Análisis de sistemas de radio sobre fibra usando fibras ópticas de plástico

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(1)Análisis de sistemas de radio sobre fibra usando fibras ópticas de plástico. Jenniffer Zuany Diaz Diaz. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de ingenierı́a Bogotá, Colombia 2017.

(2) Análisis de sistemas de radio sobre fibra usando fibras ópticas de plástico. Jenniffer Zuany Diaz Diaz. Trabajo de grado presentado como requisito para optar al tı́tulo de: Ingeniera Electrónica. Director: Gustavo Adolfo Puerto Leguizamón Doctor Ingeniero en Telecomunicaciones. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad de ingenierı́a Bogotá, Colombia 2017.

(3) Debemos tener perseverancia y, sobre todo, confianza en nosotros mismos. Debemos creer que estamos dotados para algo y que esto debe ser alcanzado. Marie Curie.

(4) Agradecimientos Quiero aprovechar estas lı́neas para agradecer a las personas que me han acompañado durante este proceso. Principalmente quiero agradecerle a mi director Gustavo Puerto por su inmensa colaboración y brindarme la oportunidad de realizar este proyecto. Sin lugar a dudas este trabajo y la culminación de este ciclo no hubieran sido posibles sin su incondicional apoyo, su gestión, paciencia, conocimientos, ideas e inmejorable actitud. Le expreso mi más profundo agradecimiento y admiración por la calidad de ser humano y profesional que es, indudablemente su labor y compromiso son altamente meritorios y es para mı́ un gran honor haber trabajado bajo su tutorı́a. De igual manera quiero agradecerles a mis padres quienes siempre han alentado cada uno de mis pasos en especial a mi madre por el amor, cuidados y los valores inculcados que han hecho de mı́ una mujer perseverante y trabajadora. A mi compañero de vida y motivación, quien ha sido testigo y apoyo de mis logros durante más de una década. Gracias por no soltar mi mano, por las palabras de aliento, por creer y exaltar mis capacidades en los momentos en que flaqueaba, por el inconmensurable amor y por inspirarme a ser una mejor persona. Finalmente, quiero agradecer a la Universidad Distrital, a mis compañeros y profesores quienes aportaron en gran medida en este exigente, enriquecedor y gratificante ciclo de mi vida..

(5) Índice general. Agradecimientos. IV. Índice de Tablas. VIII. Índice de Figuras. XI. 1. Introducción 1.1. Tráfico de datos. 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. 1.2. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 1.3. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. 1.4. Objetivos y estructura del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2. Conceptos generales. 7. 2.1. Fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 2.1.1. Factores de rendimiento de fibra óptica . . . . . . . . . . . . .. 8. 2.1.2. Tipos de cables de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 2.1.3. Fibras ópticas de silicio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10. 2.1.4. Fibra de vidrio para transmisión de datos de corto alcance . .. 12. 2.2. Fibras ópticas plásticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 2.2.1. Sistemas basados en fibras ópticas plásticas . . . . . . . . . .. 13. 2.2.2. POF de enlace de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 2.2.3. contextualización POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. v.

(6) 2.2.4.. Parámetros y caracterı́sticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. 2.2.5. Ángulo de aceptación y Apertura numérica en POF . . . . . .. 18. 2.2.6.. Atenuación en POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 2.2.7. Dispersiones en la Fibra óptica Plástica . . . . . . . . . . . . .. 19. 2.2.8. Tipos de POFs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 2.2.9. Ventajas y desventajas de POF . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 2.3. Radio sobre fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. 2.4. Fuentes ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.4.1. Diodo emisor de luminiscencia . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.4.2. Láser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.4.3. Láser emisor de superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 2.4.4. LED de cavidad resonante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 2.5. Modulación electro-óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 2.5.1. Modulación directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 3. Tecnologı́as para el transporte de Servicios multimedia en la llamada última milla 39 3.1. Streaming sobre redes Inalámbricas (Wireless - Redes móviles). . . .. 40. 3.1.1. WiFi y WIMAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 3.1.2.. Redes móviles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.2. Entrega de vı́deo inalámbrico de alta velocidad . . . . . . . . . . . . .. 42. 3.3. Femtoceldas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 4. Sistema de distribución de servicios de banda ancha para redes interiores con POF 47 4.1. Topologı́a de red interior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 4.2. Modelamiento de un enlace punto a punto para RoF con POF . . . .. 49. 4.2.1. Transmisor óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. vi.

(7) 4.2.2. Enlace POF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 4.2.3. Receptor óptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 5. Simulación y resultados. 52. 5.1. Resultados de simulación para fibra de material PMMA . . . . . . . .. 52. 5.2. Resultados de simulación para fibra de material Perfluorado PF . . .. 60. 6. Conclusiones. 66. Bibliografı́a. 67. vii.

(8) Índice de tablas 1.1. Antecedentes de sistemas POF transmisión multigigabit [13] . . . . .. 5. 2.1. Componentes disponibles actualmente para uso en enlaces POF [12]. .. 16. 2.2. Comparación de Caracterı́sticas de las fuentes para POF [19] . . . . .. 32. 3.1. Estándares WiFi[28]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 3.2. Ancho de banda requerido en redes interiores para VIDEO[31] . . . .. 44. 5.1. Resultados de simulaciones asociadas al BER dependiente del Bit Rate y la distancia, para una fibra de material PMMA . . . . . . . . . . .. 57. 5.2. Resultados de simulaciones asociadas al BER dependiente de la frecuencia de la portadora y la distancia, para una fibra de material PMMA para una transmisión de datos de 100 Mbit/s. . . . . . . . . . . .. 59. viii.

(9) Índice de figuras 1.1. Conexiones a internet de banda ancha e ı́ndice de penetración en Colombia 1T, 4T 2016- 1T 2017 (de [3]). . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2. 1.2. Evolución de las tasas de interfaz de dispositivos de consumo y capacidad de datos de tecnologı́as de redes inalámbricas de interior y base de cobre (de [6]). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3. 2.1. Estructura hilo de fibra óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7. 2.2. Estructura de PCS de 200µm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 2.3. Enlace POF [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15. 2.4. Ángulo de apertura y diámetro del núcleo de fibras de vidrio y fibras de plástico [16]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 2.5. Atenuación de POF en el rango visible[17]. . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 2.6. Comparación de dispersión de material[20]. . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 2.7. Dispersión de diferentes materiales[16]. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 2.8. Diagrama simplificado de un enlace ROF [25]. . . . . . . . . . . . . .. 24. 2.9. Sistema de antenas distribuidas utilizando la radio sobre fibra para una aplicación de centro de ciudad [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 2.10. Arquitectura fronthaul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26. 2.11. Estructura del LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 2.12. Estructura del semiconductor láser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. 2.13. Estructura de un VCSEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 2.14. Estructura de un RC-LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 2.15. Modulación directa de un láser[26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. ix.

(10) 2.16. Curva caracterı́stica y esquemático de un diodo láser. . . . . . . . . .. 34. 2.17. Variaciones de corriente y potencia sobre una curva caracterı́stica de un diodo láser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 2.18. Esquema de un sistema con modulación directa y detección directa. .. 35. 2.19. Espectro de una modulación de intensidad . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 3.1. Alcance de los estándares WiFi[28] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42. 3.2. Estructura de red femtocelda tı́pica[32] . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 4.1. Convergencia de las redes de distribución y servicios interior (RG: puerta de enlace residencial)[8]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 4.2. Arquitecturas de red de interior: a) punto-a-punto; b) bus; c)árbol; y d)estrella árbol[7]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 49. 4.3. Bloques funcionales del diseño. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. 5.1. Esquema de simulación material PMMA . . . . . . . . . . . . . . . .. 52. 5.2. Espectros obtenidos a lo largo del enlace de 5m de PMMA.a)Espectro de radio frecuencia a la salida del modulador de amplitud. b) Espectro óptico. de la salida del láser. c) Espectro óptico luego de los 5m de fibra. d) Espectro de Frecuencia obtenida a la salida del fotodetector. e) espectro de la señal filtrada. f)Diagrama de ojo del sistema. . . . .. 54. 5.3. Espectros obtenidos a lo largo del enlace de 50 m de PMMA.a)Espectro de radio frecuencia a la salida del modulador de amplitud. b) Espectro óptico. de la salida del láser. c) Espectro óptico luego de los 50m de fibra. d) Espectro de frecuencia obtenida a la salida del fotodetector. e) espectro de la señal filtrada. f)Diagrama de ojo del sistema. . . . .. 55. 5.4. Espectro óptico de la señal RF a la salida del láser. . . . . . . . . . .. 56. 5.5. Factor de calidad en función de la distancia . . . . . . . . . . . . . .. 56. 5.6. Diagramas de ojo de la señal recibida para varias distancias (a)5m (b)30m (c)50m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57. 5.7. Modelo del comportamiento de la tasa de error de bit en función de la velocidad de transmisión y la distancia para PMMA . . . . . . . . . .. 58. 5.8. Modelo del comportamiento de la tasa de error de bit en función de frecuencia de RF y la distancia para PMMA . . . . . . . . . . . . . .. 58. x.

(11) 5.9. Modelo del comportamiento de la tasa de error de bit en función de la Amplitud de RF y la distancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59. 5.10. Esquema de simulación material PF . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60. 5.11. Espectros obtenidos a lo largo del enlace de 5m de PF.a)Espectro de radio frecuencia a la salida del modulador de amplitud. b) Espectro óptico. de la salida del láser. c) Espectro óptico luego de los 5m de fibra. d) Espectro de Frecuencia obtenida a la salida del fotodetector. e) espectro de la señal filtrada. f)Diagrama de ojo del sistema. . . . .. 61. 5.12. Espectros obtenidos a lo largo del enlace de 50m de PF.a)Espectro de radio frecuencia a la salida del modulador de amplitud. b) Espectro óptico. de la salida del láser. c) Espectro óptico luego de los 50 de fibra. d) Espectro de Frecuencia obtenida a la salida del fotodetector. e) espectro de la señal filtrada. f)Diagrama de ojo del sistema. . . . .. 62. 5.13. Modelo del comportamiento del BER, en función de la distancia y la velocidad de transmisión. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 5.14. Modelo del comportamiento del BER, en función de la distancia y la frecuencia RF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64. 5.15. Modelo del comportamiento del BER, en función de la distancia y el ancho de lı́ne ade la fuente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65. xi.

(12) Capı́tulo 1 Introducción 1.1.. Tráfico de datos. Uno de los principales fenómenos que se vive en la actualidad a nivel global es la creciente demanda de ancho de banda de las sociedades modernas de la información, a tal punto que para el 2021 el número de dispositivos conectados a las redes IP será tres veces mayor que el de la población mundial. Habrá 3.5 dispositivos conectados a la red por habitante, frente a 2.3 dispositivos conectados en red per cápita en 2016[1]. Sin duda, el rápido desarrollo de las comunicaciones móviles ha acaparado gran parte de este ancho de banda, ya que, conectividad móvil se ha vuelto esencial para muchos usuarios de la red. Cisco revela que globalmente, el tráfico de dispositivos inalámbricos y móviles representará más del 63 por ciento del tráfico IP total en el 2021 [1]. La misma fuente revela que las velocidades de conexión de red móvil (celular) crecieron más de 3 veces en el 2016 respecto al año inmediatamente anterior [2]; este fenómeno se debe a mayor accesibilidad tecnológica para usuarios finales de las redes inalámbricas y cableadas, además de nuevos servicios interactivos que requieren una red de comunicaciones de mayor envergadura. Este comportamiento no difiere a nivel nacional. Al término del primer trimestre del año 2017, el ı́ndice de penetración de las conexiones a internet de banda ancha en Colombia aumentó 5,2 puntos porcentuales con relación al primer trimestre del año 2016, alcanzando un ı́ndice de 57,6 % , como se observa en la figura 1.1[3]. Al finalizar el primer trimestre del 2017, el paı́s alcanzó una cifra de 28,4 millones de conexiones a Internet de Banda Ancha. De estas, 15,6 millones se realizaron mediante la modalidad de suscripción en redes fijas y móviles, mientras que 12,8 millones se realizaron a través de conexiones móviles por demanda [3]. De acuerdo a esta dinámica y a pesar de que los proveedores de servicios de inter-.

(13) Figura 1.1: Conexiones a internet de banda ancha e ı́ndice de penetración en Colombia 1T, 4T 2016- 1T 2017 (de [3]). net (ISP) y los operadores de telecomunicaciones ofrecen internet cada vez con más altas velocidades de acceso, los consumidores presentan mayor insatisfaccion con el servicio, ya que, si bien en la mejor de las situaciones algunos de los usuarios obtienen sistemas basados en Radio sobre Fibra (RoF) y fibra hasta el hogar (Fiber to the Home, FTTH). Servicios que hasta el momento han dado soporte a los requerimientos a nivel de redes de acceso liderando el progreso en aspectos como: El incremento en la capacidad de transmisión, gran ancho de banda para el transporte de señales de Radio Frecuencia (RF), generación y transmisión de señales a alta velocidad en modo cableado o inalámbrico [4],estas no son tecnologı́as a las que en la actualidad se tenga gran acceso. No obstante hoy en dı́a en la mayorı́a de los casos la demanda de ancho de banda de las redes internas supera la demanda en la lı́nea de acceso FTTH. En este escenario, estos proveedores no ofrecen los métodos ni tecnologı́as necesarias para desplegar la velocidad dentro de las instalaciones. La mayorı́a de los dispositivos dentro en la oficina o el hogar incluidas, tabletas, computadores portátiles, teléfonos inteligentes y televisores inteligentes, están conectados a través de Wi-Fi, con dispositivos que todavı́a utilizan conectividad por cable, de tal manera, que las redes internas convencionales no son suficientes para cubrir las necesidades de los usuarios finales, considerando que no se garantiza el total de la capacidad dentro de las instalaciones del cliente y evidentemente no son idóneas para una instalación competente y preparada para el futuro.. 2.

(14) 1.2.. Justificación. La creciente demanda de tasa de bit llevo hacia la migración a una solución hı́brida de fibra y coaxial (HFC) hace algunos años por parte de los operadores de red de manera imprescindible, de este modo, diferentes arquitecturas de red trajeron el camino de fibra óptica más cerca del abonado [5], sin embargo, en la actualidad el acceso de corto alcance dentro de las instalaciones del cliente y las zonas de conexión individuales constituyen el cuello de botella de la totalidad de los sistemas de comunicación. Por esta razón, las tecnologı́as de cobre, incluso para redes internas están quedando seriamente rezagadas, ya que, los requerimientos de velocidad de interfaz para dispositivos de consumo electrónico están aumentando exponencialmente. En la figura 1.2, se puede observar que en las comunicaciones más exigentes ya se requieren más de 10 Gb/s. Por lo que, Se hace incuestionable la necesidad de nuevas tecnologı́as que permitan vencer esta dificultad [6].. Figura 1.2: Evolución de las tasas de interfaz de dispositivos de consumo y capacidad de datos de tecnologı́as de redes inalámbricas de interior y base de cobre (de [6]). Algunas de las causas del incremento deliberado de necesidad de ancho de banda radican en el aumento del número de dispositivos conectados a la red, el tráfico de datos móviles y la introducción de servicios tales como; la video vigilancia por internet, alta definición (HD) IPTV y la comunicación de vı́deo de alta calidad a través del televisor, entre otros. De tal manera que las redes interiores actuales comúnmente deben proporcionar una gran variedad de servicios, con muy diferentes necesidades en 3.

(15) cuanto al ancho de banda, calidad y fiabilidad, requerimientos en los que nuevamente se evidencia la deficiencia de los medios fı́sicos actualmente implementados como el cobre, ya que, aunque para algunos servicios su ancho de banda es aceptable. Por otro lado, este medio guiado plantea problemas prácticos debido a su espesor y esfuerzo requerido para realizar una conexión fiable, además, de no ser inmune a la interferencia electromagnética [7]. La colocación terminal en el cable coaxial no es flexible, lo que significa que existe un único punto de conectividad en el edificio, esto sumado a las múltiples deficiencias en definitiva lo hace una alternativa discutible [8]. Consecuentemente se proponen los sistemas de convergencia óptico-inalámbrica para solucionar estas dificultades, ya que se ha demostrado que ofrecen una solución a éstas demandas combinando lo mejor de ambas tecnologı́as. La tecnologı́a inalámbrica ofrece movilidad y flexibilidad, mientras que los sistemas basados en fibra óptica aportan un mayor ancho de banda, seguridad y bajo consumo de energı́a. Siendo el escenario las redes dentro del edificio, caracterizadas por longitudes de enlace relativamente cortas en las que las actuaciones en relación con el ancho de banda por producto de longitud y atenuación por unidad de longitud no tienen mayor relevancia, la fibra óptica de polı́mero promete ser una solución eficaz con el fin de hacer frente a la demanda de potencia en auge. POF ofrece aplicaciones de Gigabit, robustez frente a la tensión mecánica y la interferencia electromagnética además de beneficios de fácil instalación y mantenimiento en contraste con las fibras de vidrio multimodo convencionales[8]. Es aquı́ donde surge un nuevo reto tecnológico, ya que, si bien las fibras ópticas de polı́mero para redes ”indoor ”desde hace algunos años empieza hacer incursiones significativas en algunos paı́ses [9, 10] sus alcances continúan siendo tema de análisis debido a el desafı́o que representa superar sus menores anchos de banda y atenuaciones más altas respecto a la fibra óptica de vidrio.. 1.3.. Antecedentes. Los avances que a la fecha se han realizado sobre enlaces de corto recorrido utilizando fibra óptica de plástico demuestran las ventajas de implementar este tipo de tecnologı́a. Proyectos a gran escala como es el caso de Giga-House Town Project implementado por la Universidad de Keio en Japón [9] y POF ALL en Europa [10] corroboran la viabilidad y eficiencia económica de los enlaces POF. No obstante POF presenta significativos retos comparada respecto a los rendimientos de la fibra de vidrio convencional. Tales dificultades han generado distintas soluciones como: usar modulación de amplitud en banda base, en combinación con fuertes técnicas de ecualización en el receptor. Otra solución propuesta es utilizar una técnica de una sola portadora con esquema de modulación de amplitud en cuadratura que combina más bits en un sı́mbolo. Por último se propone usar portadores múltiples 4.

(16) en paralelo, cada uno de los cuales lleva una fracción de velocidad total de datos [6], por mencionar algunas. Algunos de los mejores resultados incluyen la transmisión 10.7Gb/s para longitudes de 50m. Por otro lado, la experimentación con núcleos de 140um resultó en una transmisión de 7.3GB/s sobre microestructuras de polı́mero para una distancia de alrededor de 50m utilizando una modulación multimodo discreta [11]. Sin embargo, el diámetro pequeño de este tipo de fibra nos devuelve a los problemas de instalación que presenta la fibra de vidrio. Para el caso de POF con diámetro de núcleo de 1mm se han diseñado enlaces para el hogar de bajo costo logrando resultados de transmisión de 100Mb/s en más de 100m para fibras de plástico de ı́ndice escalonado[12]. Desde hace más de una década se ha experimentado el transporte de información con POF, variando las técnicas y elementos de trasmisión. Algunos de estos experimentos logrados hasta el 2012 se resumen en la tabla 1.1 de[13]. Tabla 1.1: Antecedentes de sistemas POF transmisión multigigabit [13] .. 1.4.. Objetivos y estructura del proyecto. En general este proyecto busca analizar la capacidad de transmisión que se presenta en las redes internas convencionales para el transporte de grandes volúmenes de información usando fibras ópticas de plástico. Por consiguiente, se realiza el diseño, modelado de un sistema de radio sobre fibra usando fibra óptica de plástico. Para dicho propósito se han planteado los siguientes objetivos especı́ficos: 5.

(17) Identificar los sistemas de radio sobre fibra y ventajas de la fibra de plástico sobre la fibra de vidrio. Determinar el sistema de generación de señal de radio sobre fibra apropiado para el uso de fibras de plástico. Diseñar un sistema de distribución de servicios de banda ancha en un entorno de red indoor basado en fibra de plástico. Validar el sistema propuesto mediante simulación y modelamiento. El resto del documento se encuentra organizado de la siguiente manera: el capı́tulo 2 presenta algunos conceptos generales importantes. En el capı́tulo 3 se justificará la necesidad del estudio basando en la aplicabilidad de éste. El capı́tulo 4 explica el diseño y modelado del enlace. En el capı́tulo 5 se discutirán los resultados del sistema propuesto y la investigación. Finalmente este documento se concluye en el capı́tulo 6.. 6.

(18) Capı́tulo 2 Conceptos generales 2.1.. Fibra óptica. Un hilo de fibra óptica tiene en su estructura medios altamente transparentes con caracterı́sticas especiales los cuales toman el nombre de núcleo y de manto, la combinación de estos materiales crean un ambiente propicio para la transmisión de pulsos luminosos. El núcleo es la parte central del hilo de fibra, este posee un ı́ndice de refracción superior al ı́ndice del manto, estos dos componentes están protegidos a tráves de un revestimiento interno el cual también sirve para identificar los hilos de fibra, y de un revestimiento externo o chaqueta[14]. La estructura de una fibra óptica se muestra en la figura 2.1. Figura 2.1: Estructura hilo de fibra óptica. 7.

(19) 2.1.1.. Factores de rendimiento de fibra óptica. Algunos factores pueden afectar negativamente el rendimiento de la fibra óptica. Ellos son los siguientes[15]: Atenuación Ángulo de aceptación Apertura numérica (NA) Dispersión modal Dispersión cromática. Atenuación El mayor factor negativo en cualquier instalación de cableado de fibra óptica es la atenuación, o la pérdida o disminución de la potencia de una señal portadora de datos (en el caso de la fibra, la señal luminosa). Se mide en decibelios (dB o dB/km para un cable en particular). En términos del mundo real, una pérdida de atenuación de 3 dB en una conexión de fibra equivale aproximadamente al 50 % de pérdida de señal. Cuanta más atenuación existe en un cable de fibra óptica del transmisor al receptor, más corta es la distancia máxima entre ellos. La atenuación afecta negativamente las velocidades de transmisión y las distancias de todos los sistemas de cableado, pero las transmisiones de fibra óptica son particularmente sensibles a la atenuación. Muchos problemas diferentes pueden causar la atenuación de una señal de luz en una fibra óptica, en [15] se exponen los siguientes: Espacio excesivo entre fibras en una conexión. Conectores instalados incorrectamente. Impurezas en la fibra. Flexión excesiva del cable. Excesivo estiramiento del cable.. Ángulo de aceptación Otro factor que afecta el rendimiento de un sistema de cableado de fibra óptica es el ángulo de aceptación del núcleo de fibra óptica. El ángulo de aceptación es el ángulo 8.

(20) a través del cual una fibra particular (multimodo) puede aceptar luz como entrada. Cuanto mayor es la diferencia de ángulo de aceptación entre dos o más señales en una fibra multimodo, mayor es el efecto de la dispersión modal. El efecto de dispersión modal también tiene un efecto negativo en el rendimiento total de un segmento de cable en particular.. Apertura Numérica (NA) Uno de los factores de rendimiento más incomprendidos del cable de fibra óptica es la apertura numérica (NA). Es un factor de rendimiento muy importante, especialmente al empalmar dos cables ópticos. NA es un número decimal entre 0 y 1 que refleja la capacidad de una fibra óptica particular para aceptar luz. El número es el resultado de una ecuación matemática que implica el ángulo de aceptación. Un valor de NA de 0 indica que la fibra no reúne luz. Valor de 1 para NA indica que la fibra aceptará toda la luz a la que está expuesta. Cuanto menor es NA, menor es la distancia que puede recorrer la señal. Sin embargo, una NA más baja también significa que hay disponible un ancho de banda mayor. Por el contrario, una NA más alta significa que la señal puede viajar más lejos, pero hay disponible un ancho de banda más bajo para esa señal.. Dispersión modal Los cables multimodo sufren de un problema único conocido como dispersión modal, que es similar en efecto al retardo de desviación relativo al cableado de par trenzado. La dispersión modal causa retrasos en la transmisión de las fibras multimodo. De manera que los modos (señales) ingresan a la fibra multimodo en diferentes ángulos. Entonces, las señales rebotan de forma diferente dentro de la fibra y llegan en momentos diferentes. Cuanto más severa sea la diferencia entre los ángulos de entrada, mayor será la demora de llegada entre los modos. La dispersión modal se hace más grande a medida que aumenta la diferencia entre los ángulos de entrada.. 2.1.2.. Tipos de cables de fibra. Los cables de fibra óptica vienen en muchas configuraciones. Los filamentos de fibra pueden ser de modo único o multimodo, ı́ndice de pasos o ı́ndice graduado, y amortiguado de forma ajustada o de tubo suelto. Además de estas opciones, existe una variedad de diámetros de núcleo para los filamentos de fibra. Muy a menudo,. 9.

(21) los hilos de fibra son de vidrio, pero también existe fibra óptica plástica (POF). Finalmente, los cables pueden ser estrictamente para uso en exteriores, estrictamente para uso en interiores, o de tipo universal que funciona tanto en interiores como en exteriores. La diferenciación más básica de los cables de fibra óptica es si los hilos de fibras que contienen son de modo único o multimodo[15]. Un modo es una ruta para que la luz atraviese el cable. La longitud de onda de la luz transmitida, el ángulo de aceptación y la apertura numérica interactúan de tal manera que solo ciertos caminos están disponibles para la luz. Las fibras monomodo tienen núcleos que son tan pequeños que solo es posible una sola vı́a para la luz. Las fibras multimodo tienen núcleos más grandes; las opciones para los ángulos en los que la luz puede entrar en el cable son mayores, por lo que son posibles múltiples vı́as. Usando su camino único, las fibras monomodo pueden transferir luz a grandes distancias con altas tasas de rendimiento de datos[15]. Las fibras multimodo pueden aceptar luz de fuentes menos intensas y menos costosas, generalmente LED. Además, las conexiones son más fáciles de alinear correctamente debido a diámetros de núcleo más grandes. La distancia y el ancho de banda son más limitados que con las fibras monomodo, pero el cableado multimodo y la electrónica generalmente son una solución menos costosa[15]. Las fibras monomodo se usan generalmente en transmisiones de larga distancia o en cables de red troncal, por lo que las encontrará tanto en cables interiores como exteriores. Estas aplicaciones aprovechan las propiedades de distancia extendida y alto ancho de banda de la fibra monomodo. Las fibras multimodo generalmente se utilizan en un entorno LAN interno en los cables horizontales. También se usan a menudo en el cableado de backbone, donde las grandes distancias no son un problema. Las fibras monomodo y multimodo vienen en una gran variedad. Algunos de los tipos de fibras ópticas, enumerados desde el ancho de banda más alto y el potencial de distancia hasta el mı́nimo, en [15] incluyen los siguientes:. Vidrio monomodo. Vidrio de ı́ndice gradual con varios modos de funcionamiento. Vidrio de ı́ndice de paso multimodo. Sı́lice con revestimiento de plástico multimodo (PCS). Plástico multimodo.. 2.1.3.. Fibras ópticas de silicio. Las GOF(Glass Optical Fiber ) son las fibras más comúnmente utilizadas por la mayorı́a de sistemas de telecomunicaciones debido a la gran cantidad de ventajas que 10.

(22) tiene sobre las fibras ópticas de plástico, estas se fabrican de un dióxido de silicio conocido como sı́lice(SiO2 ), mediante la fusión de óxidos de metal, sulfuros o seleniuros, produciendo un vidrio que adopta el nombre de sı́lice vı́trea[14]. Para la producción de dos materiales con diferente ı́ndice de refracción se agregan impurezas de flúor u otros óxidos, los cuales se pueden encontrar en dos grupos básicos, aquellos que provocan una disminución del ı́ndice de refracción como por ejemplo el óxido de Boro(B2 O3 ) y los que aumentan el ı́ndice de refracción tales como el dióxido de Germanio (GeO2 ) o el óxido de Fósforo (P2 O2)[14].. Monomodo de Vidrio con ı́ndice de paso El núcleo de fibra de vidrio de modo único es muy estrecho (generalmente menos de 10 micrones) y está hecho de vidrio de sı́lice. Para mantener el tamaño del cable manejable, el revestimiento para un núcleo de vidrio monomodo es usualmente más de 10 veces el tamaño del núcleo (alrededor de 125 micrones). Las fibras monomodo son costosas, pero debido a la falta de atenuación (menos de 2 dB por kilómetro), son posibles velocidades muy altas, en algunos casos, hasta 50 Gbps[15].. Multimodo de vidrio con ı́ndice gradual Núcleo de fibra de vidrio de ı́ndice gradual, hecho de vidrio de sı́lice, tiene un ı́ndice de refracción que cambia gradualmente desde el centro hacia afuera del revestimiento. El centro del núcleo tiene el mayor ı́ndice de refracción. Las fibras de vidrio de ı́ndice gradual multimodo más comúnmente usadas tienen un núcleo de 62.5 micras de diámetro, aunque las fibras de vidrio multimodo con un núcleo de 50 micras de diámetro están ganando popularidad[15].. Multimodo de vidrio con ı́ndice de paso Un núcleo de vidrio con ı́ndice de paso es similar a un núcleo monomodo de vidrio pero con un diámetro mucho más grande (generalmente alrededor de 62.5 micras, aunque puede variar ampliamente en tamaño entre 50 y 125 micras). Debe su nombre al gran y abrupto cambio del ı́ndice de refracción del núcleo de vidrio al revestimiento. De hecho, un núcleo de vidrio de ı́ndice de paso tiene un ı́ndice de refracción uniforme. Debido a que la señal rebota dentro del núcleo, es menos controlable y por lo tanto sufre de valores de atenuación más grandes y, de hecho, anchos de banda más bajos. Sin embargo, el equipo para cables con este tipo de núcleo es más económico que otros tipos de cable, por lo que se encuentran núcleos de ı́ndice de paso en muchos cables[15]. 11.

(23) Sı́lice con revestimiento de plástico multimodo (PCS) Está hecho de núcleo central de vidrio revestido con una capa de plástico, de ahı́ el nombre. Las fibras ópticas PCS suelen ser muy grandes (200 micras o más) y, por lo tanto, tienen una disponibilidad de ancho de banda limitada. Sin embargo, los cables ópticos PCS-core son relativamente baratos en comparación con sus contrapartes de vidrio[15].. 2.1.4.. Fibra de vidrio para transmisión de datos de corto alcance. Gracias a su simple producción y gran robustez, las fibras de vidrio de sı́lice con revestimiento de polı́mero (PCS) se han utilizado durante mucho tiempo. La figura 2.2 muestra su estructura principal. Un núcleo (tı́picamente con un diámetro de 200µm) de SiO2 homogéneo está rodeado por un polı́mero transparente de alta resistencia con ı́ndices de refracción más pequeños (alrededor de 15µm de espesor)[16].. Figura 2.2: Estructura de PCS de 200µm Todas las fibras de vidrio son extremadamente sensibles al agua y deben protegerse con un recubrimiento de plástico lo más grueso posible. Además, las fibras de vidrio puro no tienen una gran capacidad de resistencia mecánica. El revestimiento de polı́mero le da a las fibras la capacidad de soportar cargas extremas. La fibra con revestimiento plástico por lo tanto, apenas puede ser quebrada. Las fibras de vidrio puro (núcleo de vidrio con un revestimiento de vidrio óptico) siempre están rodeadas por capas protectoras similares que no tienen ninguna función óptica[16]. Debido a su ı́ndice de refracción y atenuación, el revestimiento de polı́mero determina en gran medida los parámetros ópticos del PCS. En rangos de longitud de onda corta, la atenuación casi corresponde a fibras de SiO2 puro. Por encima de 12.

(24) aprox. 1,000 nm las pérdidas en los polı́meros son tan altas que la atenuación efectiva de PCS también aumenta rápidamente [16]. El vidrio de sı́lice puede soportar temperaturas de hasta 1, 000◦ C, pero no el revestimiento de polı́mero. En consecuencia, el material de revestimiento primario determina las caracterı́sticas térmicas y quı́micas. La mayorı́a de los PCS disponibles en el mercado se han especificado para una temperatura de aplicación de +70◦ C. Algunos tipos más recientes se han dimensionado para su uso en redes de automóviles para temperaturas de hasta +125◦ C[16]. El revestimiento (PCS) tiene pérdidas en el núcleo por debajo de 10 dB/km (rango de longitud de onda de 650 nm a 1.300 nm), mientras que el revestimiento de polı́mero tiene una atenuación de varios 100 a 1.000 dB/km [16]. Los PCS generalmente se usan en longitudes de hasta un máximo de 200 m. La atenuación solo asciende a unos pocos dB que, en su mayor parte, normalmente no se tienen en cuenta. Si se utiliza un LED como transmisor, se conectará mucha menos luz a la fibra que a un POF de 1 mm. Por otro lado, la luz se puede acoplar más efectivamente en el fotodiodo. Distintos fabricantes incluso ofrecen sistemas de transmisión que pueden funcionar con la misma construcción de enchufe con POF y con PCS de 200µm [16].. 2.2. 2.2.1.. Fibras ópticas plásticas Sistemas basados en fibras ópticas plásticas. Las POF han despertado mayor interés en la últimas décadas, sin embargo han sido relegadas a aplicaciones de corta distancia, de tan sólo unos pocos cientos de metros o menos, en comparación con los cientos de kilómetros de vidrio. No obstante, los avances tecnológicos recientes y la aparición de una aplicación competitiva en la industria automotriz han llevado a POF a ser el centro de atención como una alternativa de menor costo a la fibra de vidrio o cobre a distancias medias y velocidades de bits de 10 Gb/s. Se describen a continuación algunos de los ámbitos de aplicación de las POFs que más auge han experimentado en los últimos años prestando especial atención a las aplicaciones para redes interiores. Para aplicaciones automotrices el uso de POF se ha fomentado mediante la especificación de transporte de sistemas orientados a medios (MOST). MOST Se basa en la comunicación de datos sı́ncrona y se utiliza para la transmisión de señales multimedia sobre fibra óptica de polı́mero[17]. Este ha sido adoptado por la mayorı́a de los fabricantes de automóviles, y es el estándar para las redes multimedia, de información y entretenimiento en la industria automotriz. Los beneficios para los fabricantes de automóviles son varios: POF ofrece un alto ancho de banda operativo, inmunidad a 13.

(25) interferencias electromagnéticas, mayor seguridad de transmisión, bajo peso y facilidad de entrega e instalación. Además, MOST admite el uso de POF con velocidades que van de 25 a 150 Mb/s[18]. En aplicaciones automotrices, la longitud de los enlaces está limitada a 15 m, y la capa fı́sica reutiliza los transceptores ópticos existentes [18]. La especificación MOST cubre las siete capas del modelo de referencia ISO/OSI para la comunicación de datos. En una capa fı́sica, la fibra óptica de polı́mero se usa como medio. Se utiliza un diodo emisor de luz (LED) para la transmisión en el área de longitud de onda roja a 650 nm. PIN fotodiodo se usa como receptor[17]. La arquitectura básica de una red MOST es un anillo lógico, que consta de hasta 64 dispositivos. La estructura de anillo lógico generalmente se implementa en un anillo fı́sico, que sin embargo no es obligatorio. También se pueden realizar anillos combinados, redes en estrella o dobles anillos (para aplicaciones crı́ticas). La funcionalidad Plug and Play permite agregar o eliminar dispositivos fácilmente. En una red MOST, un dispositivo MOST maneja el rol de maestro de temporización que alimenta más cuadros al anillo a una velocidad de muestreo de 44.1 kHZ (el cuadro se transmite 44.100 veces por segundo) o 48 kHZ. La última especificación MOST recomienda una frecuencia de muestreo de 48 kHZ[17]. Las POF han encontrado muchas otras aplicaciones en áreas tales como controles industriales, industrias aeronáuticas, sensores para detectar partı́culas de alta energı́a, señales, iluminación y enlaces cortos de datos. Podrı́a decirse que básicamente, las aplicaciones de POF se dividen en aplicaciones de comunicación de datos y no de datos (por ejemplo, sensores y señales)[19]. Al igual que en ámbito automotriz para aplicaciones industriales, la inmunidad a EMI y la seguridad son las principales ventajas de POF. Las longitudes de los canales pueden ser potencialmente grandes y, por lo general, pueden alcanzar cientos de metros. Por otro lado, debido a su pequeño tamaño, bajo peso, resistencia a los golpes y vibraciones, y capacidades de ancho de banda alto en distancias cortas, se hizo posible considerar seriamente las POF para aplicaciones en aviones, tanques, barcos, helicópteros, misiles y naves espaciales. Ahora bien, cabe destacar que las primeras redes ópticas en aviones estaban basadas en fibras de sı́lice o vidrio y funcionaron con alta fiabilidad, pero la necesidad de un cableado de alta resistencia y de bajo coste ha hecho que crezca el interés por la POF en este campo. Además el gran diámetro del núcleo y su alta apertura numérica hacen que las pérdidas de potencia debidas al desalineamiento en las uniones con conectores sean menores. En efecto, a mediados de la década de 1990, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) invirtió fuertemente en tecnologı́a POF para desarrollar enlaces de alta velocidad para aplicaciones militares. Lamentablemente, la tecnologı́a no estaba lista para su comercialización en ese momento. Sin embargo, ahora la tecnologı́a ha evolucionado y está lista para dichas aplicaciones[19].. 14.

(26) 2.2.2.. POF de enlace de datos. Hoy el aumento en la producción de POF proviene de su uso en la transmisión de datos. En su forma más simple, un enlace de datos POF consiste en un transmisor, receptor, cable y conectores. Los transmisores y receptores son convertidores eléctrico a ópticos y óptico a eléctrico, respectivamente. En la figura 2.2 se muestra un enlace sencillo POF[16]. Algunas configuraciones más complicadas de enlace de datos incluyen topologı́as en anillos, estrellas y mallas. De forma homóloga a cuando se introdujeron los sistemas de fibra de vidrio, se instalaron en primer lugar enlaces simples POF de punto a punto, seguido de los anillos y las estrellas. Hoy en dı́a, se favorece una combinación de anillos y mallas.. Figura 2.3: Enlace POF [16]. POF para redes interiores Las redes interiores, a diferencia de muchas otras redes de comunicación, son un dominio en el que la fibra óptica aún no ha avanzado mucho. En la actualidad somos testigos de que la fibra óptica ha llegado a las puertas de nuestras casas en las redes de acceso de fibra al hogar (FTTH), pero sus enormes capacidades aún no se han extendido a los dispositivos de los usuarios dentro de la casa [6]. De hecho, las redes de área local (LANS) se volvieron omnipresentes en las pequeñas y medianas empresas (PYME), las divisiones de grandes empresas y en los hogares. Para pequeñas empresas y hogares, hace unos años las LAN con una velocidad de 10 − 100M b/s eran bastante comunes, ahora se tienen de 1Gb/s y hasta 10Gb/s en consideración. Hoy en dı́a con la disponibilidad de nuevas fibras ópticas plásticas, conectores de factor de forma pequeño y transceptores de bajo costo, se puede esperar que los proveedores de LANS de Ethernet proporcionen opciones utilizando POF[19]. Sin embargo, por ahora la realidad es un poco distinta, la distribución de señales en las redes del hogar (HAN, Home Area Network) se realiza mediante su transmisión por separado, en función de su naturaleza especı́fica y de su formato; por ejemplo: señales RF (Radio Frequency) para la televisión o el HDMI (High-Definition Multimedia Interface) para la conexión entre dispositivos y los datos IP (Internet 15.

(27) Protocol) para servicios triple play. Los enlaces se realizan mediante cableado o con redes inalámbricas. Respecto al cableado, cada aplicación utiliza un cable especı́fico: los cables coaxiales para las señales RF, los cables AOC (Active Optical Cable) para los enlaces HDMI y los cables Ethernet para los datos IP[20]. En cuanto a las conexiones inalámbricas, son más flexibles y convenientes para el usuario pero no se puede conseguir una cobertura total de la vivienda porque no se cumplen los requisitos de alta capacidad y de calidad de servicio (Quality of Service, QoS). En este contexto, la introducción de las fibras ópticas de plástico permitirá disponer en el hogar de un medio de transmisión común y válido para el transporte de las señales habituales en este entorno, con la ventaja añadida de facilidad de manipulación y bajo coste, ya mencionados[20]. Distintos tipos de POF han sido comparados en[6] encontrando que la fibra óptica multimodo de polı́mero de núcleo grueso POF se perfila como un tipo de fibra especialmente adecuada para una instalación rentable en redes para hogar u oficina. Sin embargo, dicho POF tiene limitaciones de rendimiento técnico, que se mencionarán en secciones posteriores, especialmente un ancho de banda severamente restringido. Por ende durante las dos últimas décadas se han adelantado investigaciones para mitigar las limitaciones de POF y lograr hacerlo popular para aplicaciones de corto recorrido, donde se desplegaron tradicionalmente otros medios de transmisión ya mencionados. De igual manera se está tratando el problema de alta pérdida con nuevos materiales polı́meros perfluorados, que han llevado a pérdidas hacia abajo para potencialmente 10 dB/km;[19]. La tabla 2.1 recopila una breve lista de algunos de los diferentes componentes disponibles actualmente para uso en enlaces POF [12]. Tabla 2.1: Componentes disponibles actualmente para uso en enlaces POF [12].. 16.

(28) 2.2.3.. contextualización POF. Cuando se habla de fibra óptica los primeros referentes conceptuales que se obtienen están dirigidos a las fibras de vidrio, sin embargo, las fibras ópticas de plástico (POFs) fueron presentadas con anterioridad. Los primeros POFs fueron fabricados por DuPont en los años sesenta con una atenuación alrededor de 1.000 dB/km. Durante los años setenta fue posible reducir las pérdidas casi al lı́mite teórico de aproximadamente 125 dB/km a una longitud de onda de 650 nm. En ese momento, las fibras de vidrio con pérdidas considerablemente inferiores a 1 dB/km a 1.300 nm/1.550 nm ya estaban disponibles en grandes cantidades y precios bajos [19]. Además, el campo de las redes informáticas locales estaba dominado por cables de cobre los cuales satisfacı́an las velocidades de datos tı́picas de hasta 10 Mbit/s comúnmente utilizadas entonces. Debido a esto, el desarrollo de la fibra óptica de polı́mero se retrasó durante muchos años. No obstante, las POF se han usado durante décadas en aplicaciones en áreas ya detalladas como iluminación, automóviles y controles industriales, entre otras[19]. En la actualidad la producción de POF se encuentra en auge debido a su uso en la transmisión de datos para enlaces cortos. A continuación, se presentan las caracterı́sticas generales de las POFs, ası́ como su clasificación y parámetros representativos junto con los alcances, ventajas e inconvenientes de este tipo de fibras frente a las fibras ópticas de silicio y otros medios de transmisión de datos.. 2.2.4.. Parámetros y caracterı́sticas. Las POFs se fabrican usando materiales de plástico. A finales del 1960 comenzaron con poliestireno y acrilatos, cuya atenuación de 500 a 1000 dB/km habı́a permitido sólo el uso en la iluminación y guı́a de luz a pequeñas distancias, como paneles de automóviles. Muchos otros materiales se han probado como policarbonato (PC), materiales de poliolefina, silicona, polietileno (PE), polipropileno (PP), poliamida 12, resina de flúor, polycyanurenate, fluoropolı́mero y PMMA [21]. Estos materiales se pueden utilizar simultáneamente en el núcleo y el revestimiento de la fibra o asociados uno con otro y poseen ventanas de transmisión en el rango visible (520 − 780nm). Sin embargo, la pérdida de luz transmitida en estas longitudes de onda es alta, que van desde 150dB/km para PMMA a 1, 000dB/km. para el poliestireno y policarbonatos. Estas pérdidas a menudo de las fibras de plástico representan la desventaja a la hora de competir contra fibras de vidrio de alta calidad, que tienen pérdidas de 0,2 dB/km para una fibra de modo único y menos de 3 dB/km para fibras multimodo[20]. La Universidad de Keio en 1991 propone la mejora los procesos de fabricación de POF usando copolı́meros de monómeros de MMA fluorados. Al no tener enlaces carbono-hidrógeno el perfluorados (PF) ha traı́do un nuevo concepto de enlace de 17.

(29) datos óptico. La ventaja principal es que la estructura quı́mica se define de forma permanente, sin embargo, el procedimiento de fabricación de la preforma es decididamente más complicado y consume tiempo. No obstante, ofrece otras ventajas como no verse afectada por el entorno de humedad como en PMMA[21].. 2.2.5.. Ángulo de aceptación y Apertura numérica en POF. El ángulo de aceptación y la apertura númerica de una fibra son conceptos relacionados directamente con la habilidad o eficiencia de acoplamiento que dicha fibra tiene para aceptar la mayor cantidad posible de luz que provenga de la fuente emisora [22]. Como ya fue mencionado la apertura numérica mide la capacidad de la fibra de aceptar potencia óptica en función del ángulo de inyección. Cuanto mayor sea el valor de NA, mayor cantidad de luz (luz inyectada en ángulos más grandes) podrá aceptar la fibra. Se tiene para POF una apertura numérica estándar de 0.5, en comparación con otros tipos de fibras, ver figura 2.4, POF tiene mayor apertura numérica y el mayor diámetro del núcleo. Esta es una de las ventajas más importantes de POF, ya que la tecnologı́a de conexión que se puede utilizar para POF es más económica que la utilizada para fibras de vidrio[16].. Figura 2.4: Ángulo de apertura y diámetro del núcleo de fibras de vidrio y fibras de plástico [16].. 18.

(30) 2.2.6.. Atenuación en POF. Al pasar a través de una fibra óptica, la potencia de la luz disminuye. El valor de atenuación es la variable no dimensional (dada como un número o en dB) y da cuenta de las pérdidas de potencia incurridas en la fibra. POF solo puede proporcionar una atenuación aceptable en el espectro visible desde 450 nm hasta 750 nm ver figura 2.5. La atenuación tiene su mı́nimo con aproximadamente 85 dB/km a aproximadamente 570 nm, por lo que puede afirmarse que tienen su menor atenuación en la ventana verde, lo que se debe a las bandas de absorción del material de polimetilmetacrilato (PMMA) utilizado,en la ventana roja su atenuación se encuentra alrededor de los 180 dB/km[17].. Figura 2.5: Atenuación de POF en el rango visible[17].. 2.2.7.. Dispersiones en la Fibra óptica Plástica. Para poder determinar el ancho de banda de una fibra óptica, se deben considerar varios factores de influencia diferentes. La dispersión de modo y la dispersión cromática son los factores más importantes involucrados en las fibras multimodo. Particularmente en el caso de POF, la dispersión de modo depende de varios parámetros tales como la longitud de onda, el perfil del ı́ndice de refracción, las condiciones de tendido de la fibra ası́ como la homogeneidad de las caracterı́sticas de la fibra[16]. La dispersión de material generalmente disminuye al aumentar la longitud de onda de la señal, por lo que para utilizar transmisores de alta velocidad sobre POF es recomendable utilizar longitudes de onda contiguas a la región del infrarojo cercano[20].. 19.

(31) Figura 2.6: Comparación de dispersión de material[20]. Dispersión cromática de material en POF La dispersión de material de las fibras plasticas se estima al medir la dependencia entre la longitud de onda y el ı́ndice de refracción del polı́mero. Las fibras ópticas fabricadas con polı́meros sin enlace carbono-hidrógeno tienen una ventaja debido a la pequeña pérdida por absorción que presentan, haciendo posible el transporte de de todo el ancho de banda de la región visible hasta la región del infrarrojo cercano, con pérdidas de aproximadamente 15dB/Km en longitudes de onda entre 1000nm y 1300nm. Otra ventaja que poseen estas fibras sobre las fibras de sı́lice es su baja disperción de material, como puede observase en la figura 2.6[20].. Dispersión cromática en fibras fabricadas de polı́meros En todos los medios ópticos podemos observar el efecto que la velocidad de propagación de la luz de diferentes longitudes de onda difiere. Cuando diferenciamos las constantes de propagación según la longitud de onda, obtenemos la llamada dispersión cromática, generalmente expresada en ps/nm·km. Esta constante indica por cuánto tiempo variará la demora de una señal con la longitud de onda. En el rango de aplicación tı́pico de fibras ópticas, este valor es negativo, lo que significa que al 20.

(32) Figura 2.7: Dispersión de diferentes materiales[16]. aumentar la longitud de onda, el retardo se hace más pequeño (lo que corresponde a una mayor velocidad). La figura 2.7 muestra la dispersión cromática para vidrio de sı́lice, PMMA y un polı́mero fluorado tı́pico[16].. 2.2.8.. Tipos de POFs. Las caracterı́sticas de las fibras ópticas están determinadas por una multitud de posibles detalles constructivos. Esto influye a la hora de clasificar las fibras ópticas de plástico, según: el material del que están hechas y su geometrı́a, principalmente el perfil de ı́ndice, el primer parámetro es determinante para la atenuación y la temperatura de operación de la fibra, el segundo es determinante para el ancho de banda. De tal manera que, clasificando las fibras según su perfil de ı́ndice existen los siguientes tipos:. Fibras de salto de ı́ndice (SI-POF, Step Index-POF) Este grupo fue el primero que se fabricó en la década de 1960. Fibras de perfil de ı́ndice de paso puro (SI-POF). Lo que significa que un revestimiento óptico simple 21.

(33) rodea un núcleo homogéneo. Debido a esto, siempre se incluye un material protector en el cable. La mayorı́a de los SI-POF producidos inicialmente tenı́an una NA de 0.50. SI-POF con una AN alrededor de este valor se conocen hoy en dı́a como ANPOF estándar o POF estándar para abreviar. El ancho de banda de tales fibras es de aproximadamente 40 MHZ para un enlace de 100 m de longitud (citado como el producto de longitud de banda de 40 MHZ · 100 m). Durante muchos años, esta fue una solución completamente satisfactoria para la mayorı́a de las aplicaciones[16]. Hoy en dı́a SI-POF sigue siendo el más utilizado debido a su menor coste y complejidad. El problema de estas fibras es el pequeño ancho de banda que tienen debido a la influencia de la dispersión modal, por este motivo se empezó a utilizar el siguiente tipo [14].. Fibras de ı́ndice gradual (GI-POF, Graded Index-POF) Su producto ancho de banda-distancia es casi 100 veces mayor que el de las SIPOFs permitiendo trabajar por encima de 1 Gb/s frente a los 400 Mb/s con los que se trabajaba con el perfil de fibra anterior. Para seguir mejorando en términos de ancho de banda y atenuación se han ido utilizando otros perfiles más complejos que los anteriores y que debido a esta mayor complejidad suponen un aumento del coste. Las fibras con estos nuevos perfiles son: fibra de doble salto de ı́ndice (DSI-POF, Double Step Index-POF) y fibra de multi salto de ı́ndice (MSI-POF, Multi Step Index-POF), ambas se crearon para disminuir la apertura numérica (Numerical Aperture, NA) mediante la atenuación de la potencia óptica que se propaga en ángulos elevados[16].. 2.2.9.. Ventajas y desventajas de POF. Comparada con soluciones de comunicación de datos alternativas, como fibras de vidrio, cables de cobre y sistemas de comunicación inalámbricos las fibras ópticas de polı́mero ofrecen muchas ventajas. En contraste con las fibras de vidrio, las POF ofrecen un procesamiento fácil y rentable y son más flexibles para las interconexiones de enchufe. Otra notable ventaja es que los POF se pueden pasar con un radio de curvatura más pequeño y sin ninguna interrupción mecánica debido al diámetro más grande en comparación con las fibras de vidrio. Sin embargo, la clara ventaja de utilizar fibras de vidrio es su baja atenuación, que está por debajo de 0,5 dB/km en el rango infrarrojo [17]. En comparación, POF solo puede proporcionar una atenuación aceptable en el espectro visible desde 450 nm hasta 750 nm, como ya hemos mencionado anteriormente. recordemos que la atenuación tiene su mı́nimo con aproximadamente 85 dB/km a aproximadamente 570 nm, mencionado en secciones anteriores, lo que se debe a las bandas de absorción del material de polimetilmetacrilato (PMMA). Por esta razón, POF solo se puede usar 22.

(34) de manera eficiente para comunicaciones de corta distancia alrededor de 100 m. El gran diámetro del núcleo combinado con una apertura numérica más alta da como resultado una fuerte dispersión del modo óptico. A continuación, las tecnologı́as de red internas disponibles se representan y se comparan en detalle con sus ventajas y desventajas especı́ficas con las aplicaciones POF. Los cables de par trenzado pertenecen al estándar de Ethernet CAT 5/6 con una red de topologı́a estrella y velocidades de datos de hasta 1 Gbit/s hasta 100 m, pero debido a cables muy gruesos (Ø 7 mm) se requieren canales de cable anchos y un enchufe complejo. No tienen aislamiento eléctrico, lo que también conduce a una alta sensibilidad EMC. Esto inquieta especialmente en el entorno industrial y automotriz la transmisión[17]. Los cables coaxiales tienen un diámetro de 5 mm y un ancho de banda mucho más alto de hasta 1 GHZ para 30 m con grandes radios de curvatura. Sin embargo, el aislamiento eléctrico es problemático. El problema de EMC está relacionado tal como en el cable de par trenzado crı́tico[17]. Las fibras de vidrio son los medios con mayor rango y velocidad de datos, pero costosas en comparación con las técnicas alternativas, también debido al costoso ensamblaje de conectores y los bajos radios de curvatura posibles. Además, el pequeño diámetro del núcleo de 9 micras para fibra monomodo es altamente vulnerable a la contaminación. Esto conduce a problemas significativos en el entorno industrial, pero sin problemas de compatibilidad electromagnética[17]. Las fibras de polı́mero se pueden colocar fácilmente con pequeños radios de curvatura, son muy tolerantes en términos de pandeo y contaminación (gran sección transversal del núcleo), sin la necesidad de utilizar conectores. Se puede demostrar que las POF tienen un gran potencial futuro para aumentar la velocidad de datos sin tener que instalar fibras adicionales. Al igual que la fibra de vidrio, POF tiene aislamiento eléctrico y tiene una sensibilidad EMC muy baja[17]. WLAN es una tecnologı́a inalámbrica pura con un alcance posible de hasta 20 m. Debido a la absorción por paredes y techos, el alcance efectivo es pobre. Además, debido a la interferencia de terceros, la transmisión no es segura. Además, las redes vecinas reducirán significativamente la velocidad de datos. Esto conduce especialmente en el entorno industrial a un problema muy grande, si hay un número muy grande de nodos WLAN instalados. Las velocidades de datos de 2 a 100 Mbit/s velocidad de datos son posibles en condiciones óptimas, la mayorı́a de las tasas de datos alcanzables se mantiene muy por debajo[17]. Powerline tiene un rango muy limitado y depende de la red eléctrica. Sin embargo, los costos de instalación son bajos, pero la alta radiación electromagnética y la distribución incontrolada a través de la red son desventajas importantes, lo que hace que esta tecnologı́a de red para uso interno no sea atractiva[17]. 23.

(35) 2.3.. Radio sobre fibra. En los sistemas de comunicación de hoy en dı́a, la banda de frecuencia más popular es la radiofrecuencia (RF) debido principalmente a la menor interferencia y una buena cobertura. Sin embargo, el espectro de RF disminuye rápidamente junto con el aumento del tráfico de red inalámbrica esto ha justificado la necesidad de un mayor ancho de banda y el alivio espectral[23]. Se han propuesto soluciones de redes Radio sobre fibra (ROF) para sistemas de comunicación inalámbrica de banda ancha. ROF es una técnica bien establecida para la distribución de señales de comunicaciones inalámbricas. Se basa en fibras ópticas para la transmisión de señales de radio entre la estación base (BS) y los puntos de acceso de radio (RAP, Radio Access Points)[24][25]. La figura 2.8 muestra el diagrama simplificado de un enlace ROF, donde la señal de radiofrecuencia inalámbrica (RF) se convierte en una señal óptica en un convertidor eléctrico a óptico (EO) en la BS. La señal óptica es transmitida a través de la fibra y se detecta en el RAP, donde un convertidor óptico a eléctrico (OE) recupera la señal de RF original, que se amplifica y se transmite desde la antena RAP a la estación móvil (MS, por sus siglas en inglés) [25].. Figura 2.8: Diagrama simplificado de un enlace ROF [25]. Una de las principales aplicaciones de ROF se conoce como el sistema de antenas distribuidas (DAS, por sus siglas en inglés). En un DAS, enlaces de transmisión RoF se utilizan para conectar una unidad central (CU) que contiene las estaciones base de radio para un número de unidades de antena remotas (RAU), con el fin de proporcionar una excelente cobertura y la capacidad dedicada para comunicaciones de corto alcance en áreas tales como centros de las ciudades, edificios de oficinas, centros comerciales y centros de transporte.La figura 2.9 muestra el concepto DAS para el caso de una aplicación de centro de la ciudad. Aquı́, el CU y las estaciones base son ubicados en un edificio, a veces conocido como un hotel de estación base, y los enlaces RoF se utilizan para conectar la CU a las RAU dentro del área de cobertura. 24.

(36) Las RAUs están situadas en elementos de mobiliario urbano como farolas y también en los laterales de los edificios[24].. Figura 2.9: Sistema de antenas distribuidas utilizando la radio sobre fibra para una aplicación de centro de ciudad [24]. Las técnicas ROF combinan las ventajas de la comunicación óptica y inalámbrica. Dentro de este contexto, en [25] se resume de la siguiente manera las principales ventajas de un sistema basado en el ROF.. 1. Ancho de banda de la fibra grande. La fibra óptica se caracteriza por grandes anchos de banda, lo que permite la transmisión de un gran número de señales de RF. 2. Atenuación baja en fibra. Las fibras ópticas hechas de sı́lice tienen 0, 2dB/km atenuación, lo que permite el diseño de arquitecturas que dependen de antenas distribuidas en un área geográfica grande conectado a una BS por la fibra. Tal sistema se denomina tı́picamente un sistema de antenas distribuidas . 3. Células pequeñas económicamente viables. Una BS que implementa procesamiento de la señal centralizada para servir a un número de los RAP de baja complejidad, permite el intercambio de hardware y por lo tanto reduce el coste de instalación de una red celular basada en un gran número de pequeñas celdas. Por otra parte, los costos de mantenimiento, incluyendo actualizaciones de hardware, se reducen porque la mayorı́a de los equipos de las múltiples células se localiza en una sola BS central. 25.

(37) 4. Capacidad de implementar esquemas de múltiple salida-entrada múltiple (MIMO). Técnicas de detección concebidos para las señales transmitidas / recibidas por múltiples antenas para mitigar la naturaleza de desvanecimiento de un canal inalámbrico se conocen como esquemas MIMO. La disposición multipunto coordinada es una técnica MIMO que puede ser implementado en el contexto de una red basada en ROF donde las antenas de múltiples PAR conectados a los mismos BS comunican con una única estación móvil (MS). 5. Eficiencia energética. Los enlaces inalámbricos en las células más pequeñas se caracterizan por una baja pérdida de propagación inalámbrica y un fuerte enlace de lı́nea de visión, que permite a los RAP de utilizar una potencia de transmisión inalámbrica inferior . Esto tiene la ventaja adicional de una menor interferencia entre células. 6. Cobertura inalámbrica mejorada. El empleo de un gran número de antenas, tiene la ventaja de minimizar las áreas de cobertura que presenta insuficiente intensidad de señal recibida. r A manera de ejemplo se muestra en la figura 2.10 una arquitectura fronthaul donde óptica y hardware de RF, ası́ como el procesamiento de banda base, se consolidan en una oficina central (CO) que está conectada a un cabezal de radio remoto de células pequeñas (RRH) a través de 25 km de fibra.. Figura 2.10: Arquitectura fronthaul. 26.

(38) 2.4. 2.4.1.. Fuentes ópticas Diodo emisor de luminiscencia. La forma más antigua y simple de un semiconductor emisor de luz es el diodo emisor de luz (LED). En esencia, requiere dos capas del mismo semiconductor, que forman la unión p-n, como se muestra en la figura 2.11. Aquı́ es donde se emite la luz. La eficiencia interna puede ser tan alta como > 50 % [16]. Como no hay ninguna guı́a para la luz, se emite en todas las direcciones. Debido a los grandes ı́ndices de refracción de los semiconductores comunes (n = 3.5), solo los rayos que golpean la superficie exterior en un ángulo casi vertical pueden abandonar el componente. Teniendo en cuenta la refracción que se produce en la superficie, un LED tiene aproximadamente las propiedades de un emisor Lambert [16].. Figura 2.11: Estructura del LED .. 2.4.2.. Láser. Los diodos láser tienen prácticamente la misma estructura de capas que el LED, es decir, una unión p-n usualmente combinada con una heteroestructura doble, desarrollada en planos sobre el sustrato. Los láseres, sin embargo, operan a concentraciones 27.

(39) de portadores considerablemente más altas. Esto hace que sea necesario reducir el volumen, donde se genera la luz (por ejemplo, a través de un pequeño contacto eléctrico y barreras de corriente laterales). Por encima de una densidad de corriente particular, la emisión estimulada es tan fuerte que se exceden las pérdidas en el componente. El último requisito es que se debe hacer una cavidad resonante. En el más simple de los casos, está formado por dos bordes de semiconductor divididos paralelos (diodo láser de Fabry-Perot). La figura 2.12 ilustra la estructura principal de un diodo láser [16]. Un láser tiene una serie de ventajas en comparación con un LED. Debido a la emisión estimulada involucrada aquı́, la eficiencia externa es considerablemente mayor. La alta densidad de portadora da como resultado altas velocidades de modulación. La luz se emite desde una superficie considerablemente más pequeña en un rango de ángulo menor que con LED. La longitud de onda del láser no solo está determinada por el semiconductor sino también por las propiedades de la cavidad resonante. Mientras que un LED tiene un ancho espectral medido en aproximadamente 10 nm, los láseres tienen solo unos pocos nm o incluso menos para los láseres monomodo. Un efecto adverso es la emisión de luz horizontal, la presencia de un umbral de láser y la dependencia de alta temperatura de algunos de los parámetros[16].. Figura 2.12: Estructura del semiconductor láser .. 2.4.3.. Láser emisor de superficie. Diodos láser de emisión de superficie de cavidad vertical (VCSEL) son componentes con propiedades fascinantes que ofrecen una multitud de posibilidades de diseño. La estructura principal es idéntica a una estructura hetero doble normal. Para poner 28.

(40) en funcionamiento el componente, la cavidad resonante está estructurada perpendicularmente a la capa activa y no en la misma dirección. Dado que la capa activa tiene un grosor de algunas décimas de micrómetro, los coeficientes de reflexión más bajos de los emisores de borde no son lo suficientemente grandes. En cambio, la luz debe atravesar la capa varias veces para lograr una amplificación de luz suficiente. La figura 2.13 demuestra la estructura de un VCSEL[16]. Para limitar la corriente, el área de la superficie emisora de luz es prácticamente siempre restringido por un dispositivo limitador que actúa en el área de conducción bajo el contacto superior (el diámetro de la abertura es tı́picamente de alrededor de 10µm). Por lo tanto, el volumen activo es mucho más pequeño que con los láser convencionales. Esto da como resultado corrientes de umbral que están en el rango de algunos mA pero también pueden llegar a 100µA. Esto también limita la potencia de salida a unos pocos mW. La eficiencia también es tan alta como con los mejores diodos láser. Para la comunicación de datos con POF, está en vigor una restricción de potencia del láser para protección ocular que hace que la potencia VCSEL tı́pica sea completamente adecuada[16]. Las ventajas de la tecnologı́a VSCEL son [16]: El cambio en la longitud de onda con la temperatura viene a aprox. 1/3 del valor para LED. El láser emite luz perpendicular a la superficie. Esto hace que sea más fácil acople la luz a las fibras. La corriente de umbral es muy baja, lo que hace que el consumo de energı́a del transmisor sea muy pequeño. El VCSEL emite luz en un pequeño ángulo de emisión que es casi circular simétrico y por lo tanto es ideal para el acoplamiento en las fibras. El espectro de un VCSEL es muy estrecho en comparación con un LED. El mayor problema para producir VCSEL son los espejos. A veces, deben reflejar más del 99 % de la luz. Para lograr esto, varias capas de materiales semiconductores se aplican alternativamente. Para ambos espejos, esto puede significar más de 200 capas adicionales. Desafortunadamente, la selección de semiconductores adecuados para gamas de onda corta es muy limitada[16].. 29.

(41) Figura 2.13: Estructura de un VCSEL. 2.4.4.. LED de cavidad resonante. La estructura de un LED de cavidad resonante (RC-LED). es similar a la de un VCSEL, ver figura 2.14. El componente opera por encima de la concentración de transparencia en la capa activa. Esto significa que predomina la emisión estimulada. La reflectividad del espejo es tan pequeña que no se produce ninguna operación láser. Un RC-LED funciona sin corriente de umbral; puede ser modulado muy fácil. El espectro es más amplio que el de un VCSEL pero tan pequeño depende de la temperatura. La eficiencia de todos los RC-LED que se han fabricado hasta la fecha solo asciende a un pequeño porcentaje. Son adecuados para modular hasta varios 100 Mbit/s. Los LED RC rojos ya se utilizan en componentes para la industria del automóvil y en redes domésticas. En el sistema material de GaN, sin embargo, aún no se han producido espejos semiconductores eficientes. La compañı́a Firecomms ha realizado Green-LED RC con técnicas alternativas de espejo[16]. En resumen, existen varios tipos de fuentes de luz pueden transmitir datos a través de POFs, incluyendo diodos emisores de luz (LED), LEDs cavidad resonante (RC-LED), diodos láser, y diodos láser de emisión superficial con cavidad vertical (VCSEL). Estas fuentes se comparan en la Tabla 2.2 para fibras de plástico de PMMA. Las tres ventanas de transmisión de fibras ópticas de PMMA son las ya bien sabidas 530, 570, y 650 nm[19].. 30.

(42) Figura 2.14: Estructura de un RC-LED LEDs, incluyendo diodos-ting emisor de superficie de luz, pueden ser modulados a velocidades de hasta 250 Mb/s y diodos láser hasta 4 Gb/s. VCSEL a 650 nm todavı́a están en la etapa de desarrollo, sin embargo, fuentes de cavidades resonantes pueden ser modulados a velocidades de hasta 600 Mb/s y 1,2 Gb/s, respectivamente. Por otro lado, encontramos las fibras perfluorados que pueden operar a longitudes de onda entre 650 y 1.300 nm, el trabajo con las fuentes de luz desarrollados para 650 nm POFs y los 850 y 1300 nm incluyen diodos láser utilizados con fibras ópticas de vidrio, que puede transmitir hasta 10 Gb/s[19].. 31.

(43) Tabla 2.2: Comparación de Caracterı́sticas de las fuentes para POF [19]. 2.5.. Modulación electro-óptica. La transmisión de información utilizando sistemas ópticos se realiza mediante alteración de ciertos parámetros de una señal óptica denominada señal portadora, de modo proporcional a una segunda señal eléctrica denominada señal moduladora. Estas señales son generadas por las fuentes ópticas o láseres descritas en la sección anterior. Dichas modulaciones se pueden conseguir de forma directa o externamente provocando un gran número de armónicos. Los efectos de la señal moduladora respecto a la señal modulada son evaluados de manera cuantitativa; al presentarse mayor variación del parámetro, el ı́ndice de refracción es superior. La manera en que varı́a el ı́ndice de refracción se traduce en un cambio de amplitud, frecuencia, fase o polarización de la señal óptica, esto depende de la configuración del dispositivo, principalmente de las corrientes de polarización que controla el elemento modulador [26].. 2.5.1.. Modulación directa. La señal moduladora que puede ser analógica o digital modula directamente la frecuencia de onda continua generada por el láser, esta técnica de modulación cuando es modulada con una señal analógica el ı́ndice de modulación es pequeño con el fin de reducir la distorsión lineal. El parámetro de rendimiento es el ancho de banda de modulación de pequeña señal, el cual consiste en la frecuencia de modulación en el que la respuesta se reduce en 3 dB, esta frecuencia es proporcional a la frecuencia 32.

(44) de las oscilaciones de relajación en el láser. En los sistemas de modulación digital, es de mayor interés el comportamiento de modulación de gran señal. Los cambios en la corriente producen cambios en el ı́ndice de refracción generando modulación de fase o modulación de frecuencia, junto con la modulación de la intensidad deseada. Este efecto, es denominado chirp, que produce un significativo ensanchamiento espectral del pulso, los pulsos que sufren de este efecto tienen lı́mites de dispersión mucho más pobres que los pulsos que carecen de este. El esquema de modulación directa de un láser se muestra en la figura 2.14[26]. Cuando se lleva a cabo una modulación directa. Figura 2.15: Modulación directa de un láser[26]. sobre un diodo láser, no sólo se modula la intensidad óptica, sino que también se modula la frecuencia óptica, por lo cual se hace necesario desarrollar un estudio de ambas modulaciones y los fenómenos que a partir de estas se generan. Para la descripción de esto se hace uso de las denominadas ecuaciones de cambio (Rate Equations), las cuales muestran gran afinidad para el modelamiento del láser de semiconductor bajo modulación directa. Este es el sistema más directo para enviar información mediante dispositivos láser. Para que en el diodo láser se consiga la inversión de población necesaria para que se produzca la emisión estimulada, además de que la intensidad a la salida del diodo sea proporcional a la señal de entrada, hay que superar un nivel mı́nimo de corriente llamado corriente umbral. Una vez superado dicho umbral de corriente, las variaciones de corriente eléctrica a la entrada del diodo láser se traducen en variaciones proporcionales de la potencia óptica su salida. Esto se cumple en un caso ideal en el que la curva caracterı́stica del diodo láser es completamente recta una vez superada la corriente umbral, pero en la realidad no es completamente recta, habiendo un lı́mite superior en la potencia óptica que puede emitir el láser ver figura 2.16.. 33.