptica es recibida por el receptor y convertida en señal eléctrica. Las compañías telefónicas suelen utilizar la fibra óptica para transportar señales de teléfono, Internet o televisión por cable. A veces, una sola fibra puede transportar todas las señales anteriores simultáneamente. En comparación con los cables de cobre tradicionales, la atenuación de la señal y la interferencia de las fibras ópticas han mejorado mucho, especialmente en aplicaciones de transmisión de larga distancia y gran escala, las ventajas de las fibras ópticas son más obvias. Sin embargo, la dificultad de construcción y el costo de los materiales de la infraestructura de comunicación que utiliza fibra óptica entre ciudades suelen ser difíciles de controlar, y la complejidad y el costo del mantenimiento del sistema una vez finalizado también son altos. Por lo tanto, los primeros sistemas de comunicación por fibra óptica se utilizaron principalmente para necesidades de comunicación de larga distancia para aprovechar al máximo las ventajas de la fibra óptica y frenar los crecientes costos.
Desde el colapso del mercado de las comunicaciones ópticas en 2000, el coste de las comunicaciones por fibra óptica ha seguido disminuyendo y se ha vuelto comparable a los sistemas de comunicaciones con cables de cobre como columna vertebral.
Para la industria de las comunicaciones por fibra óptica, después de que los amplificadores ópticos ingresaron oficialmente al mercado comercial en 1990, muchas comunicaciones por fibra óptica de larga distancia, como los cables ópticos submarinos transoceánicos, realmente se hicieron realidad. En 2002, la longitud total de los cables ópticos submarinos transoceánicos superó los 250.000 kilómetros y la cantidad de datos que podían transportar por segundo superó los 2,56 Tb. Según las estadísticas de los operadores de telecomunicaciones, estos datos han ido creciendo significativamente desde 2002. Desde la antigüedad hasta el presente, la necesidad de comunicación a larga distancia de las personas nunca ha disminuido. A medida que avanza el tiempo, desde las balizas hasta los telégrafos y el servicio oficial del primer cable coaxial en 1940, la complejidad y sofisticación de estos sistemas de comunicación también ha seguido aumentando. Sin embargo, estos métodos de comunicación tienen sus propias limitaciones. Aunque la transmisión de información mediante señales eléctricas es rápida, la distancia de transmisión requerirá una gran cantidad de repetidores porque las señales eléctricas son propensas a atenuarse. Aunque la comunicación por microondas puede utilizar aire como medio, también está limitada por la frecuencia portadora. No fue hasta mediados del siglo XX que la gente se dio cuenta de que utilizar la luz para transmitir información podría aportar muchos beneficios importantes que no habían estado disponibles en el pasado.
Pero en ese momento, no existía una fuente de luz coherente altamente coherente ni un medio adecuado para transmitir señales ópticas, por lo que la comunicación óptica siempre ha sido solo un concepto. No fue hasta 1960 d.C. que se resolvió el primer problema con la invención del láser. Después de 1970, Corning Glass Factory desarrolló fibra óptica de alta calidad y baja atenuación para resolver el segundo problema. En ese momento, la atenuación de las señales transmitidas por fibras ópticas era inferior al umbral de atenuación de 20 dB/km propuesto por Kao Kun, el padre de las comunicaciones por fibra óptica, por primera vez, lo que demuestra la posibilidad de las fibras ópticas como medio de comunicación. Al mismo tiempo, también se inventaron láseres semiconductores hechos de arseniuro de galio (GaAs), que debido a su pequeño tamaño se utilizaron ampliamente en sistemas de comunicación de fibra óptica. En 1976, nació el primer sistema de comunicación por fibra óptica con una velocidad de 44,7 Mbit/s en un oleoducto subterráneo de Atlanta, EE. UU.
Después de cinco años de investigación y desarrollo, en 1980 se lanzó el primer sistema comercial de comunicaciones por fibra óptica. El primer sistema de comunicación por fibra óptica de la historia de la humanidad utilizó un láser de arseniuro de galio con una longitud de onda de 800 nanómetros como fuente de luz. La velocidad de datos alcanzó los 45 Mb/s (bits por segundo) y se necesitaba un repetidor cada 10 kilómetros para mejorar la señal. .
La segunda generación de sistemas comerciales de comunicación por fibra óptica también se desarrolló después de 1980, utilizando láseres InGaAsP con una longitud de onda de 1300 nm. Aunque los primeros sistemas de comunicación por fibra óptica se vieron afectados por la dispersión, la calidad de la señal se vio afectada. Pero la invención de la fibra óptica monomodo en 1981 superó este problema. En 1987, la velocidad de transmisión de un sistema de comunicación de fibra óptica comercial había alcanzado 1,7 Gb/s, casi cuarenta veces más rápido que el primer sistema de comunicación de fibra óptica. Al mismo tiempo, los problemas de potencia de transmisión y atenuación de la señal también se han mejorado significativamente. Se necesita un repetidor cada 50 kilómetros para mejorar la señal. A finales de 1980 nació EDFA, que supuso un hito en la historia de las comunicaciones ópticas. Permite la retransmisión directa de comunicaciones por fibra óptica, hace posible la transmisión de alta velocidad a larga distancia y promueve el nacimiento de DWDM.
El sistema de comunicación de fibra óptica de tercera generación utiliza un láser con una longitud de onda de 1550 nm como fuente de luz y la atenuación de la señal ha sido tan baja como 0,2 dB/km. En el pasado, los sistemas de comunicación de fibra óptica que utilizaban láseres de fosfuro de arseniuro de indio y galio a menudo encontraban problemas con la propagación del pulso, pero los científicos han diseñado una fibra con dispersión desplazada para resolver estos problemas. Cuando esta fibra transmite ondas de luz a 1550 nm, la dispersión es casi nula porque puede limitar el espectro del láser a un único modo longitudinal. Estos avances tecnológicos permiten que la velocidad de transmisión del sistema de comunicación de fibra óptica de tercera generación alcance los 2,5 Gb/s y que la separación entre repetidores pueda alcanzar los 100 kilómetros.
La cuarta generación de sistemas de comunicación por fibra óptica introduce amplificadores ópticos para reducir aún más la necesidad de repetidores. Además, la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) mejora enormemente la velocidad de transmisión. Con el desarrollo de estas dos tecnologías, la capacidad de los sistemas de comunicación de fibra óptica ha aumentado significativamente, duplicándose cada seis meses. En 2001, había alcanzado una velocidad asombrosa de 10 Tb/s, 200 veces mayor que la del sistema de comunicación de fibra óptica de la década de 1980. En los últimos años, la velocidad de transmisión se ha incrementado aún más hasta los 14 Tb/s, lo que requiere sólo un repetidor cada 160 km.
El objetivo del desarrollo del sistema de comunicación por fibra óptica de quinta generación es ampliar el rango operativo de longitud de onda del multiplexor por división de longitud de onda.
El rango de longitud de onda tradicional, comúnmente conocido como "banda C", es de aproximadamente 1530 nm a 1570 nm, mientras que la banda de baja pérdida de la nueva fibra seca se extiende de 1300 nm a 1650 nm. Otra tecnología en desarrollo es la introducción del concepto de solitones ópticos, que utiliza el efecto no lineal de las fibras ópticas para resistir la dispersión y mantener la forma de onda original de la onda del pulso.
De 1990 a 2000, la industria de las comunicaciones por fibra óptica experimentó un gran crecimiento bajo la influencia de la burbuja de Internet. Además, algunas aplicaciones de red emergentes, como el vídeo a la carta, han provocado que el crecimiento del ancho de banda de Internet supere incluso la tasa de crecimiento de los transistores en los chips de circuitos integrados previstos por la Ley de Moore. Desde el estallido de la burbuja de Internet hasta 2006, la industria de las comunicaciones por fibra óptica continuó su vida consolidando y ampliando la escala empresarial y subcontratando la producción para reducir costos.
La frontera de desarrollo actual son las redes totalmente ópticas, de modo que las comunicaciones ópticas puedan sustituir por completo a los sistemas de comunicación de señales eléctricas. Por supuesto que todavía queda un largo camino por recorrer. En los sistemas de comunicación de fibra óptica, los componentes semiconductores comúnmente utilizados como fuentes de luz son diodos emisores de luz (LED) o diodos láser. La principal diferencia entre los LED y los diodos láser es que la luz emitida por los primeros es incoherente, mientras que los segundos son coherentes. Las ventajas de utilizar semiconductores como fuentes de luz son su pequeño tamaño, alta eficiencia luminosa, buena confiabilidad y longitud de onda optimizada. Más importante aún, las fuentes de luz semiconductoras se pueden modular directamente en funcionamiento de alta frecuencia, lo que es muy adecuado para las necesidades de los sistemas de comunicación de fibra óptica.
El LED utiliza el principio de electroluminiscencia para emitir luz incoherente y el espectro suele estar disperso entre 30 nm y 60 nm. Otra desventaja de los LED es su baja eficiencia luminosa. Normalmente, sólo el 1% de la potencia de entrada se puede convertir en potencia óptica, que es aproximadamente 100 MW [micrómetro (μ) vatio (μW)]. Pero los LED se utilizan a menudo en aplicaciones de bajo coste debido a su bajo coste. El principal material LED comúnmente utilizado en las comunicaciones ópticas es el arseniuro de galio o el arseniuro de galio fósforo (GaAsP). Su longitud de onda de emisión es de aproximadamente 1300 nm, que es más adecuada para las comunicaciones por fibra óptica que la de 810 nm a 870 nm del arseniuro de galio. Debido a la amplia gama de espectro de los LED y su severa dispersión, esto también limita el producto de su velocidad de transmisión y distancia de transmisión. Las redes de área local (LAN) suelen utilizar LED con velocidades de transmisión de 100 Mb/s a 100 MB/s y distancias de transmisión de unos pocos kilómetros. Actualmente existen varios pozos cuánticos en los LED que pueden emitir luz de diferentes longitudes de onda, cubriendo un amplio espectro. Este tipo de LED se utiliza ampliamente en redes regionales de multiplexación por división de longitud de onda.
La potencia de salida de un láser semiconductor suele rondar los 100 microvatios (μW). Es una fuente de luz coherente con una fuerte direccionalidad y la eficiencia de acoplamiento con una fibra monomodo suele alcanzar el 50 %. El estrecho espectro de salida del láser también ayuda a aumentar las velocidades de transmisión y reducir la dispersión del modelo. Los láseres semiconductores también pueden modularse a frecuencias operativas bastante altas porque sus tiempos de recombinación son muy cortos.
Los láseres semiconductores generalmente pueden modular directamente su estado de conmutación y señal de salida de acuerdo con la corriente de entrada, pero para algunas aplicaciones con velocidades de transmisión muy altas o distancias de transmisión largas, la fuente de luz láser se puede controlar en forma de ondas continuas, como por ejemplo Utilice un modulador de electroabsorción externo o un interferómetro Mach-Zehnder para modular la señal óptica. Los componentes de modulación externos pueden reducir en gran medida el "pulso chirrido" del láser. Los pulsos chirriados ampliarán el ancho de la línea espectral del láser y provocarán una dispersión grave en la fibra óptica. En el pasado, la limitación de distancia de la comunicación por fibra óptica procedía principalmente de la atenuación y deformación de la señal en la fibra óptica. La solución era utilizar repetidores de conversión fotoeléctrica. Este tipo de repetidor primero convierte la señal óptica nuevamente en una señal eléctrica para amplificarla y luego la convierte en una señal óptica más fuerte para transmitirla al siguiente repetidor. Sin embargo, esta arquitectura del sistema es indudablemente más compleja y no es adecuada para la nueva generación de tecnología de multiplexación por división de longitud de onda. Al mismo tiempo, se requiere un repetidor cada 20 kilómetros, lo que dificulta reducir el coste de todo el sistema.
La finalidad de un amplificador óptico es amplificar directamente señales ópticas sin necesidad de conversión fotoeléctrica y electroóptica. El principio del amplificador óptico es dopar una sección de fibra óptica con elementos de tierras raras como el erbio y luego bombearla con un láser de longitud de onda corta. De esta forma se pueden amplificar las señales ópticas para sustituir a los repetidores. El componente principal del receptor óptico es el fotodetector, que convierte la señal óptica incidente en una señal eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico. Los fotodetectores suelen ser fotodiodos basados en semiconductores, como diodos de unión pn, diodos p-i-n o diodos de avalancha. Además, los fotodetectores "metal-semiconductor-metal" (MSM) también se utilizan en regeneradores ópticos o multiplexores por división de longitud de onda debido a su buena integración con los circuitos.
Los circuitos receptores ópticos suelen utilizar amplificadores de transimpedancia (TIA) y amplificadores limitadores para procesar la fotocorriente convertida por los fotodetectores. Los amplificadores de transimpedancia y los amplificadores limitadores pueden convertir la fotocorriente en una señal de voltaje de pequeña amplitud y luego convertirla en una señal digital a través del circuito comparador de fondo. Para los sistemas de comunicación de fibra óptica de alta velocidad, la atenuación de la señal suele ser grave. Para evitar que la señal digital emitida por el circuito receptor exceda la especificación, generalmente se agregan un circuito de recuperación de reloj (CDR) y un bucle de bloqueo de fase (PLL) en la etapa descendente del circuito receptor para procesar adecuadamente la señal antes. emitiéndolo. Para las fibras ópticas de vidrio modernas, el problema más grave no es la atenuación de la señal, sino la dispersión, es decir, las señales se propagan y superponen gradualmente después de ser transmitidas a una cierta distancia en la fibra óptica, lo que dificulta que el extremo receptor distinga las altas y bajo de la señal. La dispersión cromática en las fibras ópticas tiene muchas causas. Tomando como ejemplo la dispersión modal, las velocidades axiales inconsistentes de los modos transversales de la señal conducen a la dispersión, lo que también limita la aplicación de fibras ópticas multimodo. En la fibra monomodo, la dispersión entre modos se puede suprimir a un nivel muy bajo.
Sin embargo, la fibra monomodo también sufre el mismo problema de dispersión, a menudo llamado dispersión de velocidad de grupo. La razón es que el índice de refracción del vidrio es ligeramente diferente para ondas de luz incidentes de diferentes longitudes de onda. Las ondas de luz emitidas por la fuente de luz no pueden tener una distribución espectral. Esto también hace que las ondas de luz tengan diferentes comportamientos de refracción en la fibra óptica. a diferencias sutiles en la longitud de onda. Otro tipo común de dispersión en la fibra monomodo se llama dispersión por modo de polarización. La razón es que, aunque solo se puede acomodar una onda de luz en modo transversal en una fibra monomodo a la vez, la onda de luz en modo transversal se puede polarizar en dos direcciones. Cualquier defecto estructural y deformación en la fibra puede causar que las ondas de luz se desvíen. las dos direcciones de polarización tienen diferentes velocidades de transmisión, lo que también se llama birrefringencia de fibra. Este fenómeno se puede suprimir utilizando fibra óptica que mantenga la polarización. Sin embargo, para aplicaciones de comunicación de corta distancia y bajo ancho de banda, utilizar la transmisión de señales eléctricas tiene las siguientes ventajas:
Costos de construcción reducidos
Fácil de montar
Los sistemas de energía se pueden utilizar para transmitir información.
Debido a estas ventajas, la información a menudo se transmite a distancias cortas, como entre hosts, entre placas de circuitos o incluso entre chips de circuitos integrados. Sin embargo, algunos sistemas experimentales actuales han alterado la iluminación para transmitir información.
En algunas situaciones de bajo ancho de banda, la comunicación por fibra óptica todavía tiene sus ventajas únicas:
Puede resistir interferencias electromagnéticas, incluidos los pulsos electromagnéticos inducidos por energía nuclear. (Sin embargo, las fibras ópticas pueden resultar dañadas por los rayos alfa o beta).
La impedancia de las señales eléctricas es extremadamente alta, lo que les permite operar de forma segura a altos voltajes o a diferentes potenciales de tierra.
Ligero, algo especialmente importante en los aviones.
Sin chispas, lo cual es importante en algunos ambientes inflamables. No hay radiación electromagnética y no es fácil ser escuchado, lo cual es muy importante para sistemas que requieren alta seguridad.
El diámetro pequeño del alambre se vuelve importante cuando las rutas de bobinado son restringidas. Para permitir que los diferentes fabricantes de equipos de comunicación por fibra óptica tengan * * estándares de comunicación, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) ha desarrollado varios estándares relacionados con la comunicación por fibra óptica, entre ellos:
ITU-T G.651, 50 /Características de los cables ópticos de índice graduado multimodo de 125 micras
ITU-T G.652, Características de los cables ópticos monomodo
Otros estándares para comunicaciones de fibra óptica especifican la transmisión y recepción final o Especificaciones para medios de transmisión, incluyendo:
Ethernet 10G (10 Gigabit Ethernet)
Interfaz de datos distribuidos de fibra óptica
Fibre Channel (Fibre Channel)
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HIPPI
Sistema Digital Síncrono (Sistema Digital Síncrono)
Red Óptica Síncrona (Red Óptica Síncrona).
Además, en el campo de los efectos de sonido digitales, también existe una especificación para transmitir información a través de fibra óptica, concretamente la especificación TOSLINK formulada por Toshiba Corporation de Japón. Se utiliza fibra óptica plástica (POF) como medio y el sistema incluye un transmisor con un LED rojo y un receptor con fotodetector integrado y circuito amplificador.