Fibra óptica – Tipos de fuente de luz, dispersión, las ‘3R’ y optical budget

Este es el segundo post de una serie presentando conceptos básicos sobre los sistemas de transmisión por fibra óptica. Hoy veremos los tipos de fuente de luz, la dispersión cromática y por modo de polarización, los sistemas 3R para reacondicionamiento de la señal óptica y por último introduciremos el conectpo de ‘link budget’.

Tipos de fuentes de luz

Disponemos en el mercado de dos tipos de transmisores ópticos: LED y Laser.

Los LED se usan en el espectro visible o cerca del visible (por ejemplo en la primera venta de 850nm). En cambio los Laser se usan típicamente para transmisión en la banda de 1300 a 1600nm, es decir, en fibras monomodo.

Podemos distinguir los siguientes tipos de Laser:

  • Fabry-Perot: de bajo coste, con un espectro ancho y usados para distancias medias
  • DFB (Distributed Feed Back): de alto coste, con un espectro mucho más estrecho y usado para largas distancias

Como veremos más adelante, el pulso de luz se va dispersando y ensanchando con la distancia en la fibra. Por este motivo siempre usaremos lásers DFB para largas distancias con un pulso mucho más estrecho.

laser sources - Fibra óptica - Tipos de fuente de luz, dispersión, las '3R' y optical budget
Tipos de fuentes laser

Las ‘3R’ (reamplification, reshaping, retimiing)

Con las siglas ‘3R’ definimos los sistemas que intentan mitigar la degradación de las señales ópticas tras haber cruzado un tramo de fibra. Los tres conceptos hacen referencia a las tres principales degradaciones de la señal:

  • atenuación: la combatimos amplificando la señal (R o reamplification)
  • dispersión del pulso transmitido: la combatimos regenerando la forma del pulso (2R o reshaping)
  • jitter o variación de retardo: la combatimos resincronizando la señal óptica (3R o retiming)

En la siguiente figura podemos ver de forma gráfica los tres efectos y en la siguiente figura cómo podemos mitigarlos.

3R - Fibra óptica - Tipos de fuente de luz, dispersión, las '3R' y optical budget
Degradación de la señal óptica por atenuación, dispersión y jitter
3R solved - Fibra óptica - Tipos de fuente de luz, dispersión, las '3R' y optical budget
Regeneración de la señal tras las 3R

Por último, en la siguiente figura podemos ver de forma gráfica como los tres fenómenos degradan un tren de pulsos ideal.

3R explained - Fibra óptica - Tipos de fuente de luz, dispersión, las '3R' y optical budget
Tren de pulsos ideal y su degradación y posterior reacondicionamiento

Tipos de dispersión

El fenómeno de la dispersión en la fibra se produce de forma proporcional a la distancia recorrida por la señal óptica y es independiente de la atenuación de dicha fibra. Dicho de otro modo, aunque tuviéramos una fibra perfecta sin atenuación tendríamos un problema de dispersión en el pulso de luz recibido.

Existen dos tipos de dispersión:

Dispersión cromática

La dispersión cromática de produce por el hecho de que diferentes longitudes de onda viajan a diferente velocidad por la fibra. El efecto que esto produce es un ensanchamiento del pulso de luz. Si este ensanchamiento es muy pronunciado puede interferir con el pulso siguiente o anterior causando lo que denominamos ISI o interferencia inter-simbólica.

Esta dispersión varía en función de:

  • el ancho del pulso de luz (por tanto del tipo de láser usado)
  • la velocidad (por tanto de la separación entre un pulso y el siguiente)
  • el tipo de fibra óptica monomodo
dispersión cromatica 1 - Fibra óptica - Tipos de fuente de luz, dispersión, las '3R' y optical budget
Dispersión cromática

¿Cómo combatir la dispersión cromática?

Podemos minimizar esta dispersión usando transmisores láser DFB con un pulso estrecho o bien usando fibras DSF o NZDSF con un comportamiento mejor ante de dispersión. Aún así, en mucho casos esto no será suficiente y necesitaremos usar equipos DCM (Dispersation Compensating Modules). Estos equipos actúan como una fibra negativa que compensa la distorisión introducida por el tramo real de fibra.

DCM - Fibra óptica - Tipos de fuente de luz, dispersión, las '3R' y optical budget
DCM – Sistema de compensación de la dispersión

Dispersión por modo de polarización (PMD)

Esta dispersión está causada por defectos en el proceso de fabricación del cable de fibra (falta de simetría o imperfecciones) o por tensiones tanto internas en el cable como externas (vibraciones y otras). La PMD provoca que el pulso de luz vaya virando sus coordenadas a medida que atraviesa la fibra. Esta dispersión es un fenómeno mucho menos importante que la dispersión cromática anteriormente comentada y tan sólo afecta las transmisiones a velocidades de 10Gb/s o superiores.

La dispersión por modo de polarización puede combatirse:

  • utilizando fibras especialmente diseñadas para minimizar esta dispersión
  • regenerando ‘3R’ la señal en algún punto intermedio
  • siguiendo escrupulosamente los procedimientos de instalación de la fibra recomendados por el fabricante de la misma

Las fibras normales suelen tener una dispersión PMD de 0.5ps/(km)1/2 . Con una tolerancia de 15ps a velocidades de 10Gb/s la máxima distancia teórica que podemos cubrir antes de la regeneración sería de 900km

PMD - Fibra óptica - Tipos de fuente de luz, dispersión, las '3R' y optical budget
Dispersión por modo de polarización (PMD)

Optical budget

El optical Budget es la atenuación máxima que puede soportar nuestro enlace óptico. Es una medida relativa, y por tanto se mide en dB. De forma gráfica vemos el cálculo en la siguiente figura. Si tenemos un transmisor óptico con una potencia de 6dBm y un receptor óptico en el otro extremo con una sensibilidad de -30dBm, nuestro optical Budget se calcula simplemente restando ambos (+6- (-30) = 36dB)

optical budget - Fibra óptica - Tipos de fuente de luz, dispersión, las '3R' y optical budget
Optical Budget

Lógicamente en este Budget hemos de ir sumando las atenuaciones provocadas por el tramo en sí de fibra, las imperfecciones en la misma, conectores, empalmes, latiguillos, etc. En aquellos casos en que esta atenuación sea superior a nuestro optical Budget deberemos usar algún tipo de amplificador de señal, bien en transmisión, bien en recepción o bien en un punto intermedio del enlace.

Fibra óptica – Conceptos Básicos

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