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Transmisión por fibra óptica (página 2)




Enviado por Pablo Turmero



Partes: 1, 2

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PCOF (Primary Coated Optical Fibre)
SCOF (Secondary Coated Optical Fibre)
Cable de una sola fibra
Estructura de un cable de fibra óptica

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SECCIÓN TRANSVERSAL DE UN CABLE SUBMARINO
Polietileno
Cinta “Mylar”
Cables de acero ‘Stranded’
Barrera de aluminio protectora del agua
Policarbonato
Tubo de cobre o de aluminio
Gelatina de petróleo
Fibras ópticas
Barco utilizado para tender cable submarino
Fibras submarinas en el mundo
Fibra óptica submarina

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1ª ventana
Absorción producida por el ión hidroxilo, OH- (‘Pico de agua’)
Luz visible
Longitud de onda, ? (nm)
Atenuación (dB/Km)
2,5
2,0
1,0
1,5
0,5
700
1000
900
800
1400
1300
1200
1100
1700
1600
1500
Luz infrarroja
Atenuación de la fibra óptica
0
Láser
CD-ROM
3,0
Fibra multimodo
Fibra monomodo
Pérdida debida a la dispersión intrínseca
2ª v Banda O
(Original)
3ª v Banda C (Conventional)
4ª v Banda L (Long)
Banda E
(Extended)
Banda S (Short)
Banda U (Ultra-long)

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Variación de la atenuación de la fibra con las mejoras en el proceso de fabricación
Tercera ventana (Banda «C»)
Cuarta ventana (Banda «L»)
Segunda ventana (Banda «O»)
Primera ventana

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Corning SMF-28
Corning SMF-28e (enhanced)
Fibras sin pico de agua
Fibra monomodo normal
Fibra monomodo LWP
Al mejorar los procesos de fabricación de la fibra el ‘pico de agua’ a 1383 nm se ha atenuado bastante en los últimos años. Actualmente se fabrican fibras que casi no tienen pico de agua, se llaman fibras ZWPF (Zero Water Peak Fiber) o LWP (Low Water Peak).
O
E
S
C
L
O
E
S
C
L

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Ventanas o bandas de la Fibra Óptica

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Emisores Ópticos
Como fuente de luz se emplean LEDs (Light Emitting Diode) por su rapidez y bajo consumo. Los LEDs pueden ser de dos tipos:
LED de luz normal, no coherente: se utilizan en aplicaciones de corto alcance y baja velocidad (600 Mb/s o menos). Son muy baratos. Solo se emplean en fibra multimodo.
LED de luz láser, coherente: son más caros pero permiten alcances y velocidades mayores. Se emplean en fibra multimodo y monomodo.
Luz normal
Luz láser

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Atenuación
La F.O. más moderna tiene una atenuación de 0,15 dB/Km. Esto significa que la señal se debilita a la mitad cada 20 Km.
Si la señal que llega al receptor es muy débil la relación señal/ruido es baja, el receptor no detecta correctamente los bits y la tasa de error aumentar
Algunos sistemas emplean códigos RS (FEC) para reducir la tasa de error y mejorar el alcance
Para aumentar la intensidad de la señal se pueden instalar amplificadores intermedios (uno cada 100-500 Km dependiendo del tipo de fibra y la señal transmitida)

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Conversor Electroóptico
Transmisor
Eléctrico
(Txe)
Transmisor
Óptico
(Txo)
Flujo de bits
entrante
Fibra óptica
Conversor Electroóptico
Receptor
Eléctrico
(Rxe)
Receptor
Óptico
(Rxo)
Flujo de bits
saliente
Esquema de un enlace de fibra óptica simplex sin repetidores
Según la distancia es posible que haya que utilizar amplificadores

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Amplificadores y Repetidores
Los amplificadores realizan la función Restore, es decir aumentan la intensidad de la señal, pero no suprimen el ruido ni corrigen los defectos. Decimos que son dispositivos 1R
Si la señal pasa por muchos amplificadores llega a ser indescifrable. Para evitarlo hay que poner de vez en cuando un Repetidor, que es un dispositivo 3R:
Restore: restaura la intensidad inicial
Reshape: corrige las distorsiones en la forma
Resynchronize: corrige las desviaciones de reloj (sincronismo)
Dependiendo del tipo de señal hay que colocar un repetidor cada 10-20 amplificadores (2.000 – 10.000 Km)
En SONET/SDH no había amplificadores, se ponía un repetidor cada 40 Km

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Diferencia entre repetidor y amplificador
Proceso ‘3R’ de un Repetidor:
Bit
Pulso original
Pulso llegado
al repetidor
1R: Restore
2R: Reshape
3R: Resynchronize.
Pulso enviado
por el repetidor
Proceso ‘1R’ de un Amplificador:
Pulso original
Pulso llegado
al amplificador
1R: Restore.
El ruido se
acumula
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
Bit
El repetidor tiene que saber la velocidad de la señal que recibe, para regenerar pulsos de la misma duración. El amplificador no porque solo maneja la señal a nivel analógico.

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Flujo de bits
entrante
Flujo de bits
saliente
Flujo de bits
saliente
Flujo de bits
entrante
f.o.
f.o.
f.o.
f.o.
Esquema de un enlace de fibra óptica full-dúplex con un repetidor
Repetidor
Txo
Rxe
Txe
Rxo
Txo
Rxe
Txe
Rxo
Txo
Rxe
Txe
Rxo
Txo
Rxe
Txe
Rxo
Rg
Rg
Txe: Transmisor eléctrico
Txo: Transmisor óptico
Rxe: Receptor eléctrico
Rxo: Receptor óptico
Rg: Regenerador de la señal

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Fibra multimodo
Solo se utiliza en LANs, nunca en largas distancias.
El alcance máximo es de 2 Km, pero a altas velocidades es menor (500 m a 1 Gb/s, 300 m a 10 Gb/s)
Es más cara que la fibra monomodo, pero la optoelectrónica es mas barata.
Se utiliza en 850 y 1310 nm (1ª y 2ª Ventanas)
El estándar de la ITU-T es G.651
En cableado estructurado (norma ISO 11801) se distinguen cuatro tipos de fibra multimodo: OM1, OM2, OM3 y OM4. Estas difieren en el ancho de banda modal (lo vemos luego)

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Dispersión
Cuando un pulso de luz se transmite por fibra óptica no conserva su forma original, siempre se ensancha un poco:
t
t
Fibra 10 Km
A este efecto lo llamamos dispersión. La dispersión es proporcional a:
La longitud del enlace de fibra, y a
La frecuencia de los pulsos, es decir la velocidad en bits/s
t
t
Fibra 20 Km
Al duplicar la longitud del enlace el efecto de la dispersión se duplica
Con pulsos demasiado solapados hay riesgo de errores

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Dispersión
Si el ensanchamiento es excesivo los pulsos consecutivos se solapan, pudiendo llegar a producirse errores en el receptor.
El efecto de la dispersión es mayor cuanto mayor es la longitud del enlace de fibra y cuanto más cortos son los pulsos, es decir cuanto mayor es la velocidad de transmisión
Actualmente la dispersión es la mayoría de las veces el factor limitante de la capacidad de transmisión de la fibra óptica
Hay diversos tipos de dispersión. Los más importantes son:
En fibra multimodo la dispersión modal
En fibra monomodo la dispersión cromática

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Dispersión modal
Se debe a que los haces de luz (modos) por medio de los cuales se propaga el pulso no recorren todos exactamente la misma distancia
Solo ocurre en la fibra multimodo, ya que en la monomodo solo hay un haz
Pulsos entrantes
Pulsos salientes
El ensanchamiento es directamente proporcional a la distancia y a la velocidad. Por tanto podemos mantener una dispersión constante si aumentamos una reduciendo la otra proporcionalmente. Se produce la misma dispersión en un enlace de 2 Km a 100 Mb/s que en uno de 200 m a 1 Gb/s
Haz largo
Haz corto

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Fibra multimodo de índice gradual
La dispersión modal en la fibra multimodo puede reducirse haciendo que el índice de refracción cambie de forma gradual al pasar del núcleo a la cubierta. De esta forma los modos tienden a seguir un camino más parecido
Esto reduce la dispersión modal y aumenta el alcance a altas velocidades. Pero para ello los procesos de fabricación han de estar muy controlados

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Ancho de banda modal
Para comparar el comportamiento de diferentes fibras ante la dispersión modal se utiliza un parámetro denominado ancho de banda modal (modal bandwidth) que se expresa en MHz*Km.
La frecuencia de la señal (MHz) se puede calcular sabiendo la codificación utilizada (por ejemplo para Gb Eth con 8B/10B es 1,25 GHz). De todas formas para cálculos aproximados podemos considerar los Mb/s equivalentes a los MHz.
Así p. ej. una fibra con ancho de banda modal de 500 MHz*Km nos permitiría transmitir (aproximadamente):
250 Mb/s a 2 Km, ó
500 Mb/s a 1 Km, ó
1 Gb/s a 500 m

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Alcance de fibra multimodo en 1ª ventanaen función del ancho de banda en Gigabit y 10 Gigabit Ethernet
(1) Referida como fibra ‘Calidad FDDI’
(2) Referida como fibra ‘Calidad Fibre Channel’
(3) Referida como fibra ‘Calidad 10 Gigabit Ethernet’

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Alcance de la fibra multimodo a 1 y 10 Gb/s en función del ancho de banda
200
Distancia
(m)
0
400
600
800
1000
1200
400
800
1200
1600
2000
2400
2800
3200
3600
4000
Ancho de Banda Modal a 850 nm
(MHz*Km)
1000BASE-S
10GBASE-S
Alcance teórico para 1,25 GHz
Alcance teórico para 10,3125 GHz

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Factores que limitan el rendimiento de la F.O. monomodo
Atenuación. Pérdida de intensidad de la señal con la distancia. El uso de amplificadores reduce el problema pero los amplificadores también amplifican el ruido. Se mide en dB/Km.
Dispersión cromática: se produce por las diferencias en la velocidad de propagación de la luz a distintas longitudes de onda. Se mide en ps/nm/Km
Dispersión de Modo Polarización (PMD): las imperfecciones del núcleo provocan que diferentes polarizaciones de la misma longitud de onda viajen a diferente velocidad. Su efecto suele ser importante a partir de 5 Gb/s. Se mide en ps/Km.

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Dispersión cromática
La luz emitida en la fibra óptica monomodo, incluso siendo de una fuente láser, no tiene toda exactamente la misma longitud de onda. La anchura de banda espectral está entre 0,5 y 5 nm (depende del emisor)
Las distintas longitudes de onda viajan a distinta velocidad, lo cual ensancha el pulso en el receptor
Puesto que se debe a las diferencias en longitud de onda se la denomina dispersión cromática (debida al color)
La dispersión cromática tiene dos componentes:
Dispersión material
Dispersión por guía de ondas

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La dispersión material se debe al material, es decir al vidrio. El índice de refracción del vidrio (y por tanto la velocidad de la luz) varía con la longitud de onda. Las longitudes de onda mayores viajan más despacio y llegan más tarde:
Dispersión material

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Como ya hemos visto cuando la luz viaja por la fibra monomodo lo hace en parte por la cubierta. La proporción de luz que viaja por la cubierta crece conforme aumenta la longitud de onda, por ejemplo:

Pero la cubierta tiene un índice de refracción menor que el núcleo, por tanto la luz por allí viaja más deprisa (0,3%) y llega antes, ensanchando el pulso
La dispersión por guía de ondas acelera las longitudes de onda mayores, ya que las hace ir en mayor proporción por la cubierta.
Dispersión por guía de ondas

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Compensación de los dos tipos de dispersión
Las dos componentes de la dispersión cromática actúan en sentido contrario:
La dispersión material ralentiza las longitudes de onda mayores
La dispersión por guía de ondas acelera las longitudes mayores
En cualquier fibra hay una longitud de onda determinada a la que ambos efectos se neutralizan y la dispersión cromática es nula (o despreciable)
Ajustando una serie de características de la fibra se puede conseguir que ese punto de dispersión cero esté justo en los 1310 nm

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1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
? (nm)
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Dispersión
(ps/nm/km)
Dispersión por guía de ondas
Dispersión material
Dispersión cromática
Dispersión en fibra monomodo estándar o fibra NDSF (Non Dispersion Shifted Fiber)
1310 nm

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Fibra DSF (Dispersion Shifted Fiber)
La fibra NDSF (monomodo estándar) fue diseñada pensando en su uso en 2ª ventana. Por eso se ha buscado que en esa ? las dos formas de dispersión se cancelen.
La 3ª ventana tiene menor atenuación y permite mayores distancias, pero en esa ? hay mucha dispersión, lo cual limita el alcance a grandes velocidades.
Solución: fabricar fibra en la que la dispersión se cancele a 1550 nm, no a 1310. Esta se denomina fibra DSF (Dispersion Shifted Fiber) y se introdujo a mediados de los 80 para mejorar el alcance en 3ª ventana
Para ello se modifica la fibra para hacer que más parte del haz viaje por la cubierta. De este modo se aumenta la dispersión por guía de ondas.

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1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
? (nm)
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Dispersión
(ps/nm/km)
Dispersión por guía de ondas
Dispersión material
Dispersión cromática
Dispersión en fibra DSF (Dispersion Shifted Fiber)
1550 nm

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Servicios de fibra oscura
El operador solo suministra la fibra y el usuario se encarga de poner los emisores láser, es decir de ‘iluminarla’
El usuario elige el transporte:
ATM
POS
Ethernet
Otros
La distancia máxima suele ser unos 100 Km para evitar el uso de amplificadores o repetidores
Estos servicios se ofrecen ya de forma habitual en régimen de alquiler a largo plazo

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4.042 m
5.159 m
10.963 m
18.620 m
Campus
Burjassot-
Paterna
Campus
Naranjos
Edif. Histórico
C/Nave
Campus
Blasco Ibáñez
Red de fibra oscura de la UV
Escuela de
Magisterio
Jardín
Botánico
C. M.
Rector Peset

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Routing en el anillo de la UV
Blasco Ibáñez
Burjassot
Naranjos
El protocolo de routing permite redirigir el tráfico por una ruta alternativa en caso de fallo de algún enlace o equipo. Siempre se elige la ruta de métrica más baja
Si falla enlace Burjassot-Blasco Ibáñez el tráfico se reencamina por Burjassot-Naranjos

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