Fibra Optica ESAD

Resumen

Este artículo presenta una introducción a las redes de comunicaciones ópticas, para lo cual se describe la evolución que están experimentando dichas redes a fin de soportar las futuras demandas en el transporte de tráfico IP.

Esta evolución se debe en gran parte al desarrollo de dispositivos que permiten el procesamiento de señales en el domino óptico. De la misma forma se presenta un modelo de router de conmutación de paquetes ópticos basado en el paradigma de intercambio de etiqueta con capacidad de conmutación de paquetes IP a 10 Gb/s.

Por otra parte, se ha incorporado en el router la capacidad de procesar paquetes de tamaño variable y se comprueba experimentalmente sus prestaciones.

Aplicación de la Física en Telemática

Hoy día, se busca aplicar el conocimiento sobre los fenómenos de la luz para crear una infraestructura de datos basada, completamente, en redes ópticas. Esto es, implementar redes que sólo funcionen dentro del dominio óptico, y que no tengan elementos electrónicos dentro de su estructura.

Se considera que el actual incremento del flujo de datos, a través de internet, pronto rebasará la capacidad de transmisión de las actuales instalaciones de par trenzado de cobre, coaxiales, e inclusive, redes de fibra óptica de primera generación, y será necesario contar con nuevas tecnologías para el intercambio de datos que demandan los usuarios.

El intercambio de datos en internet rebasó a los datos de voz, de hecho, servicios como la televisión interactiva, streaming de video, descargas de archivos, o transmisión de datos en tiempo real (noticieros, programas de radio, espectáculos de suscripción por internet) son los servicios más solicitados por los usuarios de internet.

Debido que las instalaciones de redes actuales cuentan con, en esencia, con aparatos que funcionan dentro del dominio eléctrico, se saca poco provecho de las redes de fibra óptica instaladas en la actualidad. Podemos hablar de tres generaciones de redes de fibra óptica.

Las redes ópticas de primera generación se caracterizan por usar a la fibra óptica solo como medio de transporte de los datos y nada más. Por tal motivo, en los nodos de conmutación de datos, el mayor gasto de la infraestructura es el enrutamiento de los paquetes que se transmiten a través de la fibra, lo que representa un gasto adicional debido a que se filtra la totalidad del tráfico de la red para direccionarlo hacia su destino.

Las redes ópticas de segunda generación funcionan dentro del dominio óptico casi en su totalidad. En estas redes, la información es transmitida desde el punto de emisión hasta el tramo final de fibra (esto es, el domicilio del suscriptor) mediante fibra óptica.

La forma de conmutación de estas redes está más controlada debido a que la información es emitida en una determinada longitud de onda y los nodos sólo extraen la longitud de onda requerida según una configuración previa sin necesidad de procesar todo el tráfico en un nodo.

Incluso puede ser que existan diferentes longitudes de onda dentro de una fibra óptica así dispuesta, de tal modo que se puede contar con distintos canales ópticos, para el envío de datos.

El problema de estas redes se origina en la naturaleza misma de internet, donde la información (el tráfico) a menudo viaja en ráfagas altamente variables e impredecibles. Por otra parte, aunque el uso de longitudes de onda estáticas permite realizar la conmutación ópticas de los paquetes de manera rápida y eficiente (en comparación con los elementos eléctricos), impide que se use todo el potencial de una fibra óptica pues la reconfiguración de los caminos ópticos no es dinámica y está restringida sólo a algunas longitudes (al igual que los pares trenzados de cobre).

Las redes ópticas de tercera generación tienden a resolver el problema de la configuración estática de las longitudes de onda de los paquetes de luz que viajan a través de la fibra óptica. En estas redes se conmutan las ráfagas de información a través de un paquete de control que es configurado con una longitud de onda específica y que se envía a través de la red, reconfigurando los nodos por los que pasa, ampliando de esta forma el aprovechamiento del ancho de banda total dentro de la fibra óptica.

Principios físicos detrás de las redes ópticas

La creación de las redes ópticas de transmisión de datos parte del estudio de las propiedades de la luz. Si bien el estudio de la luz se estableció desde los griegos, es actualmente que se está desarrollando la tecnología para trabajar con ella al nivel de la longitud de onda.

Antes, el estudio de las aplicaciones técnicas de la luz formaba parte de la electrónica, y es ahí donde surgen los materiales que se usan en la actualidad en la infraestructura de las redes ópticas.

La naturaleza de la luz es dual, de tal modo que en ciertos momentos se considera que la luz se comporta como si fuera una onda. En el caso de la trasmisión de la luz a través de la fibra óptica, esta se considera una onda que rebota a lo largo de la fibra óptica.

La luz usada para la transmisión de datos suele ubicarse entre el espectro de la luz visible hasta los infrarrojos. La información a transmitir a través de la fibra óptica se transforma de un impulso eléctrico a un haz láser con una determinada frecuencia y longitud de onda.

Para el multiplexado y demuplexado se usan elementos opto-electrónicos que filtran las señales ópticas mediante sus longitudes de onda tal como si se tratase de luz visible siendo descompuesta en su espectro.

Durante el proceso de demuplexado se eligen las longitudes de onda correspondientes al nodo al que debe llegar la información y los datos que no sean requeridos se dejan pasar a través del nodo hacia el siguiente.

Definiciones físicas:

Onda electromagnética: Es una perturbación en el espacio producida por una carga eléctrica y un campo magnético en movimiento.

Luz: Es una onda electromagnética portadora de energía.

Espectro electromagnético: Distribución energética del conjunto de ondas electromagnéticas.

Frecuencia: Es la rapidez con la que vibra una onda electromagnética. A mayor frecuencia de vibración, más energética es la onda y viceversa.

Longitud de onda: Es la distancia recorrida por la vibración de una onda electromagnética. A mayor longitud la onda electromagnética es menos energética y viceversa.

Fibra óptica: Medio físico para la transmisión de datos a partir de haces de luz. Es un hilo ultra delgado, transparente, hecho de vidrio, dióxido de silicio fundido o polímero plástico.

Cuerpo transparente: Material que permite que la luz visible lo atraviese en línea recta. Esto se debe a que el material tiene una muy baja absorción energética y cede con mayor rapidez la energía recibida por un haz luminoso.

Absorción: Fenómeno por el cual un material absorbe parte de la energía radiante de una onda electromagnética cuando esta incide sobre el mismo.

Principio del tiempo mínimo: Fue expresado por Pierre Fermat y se define como la trayectoria que sigue un haz de luz y que toma el menor tiempo para llegar de un punto A a un punto B.

Reflexión: Proceso por el cual un haz de luz proveniente del medio choca con un material y regresa al medio del cual vino formando un ángulo de salida (reflejado) igual al ángulo de incidencia sobre este.

Reflexión interna total: Fenómeno que se da cuando un haz de luz incide dentro de un material y este no sale del mismo sino que se refleja continuamente sin escaparse al medio circundante. Esto ocurre en los materiales donde la velocidad de la luz es menor en su interior que en el medio exterior a ellos.

Ángulo crítico: Es el ángulo mínimo de incidencia sobre medio material en el cual la luz se refleja totalmente.

Refracción: Es el ángulo de desviación de la luz cuando pasa de un medio transparente a otro. Esto ocurre cuando la velocidad de dispersión de la luz es diferente entre dos materiales transparentes.

Índice de refracción: Es la medida que determina la disminución de la velocidad de la luz al propagarse por un material homogéneo.

Ley de Snell: Es la ecuación usada para definir el ángulo de refracción de la luz cuando esta atraviesa dos materiales transparentes con un distinto índice de refracción. La fórmula se define como:

Donde:

n1 = índice de refracción del primer medio transparente.

senθ1 = ángulo de incidencia.

n2 = índice de refracción del segundo medio transparente.

senθ2 = ángulo de refracción.

La fibra óptica y el dominio óptico

Físicamente, el interior de la fibra óptica, está fabricada con dos materiales transparentes que poseen diferente índice de refracción. Para el caso particular que estamos estudiando, se busca que la fibra óptica sea un material que permita la reflexión interna total y permita el paso de las ondas de luz con la menor pérdida energética debido al fenómeno de absorción.

Existen tres tipos de fibra óptica según el modo de transmisión de datos a emplear. Aun así, la fibra óptica se fabrica como se ve en la imagen:

Si hiciéramos un corte transversal a un cable de fibra óptica se vería de esta forma:

Para que el haz de luz viaje a través del interior del núcleo de la fibra, esta debe cumplir la ley de Snell para el caso de la reflexión total interna, por lo tanto el núcleo posee un índice de refracción mayor que el revestimiento, y es en la frontera entre ambos que el haz de luz se refleja a lo largo de la fibra óptica conservando la energía total de transmisión.

La ley de Snell para la reflexión interna total se ejemplifica en el siguiente esquema:

Este comportamiento se expresa en la ecuación siguiente:

Donde, para la fibra óptica  n1 > n2

Siendo n1 el índice de refracción del núcleo de la fibra óptica y n2 el índice de refracción del revestimiento.

El ángulo θc es el ángulo crítico de reflexión total, que para la fibra óptica variará debido a los índices de refracción de los materiales usados en su fabricación.

Aun cuando estas leyes nos indican el comportamiento del haz de luz dentro de la fibra óptica, su utilidad puede verse limitada ya que múltiples factores pueden alterar el curso de la información a través de la misma.

Dentro de los fenómenos físicos que pueden alterar la transmisión de la información tenemos: las reflexiones, las dispersiones y las absorciones.

Reflexión de Fresnel: Se produce en los extremos de las fibras ópticas debido al salto de índice de refracción entre el exterior y el núcleo.

Dispersión de Rayleigh: El esparcimiento o dispersión de Rayleigh se debe a fluctuaciones de concentración y densidad, burbujas en el material y fisuras o imperfecciones de la guía de ondas por irregularidades internas del núcleo y el revestimiento.

Absorción del material: En lo que respecta a las absorciones, el dióxido de silicio produce una absorción natural de las ondas infrarrojas y ultravioletas; así mismo, el dióxido de germanio usado en el recubrimiento hace lo propio con la radiación electromagnética. También existen absorciones de los radicales oxidrilo (OH) y iones metálicos propios del proceso de fabricación de la fibra óptica.

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