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Comunicaciones ópticas por el espacio libre

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Comunicaciones ópticas por el espacio libre Autor: José Antonio Padrón Solanelles. Tutor: Dr. C Pedro José Arco Ríos. Santa Clara 2013 "Año 55 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Comunicaciones ópticas por el espacio libre Autor: José Antonio Padrón Solanelles e-mail: jpadron@elecvcl.une.cu. Tutor: Dr. C Pedro José Arco Ríos Profesor Titular de la Universidad “Marta Abreu” de las Villas, Facultad de Ingeniería Eléctrica, Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. e-mail: parco@.edu.cu. Santa Clara 2013 "Año 55 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Autor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Aquel que duda y no investiga, se torna no solo infeliz, sino también injusto. Blaise Pascal.

(5) ii. DEDICATORIA. A mi madre y a mi padre que con su sólo ejemplo me han impulsado a continuar con mis estudios y ser una mejor persona..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi tutor A la revolución por haberme dado la gran oportunidad de todo hombre de poder superarse. A mis compañeros de trabajo. A mis amigos por su ayuda incondicional, en especial a Frank y su familia..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para poder cumplir todos los objetivos planteados en esta investigación se han trazado varias tareas: 1. Revisión bibliográfica y estudio de trabajos realizados para conocer las características y parámetros de la tecnología óptica inalámbrica.. 2. Selección del equipamiento y documentación técnica adecuada para el diseño de enlaces FSO en la Empresa eléctrica de Villa Clara.. 3. Elaborar propuesta de diseño de los enlaces ópticos inalámbricos. 4. Confección del informe del trabajo de diploma. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. FSO es una tecnología de línea de vista, en la que se transmiten haces de luz láser en el espectro infrarrojo a través del espacio para proveer una conexión óptica de banda ancha y altas tasas de transmisión. Para conseguir ésta conectividad óptica no se requiere de inversión en cables de fibra óptica ni en licencias de espectro de RF. La tecnología FSO requiere de la luz. La finalidad principal del trabajo es el estudio técnico - teórico que permita la implementación de la tecnología FSO en la Empresa Eléctrica de Villa Clara. Para ello se analizaron las principales variables que intervienen en el diseño de enlaces FSO, siendo las más importantes las condiciones atmosféricas tales como la niebla y sus efectos. Se realizó una caracterización de la tecnología FSO, exponiendo su funcionamiento, los principales parámetros de la tecnología y retos a los que debe hacer frente, dándose a conocer los factores y ecuaciones que se deben tener en cuenta para realizar el diseño bajo cualquier condición o escenario posible. Se destacan las ventajas y aplicaciones que presenta esta tecnología como son inmunidad a interferencias electromagnéticas, facilidad de despliegue, escalabilidad y seguridad de los datos transmitidos. Se diseñaron y simularon los enlaces propuestos, realizándose una valoración económica en cuanto a costo y beneficio de haberse implementado con fibra óptica, obteniéndose los resultados que demuestran la viabilidad de la tecnología FSO como vía alternativa a la comunicación por RF o microondas en la EEVC..

(9) vi. TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO ....... 6. 1.1. Sistemas FSO ........................................................................................................... 6. 1.2. Principio de funcionamiento .................................................................................... 7. 1.3. Características de las fuentes emisoras de luz.......................................................... 8. 1.3.1. Diodos emisores de luz ..................................................................................... 8. 1.3.2. Diodos láser de semiconductores .................................................................... 11. 1.4. Características de los detectores de luz .................................................................. 13. 1.4.1. Ruidos internos en los detectores de luz ......................................................... 15. 1.5. Tipos de modulación .............................................................................................. 15. 1.6. Parámetros de la tecnología FSO ........................................................................... 17. 1.6.1. Interfaz aérea – clasificación del láser ............................................................ 17.

(10) vii 1.6.2. Longitud de onda ............................................................................................ 17. 1.6.3. Potencia de emisión ........................................................................................ 18. 1.6.4. Divergencia del haz ........................................................................................ 18. 1.6.5. Diámetro del haz ............................................................................................. 20. 1.6.6. Área de recepción ........................................................................................... 20. 1.6.7. Tiempo de propagación de la señal óptica en el espacio ................................ 21. 1.6.8. Distancia de enlace, tasa de error de bit y razón de datos .............................. 21. 1.6.9. Ancho de banda y tasas de transferencia ........................................................ 23. 1.7. Desempeño de los sistemas ópticos inalámbricos .................................................. 23. 1.7.1. Escalabilidad ................................................................................................... 23. 1.7.2. Disponibilidad ................................................................................................. 23. 1.7.3. Confiabilidad .................................................................................................. 24. 1.7.4. Sistemas de rastreo activo ............................................................................... 25. 1.8. Ventajas de la tecnología FSO ............................................................................... 26. 1.9. Factores adversos de la tecnología FSO................................................................. 27. 1.9.1. Absorsión atmosférica .................................................................................... 27. 1.9.2. Dispersión atmosférica ................................................................................... 28. 1.9.3. Lluvia .............................................................................................................. 28. 1.9.4. Nieve ............................................................................................................... 29. 1.9.5. Niebla .............................................................................................................. 29. 1.9.6. Centelleo ......................................................................................................... 29. 1.9.7. Interferencia de la luz ambiental ..................................................................... 31. 1.9.8. Obstrucciones físicas ...................................................................................... 32.

(11) viii 1.9.9. Vibraciones de las infraestructuras de montaje .............................................. 32. 1.9.10. Alineación de los terminales FSO .................................................................. 32. 1.10. Seguridad de la óptica inalámbrica ..................................................................... 33. 1.11. Aplicaciones de la tecnología FSO..................................................................... 34. 1.11.1. Conexión para la “última milla” ..................................................................... 35. 1.11.2. Extensiones de redes MAN............................................................................. 35. 1.11.3. Interconexión empresarial............................................................................... 36. 1.11.4. Despliegues temporales .................................................................................. 36. 1.11.5. Respaldo a redes de fibra óptica ..................................................................... 36. 1.11.6. Extensión de las redes celulares...................................................................... 37. 1.12. Conclusiones parciales ....................................................................................... 37. CAPÍTULO 2.. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS ÓPTICOS INALÁMBRICOS……………………………………………………..38. 2.1. Determinación de la línea de vista y proceso de alineamiento .............................. 38. 2.2. Instalación de los transceptores FSO ..................................................................... 39. 2.2.1. Montaje del transceptor óptico ....................................................................... 39. 2.2.2. Interfaces de red y cableado............................................................................ 40. 2.2.3. Fuente de suministro ....................................................................................... 41. 2.2.4. Verificación del enlace ................................................................................... 41. 2.3. Selección del terminal óptico ................................................................................. 41. 2.3.1. Selección de la longitud de onda y potencia de transmisión .......................... 42. 2.3.2. Sensibilidad del receptor ................................................................................. 43. 2.3.3. Rango dinámico del enlace ............................................................................. 43. 2.3.4. Divergencia del haz ........................................................................................ 44.

(12) ix 2.3.5. Pérdidas ópticas en los transceptores .............................................................. 45. 2.3.5.1. Atenuación geométrica................................................................................ 45. 2.3.5.2. Pérdidas de inserción................................................................................... 46. 2.4. Factores atmosféricos que influyen en el diseño de sistemas FSO ....................... 47. 2.4.1 2.5. Atenuación atmosférica .................................................................................. 47. Análisis del margen del enlace ............................................................................... 55. 2.5.1. Ecuación de enlace.......................................................................................... 55. 2.5.2. Margen del sistema ......................................................................................... 58. 2.5.3. Margen de seguridad del enlace ...................................................................... 59. 2.6. Consideraciones adicionales para el diseño ........................................................... 61. 2.6.1. Cálculo de la interferencia solar ..................................................................... 62. 2.6.2. Diámetro del haz ............................................................................................. 63. 2.6.3. Distancia del enlace ........................................................................................ 63. 2.6.4. Margen de enlace para la distancia unitaria .................................................... 64. 2.6.5. Disponibilidad del enlace................................................................................ 64. 2.6.6. Homogeneidad en el frente de onda del haz ................................................... 65. 2.7. Conclusiones parciales ........................................................................................... 65. CAPÍTULO 3.. DISEÑO. Y. SIMULACIÓN. DE. LOS. ENLACES. ÓPTICOS. INALÁMBRICOS……………………………………………………..66 3.1. Situación actual de los enlaces ............................................................................... 66. 3.2. Línea de vista entre las edificaciones de la EEVC ................................................. 68. 3.3. Distancia de los enlaces ......................................................................................... 69. 3.4. Selección de los transceptores ................................................................................ 69. 3.5. Diseño de los enlaces ............................................................................................. 69.

(13) x 3.5.1. Diseño del enlace SC-220kV – DPC VC, Enlace 1 ........................................ 70. 3.5.2. Diseño del enlace OBE – DPC VC, Enlace 2 ................................................. 75. 3.6. Simulación de los enlaces ...................................................................................... 77. 3.7. Simulación del enlace 1 ......................................................................................... 79. 3.7.1 3.8. Resultados ....................................................................................................... 81. Simulación del enlace 2 ......................................................................................... 84. 3.8.1 3.9. Resultados ....................................................................................................... 86. Análisis del diagrama de ojo .................................................................................. 87. 3.9.1. Propiedades del diagrama de ojo .................................................................... 88. 3.9.2. Análisis a partir de las máscaras ..................................................................... 88. 3.10. Cálculos a partir de los resultados de las simulaciones ...................................... 89. 3.11. Análisis económico ............................................................................................ 90. 3.11.1 3.12. De instalación con fibra óptica ....................................................................... 90 Conclusiones parciales ....................................................................................... 93. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 94 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 97 ANEXOS ............................................................................................................................ 101 Anexo A. Distancias reales entre las edificaciones de la EEVC ............................... 101. Anexo B. Datos meteorológicos de la provincia de Villa Clara................................ 103. Anexo C. Hojas de datos de los equipos SONAbeam 52-M/1250-E ........................ 106. Anexo D. Comparación entre tecnologías ................................................................. 108. Anexo E Estándar de clasificación de los láseres y sus limitaciones en potencia ....... 109.

(14) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. La idea de transmitir información por medio de la luz tiene siglos de antigüedad. De hecho los clásicos heliógrafos y la transmisión de señales utilizando la luz solar y haciéndola reflejar en espejos responden a esta idea. Hacia 1880, Bell construyó un dispositivo al que llamo fotófono, que enviaba señales vocales a cortas distancias por medio de la luz. El equipo disponía de un sistema de lentes que enfocaba un rayo de luz solar, modulándolo y lanzándolo después al espacio libre hacia un receptor. Su aplicación práctica no fue posible en gran medida por la falta de fuentes de luz adecuadas. Las fuentes de luz habituales producen un espectro de luz compuesto por una banda ancha de señales con distintas frecuencias y fases (luz no coherente). En 1958 se inventó un método para la emisión de radiación en las longitudes de onda del espectro visible, utilizando los estados energéticos de los átomos para producir mediante cambios simultáneos de sus niveles radiaciones controladas, fue llamado LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). El láser se caracteriza por ser un generador de luz monocromática, ondas de la misma frecuencia y fase son emitidas constituyendo un haz de luz coherente. Con la invención del láser, se volvió a considerar la idea de utilizar la luz como soporte de comunicaciones formulando al mismo tiempo los primeros conceptos sobre la transmisión a través de una guía de onda de vidrio, surgiendo así la transmisión por fibra óptica. Las comunicaciones ópticas se han vuelto muy populares debido al gran ancho de banda que ofrecen. Aunque en su momento se pensó hacer llegar la fibra a todo los usuarios, y prueba de ello lo tenemos en el tendido de fibra óptica hacia el hogar (FTTH), el costo efectivo de la red aumentaba no tanto por el sistema en sí, sino en el tendido de la fibra de un lugar a otro, a lo que se sumó la existencia de zonas que por sus características y ubicación.

(15) INTRODUCCIÓN. 2. geográfica no era posible el tendido de fibra. La alternativa, sistemas inalámbricos de comunicaciones. Los enlaces de radiofrecuencia y microondas están altamente desarrollados, pero su ancho de banda no es comparable con el de las transmisiones ópticas. Con los avances que se han experimentado en las comunicaciones inalámbricas, las técnicas de transmisión de señales ópticas y la electrónica, los ingenieros diseñadores de las grandes empresas de telecomunicaciones retomando los preceptos establecidos por Bell para transmitir información utilizando un haz de luz a través del espacio,. lograron. complementar las cualidades de estas dos tecnologías, de la fibra su gran ancho de banda y de la inalámbrica su movilidad y facilidad de acceso, brindando una solución factible en cuanto a costo y accesibilidad de las redes de telecomunicaciones. La tecnología “freespace optical” (FSO) u óptica inalámbrica no es más que transmitir un haz de luz empleando la atmósfera como canal de comunicación. La necesidad de aumentar el ancho de banda, la disponibilidad y. escalabilidad de los sistemas de comunicaciones han. propiciado el auge de la óptica por el espacio libre, haciéndolas aparecer como una alternativa importante a los sistemas inalámbricos convencionales. Debido a su capacidad potencial para operar a altas velocidades requiriendo para ello de transmisores y receptores muchos más pequeños que los de RF. Adicionalmente, los sistemas ópticos inalámbricos al utilizar para la transmisión frecuencias en el orden de los THZ, se elimina el problema existente hoy en día de la saturación del espectro radioeléctrico en las bandas de RF y consecuentemente el alto costo para la adquisición de licencias. La comunicación óptica por el espacio libre es ya una tecnología madura, tanto es así que a nivel comercial se encuentran disponibles los equipos capaces de trabajar a tasas de hasta 10Gbps. El uso de los sistemas FSO, se ha ido expandiendo debido a la magnitud de su alcance, puesto que tiene varias aplicaciones como herramienta para la comunicación y transporte de información. Esto nos indica, que son sistemas muy útiles a nivel industrial y tecnológico. A nivel empresarial ya se utilizan enlaces ópticos inalámbricos de alta seguridad para interconectar edificios, oficinas aisladas, en entornos académicos o situaciones de desastre, siendo su mayor utilidad la extensión de las redes de fibra hacia lo que se conoce como “última milla”, evitando el embotellamiento en el transporte de información, logrando tener un alto desempeño y una gran variedad de servicios. Como toda tecnología.

(16) INTRODUCCIÓN. 3. inalámbrica sus principales limitaciones son las planteadas por el propio canal de comunicaciones, es decir el espacio libre, a pesar de ello, en la actualidad los transceptores FSO vienen equipados con diferentes dispositivos para enfrentar los diversos inconvenientes presentados por el medio de transmisión. [N30, I30] Los sistemas inalámbricos de radiofrecuencia, son los más utilizados por la Empresa Eléctrica de Villa Clara (EEVC) en la comunicación y monitoreo desde el Despacho Provincial de Carga (DPC) y las distintas subestaciones eléctricas de la provincia. El radioenlace ubicado entre la sub de SC 220kV ubicada en el Yabú y el Despacho de Carga de la EEVC, es la única vía de comunicación entre ambas dependencia. La importancia de los datos recibidos y la permanente comunicación con ésta subestación, única existente en la región central y principal nodo de enlace entre oriente y occidente por la red de 220Kv es vital. Por lo que se requiere de un sistema de comunicaciones que pueda ofrecer una alta disponibilidad y gran seguridad en la transmisión así como la transferencia de información en tiempo real (datos, voz y video) para la comunicación, monitoreo y control de los diferentes desconectivos de la subestación. La instalación de un enlace FSO punto a punto además de poder ofrecer las condiciones mencionadas por sí sólo, junto con el radioenlace de RF proveen redundancia, incrementando aún más la disponibilidad del sistema. Entre los nodos de la OBE y el DPC la comunicación es mediante un enlace de fibra óptica aérea, que une el backbone de la red y el DPC, éste canal soporta la comunicación entre el Despacho Provincial de Carga, las distintas subestaciones de la provincia y el Despacho Nacional de Carga, por lo que la disponibilidad y confiabilidad es un factor fundamental a garantizar. Lo antes expuesto lleva al problema de que no existe un sistema de comunicación confiable y seguro para el monitoreo y control de los desconectivos ubicados en la subestación eléctrica Santa Clara 220kV, y que no se cuente con vías alternativas de comunicación entre el núcleo de la red y el DPC y entre la subestación SC-220kV y el DPC..

(17) INTRODUCCIÓN. 4. Objetivo general:. Proponer enlaces ópticos inalámbricos como respaldo a la comunicación por fibra y radiofrecuencia, que permita mejorar los servicios de telecomunicaciones, en cuanto a calidad, disponibilidad, velocidad de transmisión y redundancia de información.. Objetivos específicos:. 1. Caracterizar la tecnología óptica inalámbrica, dando a conocer los. principales. parámetros que la conforman, así como sus aplicaciones, ventajas e inconvenientes. 2. Proporcionar las ecuaciones para el diseño de sistemas FSO en los diferentes escenarios y condiciones que se puedan presentar. 3. Diseñar los enlaces que den respuesta a los problemas de disponibilidad y confiabilidad en la comunicación existente en la Empresa Eléctrica de Villa Clara. 4. Realizar la simulación de los enlaces propuestos.. Los problemas antes expuestos nos llevan a las siguientes interrogantes:. ¿Con la tecnología FSO, se podrá dar solución las carencias de disponibilidad, confiabilidad y ancho de banda entre éstas entidades? ¿Dado nuestro clima, será posible la implementación de éste tipo de tecnología? ¿Cuándo y bajo qué situaciones es más factible utilizar los sistemas ópticos inalámbricos?.

(18) INTRODUCCIÓN. 5. Alcance. Con el trabajo presentado se aspira hacer una propuesta que permita una mejora en cuanto a disponibilidad y confiabilidad del canal de comunicaciones ubicado entre los nodos y el núcleo de la red en la Empresa Eléctrica de Villa Clara. Lograr la implementación de los servicios de monitoreo, y las opciones de telecomando entre el despacho y la subestación Santa Clara 220kV. Demostrar la utilidad de la tecnología óptica inalámbrica para proporcionar enlaces redundantes de gran ancho de banda con el mínimo de costo. Lograr un material para el estudio sobre esta temática que posibilite su futura introducción en el país.. Estructura del trabajo. El trabajo se estructura en introducción, tres capítulos, conclusiones, bibliografía y anexos. En el primer capítulo se describió el funcionamiento de la tecnología FSO. Se dieron a conocer sus principales parámetros, aplicaciones, beneficios e inconvenientes de su utilización. En el segundo capítulo se presentan las consideraciones para la selección de los equipos y se dan las ecuaciones para el cálculo de enlaces en dependencia de los factores que más influyen en el diseño. En el capítulo tres se diseñaron y simularon los enlaces, haciéndose un análisis económico en cuanto a costo y beneficio, obteniéndose los resultados que avalan la factibilidad de las propuestas..

(19) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 6. CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. Este capítulo aborda las características y parámetros fundamentales de la tecnología FSO “Free-Space-Optics”, las ventajas de su utilización para diferentes aplicaciones y los principales retos a que debe hacer frente la transmisión de señales ópticas por el espacio libre. 1.1. Sistemas FSO. Un sistema FSO (Free-space-optical por sus siglas en inglés) también llamado Free space photonics u Optical Wireless, se basa en la transmisión de señales ópticas a través del espacio, puede ser pensado como un sistema inalámbrico que utiliza haces de luz infrarroja en vez de ondas de radio o como un sistema óptico cuyo canal de transmisión es el aire en lugar de la fibra óptica. La forma más sencilla de visualizar como funcionan estos sistemas es imaginar dos puntos interconectados por un cable de fibra óptica y eliminar la fibra. Los principios básicos de la transmisión de la señal a través de la fibra son iguales que para la transmisión a través del espacio libre. [12]. Figura.1.1. Sistema FSO [12].

(20) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 1.2. 7. Principio de funcionamiento. En las comunicaciones ópticas por el espacio libre se transmiten rayos de luz modulados en potencia, es decir, se varía la potencia de la señal óptica de forma que al transmitir un uno lógico la intensidad de la señal es mayor que si se transmite un cero lógico. El funcionamiento se basa en la conectividad entre dos unidades ópticas siendo cada una un transmisor-receptor (Transceptor), con capacidad de intercambiar datos binarios en ambos sentidos (Full-Duplex). Cada unidad cuenta con una o varias fuentes de luz que transmiten el rayo a través de la atmósfera hacia otro transceptor, éstos, además de las fuentes emisoras de luz cuentan con lentes o telescopios receptores que son altamente sensibles a la corriente del fotón, por lo que son capaces de reunir el flujo de fotones transformándolos en señales digitales que contienen la información ya sea de datos, voz y video destinada al usuario final. [1, 8]. Figura 1.2. Enlaces FSO [12] A diferencia de los sistemas inalámbricos de RF y microondas aquí no es necesario disponer de una licencia de espectro o una coordinación de frecuencia con otros usuarios, ya que la interferencia de un sistema a otro no es problema por el delgado diámetro del haz láser que se transmite, lo que permite ubicar múltiples transceptores sin peligro de interferencia mutua en cualquier punto, lo que lo hace también extremadamente difícil de detectar por lo que estos sistemas son considerados como muy seguros, las tasas de transmisión de datos pueden ser comparadas con la de la fibra óptica con tasas de error muy bajas. Aunque en los últimos tiempos el mayor salto cualitativo de los sistemas FSO es la disponibilidad, la implementación de varios transmisores por terminal y de receptores.

(21) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 8. de alta sensibilidad, garantizan una disponibilidad del 99,999% para atenuaciones de hasta 17 dB/Km. [1] Los haces de luz transmitidos en los sistemas FSO son invisibles (se encuentran dentro del espectro infrarrojo) seguros para la visión humana (eye-safe). Para la generación del haz son utilizados LED o LD permitiendo la transferencia de información punto a punto en distancias de hasta 7 Km siempre que exista línea de visión directa entre fuente y destino con suficiente potencia en el transmisor proporcionando una conexión de capa física fiable, de banda ancha y transparente al tipo de protocolo a utilizar. Los sistemas FSO comerciales ofrecen capacidades en el rango de 10Mbps hasta los 10Gbps mientras que en sistemas experimentales se han podido alcanzar tarifas de hasta 160Gbps. [17] 1.3. Características de las fuentes emisoras de luz. Los transceptores ópticos utilizan dos fuentes emisoras de luz, los llamados diodos láser (LD) y los diodos emisores de luz (LED), la preferencia de uno u otro dispositivo se determina con los requisitos económicos y de funcionamiento del sistema. 1.3.1 Diodos emisores de luz Son diodos conformados por una unión p-n, fabricados con materiales semiconductores como el arseniuro de aluminio y galio, donde el material semiconductor tipo n contiene electrones libres y el material semiconductor tipo p cuenta con los huecos dejados por dichos electrones. La aplicación de un estímulo de polarización directa en la juntura de los dos materiales hace que el nivel de energía en el material tipo n aumente y se inicie el proceso de recombinación de electrones con huecos desprendiendo en el proceso energía en forma de luz. Por los materiales elegidos para la construcción de los LED, es que el proceso es radioactivo y el resultado del desprendimiento de energía es el fotón. El tipo de emisión que se produce en los LED es la llamada emisión espontánea, la cual surge cuando los electrones excitados vuelven al estado de reposo sin influencia externa, por lo que no existen direcciones específicas ni relación entre las fases de los fotones emitidos. Es debido a ésta dispersión de la luz que los LED presentan un mejor desempeño en enlaces FSO que sean de distancias cortas donde no se requiera el uso de una alta potencia para estos.

(22) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 9. equipos. Este dispositivo incoherente emite luz en un amplio rango de longitudes de onda en dependencia de los tipos de material con que se fabriquen. En la tabla 1.1 se muestran algunos de los materiales utilizados para la construcción de diferentes tipos de diodos y las longitudes de onda que producen. Tabla 1.1. Materiales para la fabricación de los LED y sus longitudes de onda de emisión. Fuente: W. Tomasi pág. 489 Material. Longitud de onda (nm). ALGaInP. 630 – 680. GaInP. 670. GaALAs. 620 – 895. GaAs. 904. InGaAs. 980. InGaAsP. 1100 – 1650. InGaAsSb. 1700 - 4400. La potencia luminosa radiante que emite un LED es una función lineal de la corriente directa con que es alimentado el dispositivo y en parte. de la temperatura de. funcionamiento. La principal ventaja que presentan los transceptores ópticos que utilizan los LED es su valor económico, donde se debe llegar a una relación de compromiso entre coste económico y eficiencia del sistema. Debido a que los transceptores basado en tecnología LED no representan virtualmente peligro alguno para el ojo humano independientemente de la longitud de onda a la que se trabaje, hacen que sean preferidos muchas veces sobre los equipos que utilizan los diodos láser. [9]. LED de emisión por el borde, ELED Presentan una superficie emisora de luz semejante a una banda estrecha en el mismo plano de la unión p-n formando un haz elíptico, consiguiendo así una distribución transversal de la luz haciéndola más directiva. [9].

(23) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 10. Figura 1.3. LED de emisión lateral. [9]. Diodo súper luminiscente, SLD Son también diodos de emisión lateral, la particularidad de los SLD es que una de sus caras (por donde es emitida la luz) se talla para lograr una cierta capacidad de reflexión, la otra cara no es tallada, de manera que el efecto láser no se presenta. Con los SLD se logra una amplificación, por lo que la potencia de salida es mayor. [37].. Figura 1.4. Diodo súper luminiscente [37]. LED de emisión superficial, SLED Los SLED se desarrollaron para las aplicaciones de telecomunicaciones que necesitaban una velocidad de transmisión superior a los 100Mbps. Los SLED emiten la luz en muchas.

(24) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 11. direcciones pero concentrándola en un área muy pequeña. Son más eficientes que los ELED pero su fabricación compleja los hace también más costosos. [9, 37]. Figura 1.5. LED de superficie emisora o de Burrus. [9]. 1.3.2 Diodos láser de semiconductores Los diodos láser emiten luz por el principio de emisión estimulada, la cual surge cuando un fotón induce a un electrón que se encuentra en un estado excitado a pasar al estado no excitado. El retorno del electrón al estado estable se realiza mediante la emisión de un fotón de luz con la misma fase y frecuencia del fotón estimulante. El proceso de generación de luz es similar al del LED, las diferencias radican en el volumen de generación más pequeño en los diodos láser y en una alta concentración de portadores inyectados. Se consigue así una ganancia óptica alta y un espectro muy estrecho que da lugar a luz coherente, lo que significa que todas las ondas luminosas se encuentran en fase entre si. La idea básica de un LD consiste en usar una cámara o cavidad resonante con los extremos muy pulidos. Los extremos con acabado de espejo, donde uno de ellos es reflectante y el otro semi-reflectante atrapan los fotones en la región activa y al reflejarse de un lado a otro estimulan la recombinación de electrones con huecos facilitando que se emitan más fotones de forma estimulada. El paso de la luz generada ocurre por el espejo semi-reflectante. Se puede decir que el origen de la emisión de fotones, es la recombinación directa electrón-hueco en la capa activa. Por debajo de la corriente umbral, el funcionamiento del LD es igual al de los LED, cuando se súpera ésta corriente umbral el LD oscila y es entonces cuando se produce.

(25) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 12. la emisión láser. La potencia de emisión de salida de un LD típico va a ser muy pequeña hasta que se llega a la corriente de activación, que es cuando se produce la estimulación y una vez comenzada la potencia óptica de salida puede llegar a aumentar de forma dramática con pequeños aumentos de la corriente de activación. La magnitud de la potencia óptica de salida en los diodos láser como función de la corriente de polarización va a depender más de la temperatura que en el caso de los diodos LED. Las principales ventajas de utilizar transceptores con LD es que presentan una distribución de la energía más direccional, la potencia óptica de salida es mayor que la de los LED por lo que son ideales para sistemas con distancias mayores, debido a las características de los láser, los dispositivos que utilizan los LD son mayormente empleados en sistemas que operan a una longitud de onda mayor que 1400 nm por cuestiones de seguridad visual, las principales desventajas de los diodos láser es que su valor en el mercado es de aproximadamente 10 veces más que el de los diodos emisores de luz y que al trabajar con una mayor potencia el tiempo de vida disminuye con respecto al de los LED. [9, 19, 37]. Láser Fabry Perot Formado por dos espejos en los extremos de la guía, constituye una cavidad resonante en donde la luz es reflejada y vuelta a reflejar entre los dos espejos a ambos lados del semiconductor, presenta algo de inestabilidad en la potencia de salida y se utiliza para la transmisión de datos en el retorno. [37]. Láser de emisión de superficie de cavidad vertical, VCSEL El láser emisor de superficie de cavidad vertical posee espejos resonadores arriba y abajo de la capa activa, lo que produce que la luz resuene perpendicular a la juntura y emerja a través de un área circular en la superficie. Posee menor corriente de umbral a la cual se presenta el efecto de emisión láser, además consume poca potencia y tiene mayor tiempo de vida útil. Por la longitud de onda en que trabaja se emplean preferentemente en enlaces de corto alcance. [37].

(26) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 13. Láser de emisión de borde, EEL La luz es propagada paralela a la capa activa y emerge por una división en el borde de la misma. La calidad y potencia del láser se encuentra en dependencia de las propiedades de la guía de onda. [37]. Láser de realimentación distribuida, DFB En el láser de retroalimentación distribuida, la red de difracción se distribuye a lo largo de toda la capa activa. La longitud de onda de la red determina la longitud de onda emitida por el láser, en una línea muy fina del espectro. [37]. Láser reflector distribuido, DBR Láser que emplea una red compuesta por elementos capaces de difractar la luz que se encuentran fuera de la zona activa en donde no circula corriente (parte pasiva de la cavidad). La longitud de onda de operación puede ser ajustada para determinadas condiciones atmosféricas, por lo que los hace muy costosos. [37] 1.4. Características de los detectores de luz. Solo dos dispositivos son utilizados para detectar la energía luminosa en los receptores tanto en la comunicación por fibra como en la comunicación de FSO, estos son los detectores PIN y los detectores APD. Los detectores basados en diodos PIN están formados por capas de agotamiento, no tienen ganancia interna, básicamente consiste en una capa dopada ligeramente (casi pura o intrínseca) de material semiconductor tipo n que se encierra entre la unión de las dos capas de tipo p y tipo n muy dopadas, la luz al entrar en el fotodiodo cae sobre el material intrínseco y este se hace lo suficientemente grueso como para que la mayoría de los fotones sean absorbidos por él y se agrega la energía suficiente para hacer que los electrones pasen de la banda de valencia a la banda de conducción. Los diodos PIN necesitan solo de muy.

(27) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 14. poca tensión para su funcionamiento, pero se requiere el empleo de buenos amplificadores para lograr el mejor desempeño. Los detectores APD o fotodiodos de avalancha están formados en su estructura interna por materiales p-i-p-n, la luz al entrar al diodo es absorbida en la capa n mientras que en la unión i-p-n es desarrollada una gran intensidad de campo eléctrico por polarización inversa causando ionización por impacto, donde un portador puede adquirir la energía suficiente para ionizar a los demás electrones, estos portadores ionizados, a su vez, provocan más ionizaciones así el proceso continua como en una avalancha donde se obtiene una ganancia o multiplicación interna, es por esto que los APD son más sensibles que los PIN y requieren una menor amplificación adicional. Se ha demostrado que la sensibilidad de los detectores basados en APD puede llegar a ser 4 veces la de los receptores basados en PIN, proveen entre 5 y 10 dB de mejora sobre los detectores PIN, debido a la circuitería compleja que requieren los detectores APD es que su costo es muy superior a los PIN, además debido al factor de multiplicación por avalancha se genera internamente ruido adicional y los tiempos de tránsito son relativamente grandes, por lo que los detectores PIN son los más utilizados en los receptores ópticos debido en gran medida a su costo , ya que existen otros factores que van a influir también en el desempeño y eficiencia de los sistemas FSO. [9] Existen 5 características o parámetros importantes de los fotodetectores que nos darán una medida del desempeño de los mismos, a saber éstas son: La responsividad que es una medida de la eficiencia de conversión del fotodetector, en general ésta se menciona a una determinada longitud de onda. Tiempo de tránsito es el tiempo que tarda un portador inducido por la luz en cruzar la región de agotamiento, éste parámetro determina la máxima frecuencia posible de bits en dependencia del tipo de fotodiodo utilizado. La respuesta espectral indica el intervalo de longitudes de onda que se puede utilizar con un determinado fotodiodo, es una medida de la eficiencia de absorción de la energía luminosa dentro de un rango de longitudes de onda. La sensibilidad a la luz indica la potencia óptica mínima que puede recibir un detector para producir a su salida una señal útil. La corriente oscura es la corriente de reposo que pasa por el fotodiodo cuando no hay entrada luminosa esta se debe a procesos internos del diodo. [9, 1].

(28) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 15. 1.4.1 Ruidos internos en los detectores de luz Los ruidos internos de los equipos FSO que pueden afectar la señal transmitida en un enlace óptico son: Ruido térmico Causado por el movimiento aleatorio de los electrones en la resistencia de carga del fotodiodo. [27] Ruido cuántico o shot Tiene su origen en la fotocorriente generada por el fotodiodo, es un flujo de electrones creados en instantes de tiempo aleatorio por lo que la corriente no se puede considerar continua, sino como una corriente formada por un conjunto de impulsos de carga eléctrica. [27] Ruido de intensidad relativa (RIN, Relative Intensity Noise) Es originado por las fluctuaciones de potencia provocadas por el comportamiento aleatorio de las emisiones espontáneas acopladas al modo radiante de un diodo láser. El receptor traduce estas fluctuaciones de la potencia óptica recibida, en fluctuaciones en la fotocorriente que genera. [27] Ruido debido a la corriente de oscuridad En ausencia de una señal óptica es cuando se genera la corriente de oscuridad, tiene lugar en los pares electrón – hueco del fotodetector. [9]. 1.5. Tipos de modulación. Láser con modulación directa, DML La capacidad de modulación directa de los diodos láser a través de la variación de la corriente aplicada, es una de las principales ventajas de éste dispositivo por su bajo coste y simplicidad. Las limitaciones vienen con la velocidad de modulación la cual puede llegar.

(29) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 16. hasta los 600 Mbps, provoca una fluctuación de las componentes espectrales y en la amplitud de la potencia de salida del dispositivo conocida como chirp. Cuando se desee transmitir información con velocidades por encima de 1 Gbps los diodos láser modulados directamente ya no son capaces de trabajar sin presentar el efecto chirp. [16, 25]. Láser con modulación externa, EML La portadora de la luz emitida, pasa a través de un dispositivo externo el cual genera una señal eléctrica que será la que module a la portadora óptica, mediante el efecto electroóptico. Los moduladores basados en interferómetros de Mach-Zehnder (MZI) o en materiales electro-ópticos, son dispositivos que tienen la propiedad de poder variar su índice de refracción según varía la tensión eléctrica que se le aplica, alterándose la fase de la onda luminosa que los atraviesa. La modulación externa es conveniente para altas velocidades, se consigue una mayor linealidad y ancho de banda con respecto a la modulación directa, eliminando el efecto chirp por completo al utilizar un láser de onda continua. [16]. Modulación ON/OFF Keying, OOK Este tipo de modulación es utilizada en la mayoría de los sistemas de transmisión ópticos, consiste en suministrar al diodo láser una corriente ION superior a la corriente umbral del diodo láser para que tenga lugar la radiación cuando se desea emitir el bit "1". En caso de transmitir el bit "0" la potencia óptica emitida por el láser debe ser nula, por lo que la corriente aplicada, IOFF debe ser menor que el umbral. Emplear una corriente IOFF próxima a cero tiene como ventaja que la potencia residual asociada a los bits "0" debida a las emisiones espontáneas es mínima, incrementando el cociente de extinción y por tanto reduciendo la probabilidad de error. [16].

(30) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 1.6. 17. Parámetros de la tecnología FSO. La funcionalidad de un enlace FSO va a depender de diferentes características del equipo utilizado, a continuación se presentan los principales parámetros de los transceptores ópticos y los que definen a la tecnología FSO en general.. 1.6.1 Interfaz aérea – clasificación del láser Esta clasificación indica el nivel de seguridad del transmisor óptico, va a estar determinada por la longitud de onda de operación del láser y la potencia de transmisión de cada haz emitido. Los láser con una longitud de onda en el rango de los 400 a los 1400 nm emiten luz que penetra a través de la córnea enfocándose en la retina, mientras que la luz emitida por los láseres con una longitud de onda mayor a los 1400 nm es absorbida por la córnea y no llega a la retina, por lo que el incremento en el nivel de potencia es limitado para las bandas del espectro que se encuentran cercanas a los 850 nm, con respecto a las bandas que se encuentran alrededor de los 1550 nm. Los transmisores láser utilizados en la actualidad por los sistemas FSO cumplen con el estándar IEC 60825-1 enmienda 2 que contempla los láser Clase 1 y Clase 1M siendo posible diseñar sistemas FSO en el rango de los 850 nm y 1550 nm. [6, 12]. 1.6.2 Longitud de onda Existen dos gamas principales de frecuencias/longitud de onda ampliamente utilizadas en los enlaces FSO, la gama 200-230 THz/1300-1500 nm y la gama 375-385 THz/780-800 nm. La longitud de onda a la que se opera un enlace FSO contribuye al desempeño del sistema óptico por cuanto los fotodiodos de los receptores que operan dentro del rango de 780nm y 1550nm logran eficiencias que pueden ser comparables, se puede obtener una mayor ventaja en la recepción de la señal aumentando la longitud de onda de transmisión lo que se traduce en una menor energía fotónica. Un fotón de 1550 nm tiene la mitad de la energía que un fotón de 800 nm por lo que para la misma cantidad de energía un haz de luz de longitud de onda de 1550 nm se obtiene el doble de fotones que en uno de 800 nm, esto.

(31) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 18. resulta en que en el fotodiodo del receptor se va a recibir el doble de fotones dando lugar a que un flujo óptico de 1550 nm pueda ser detectado con aproximadamente 3 dB menos de potencia óptica. También estas gamas de frecuencias presentan ventajas con respecto a otras, en el sentido de que la absorción atmosférica en el espacio libre es bastante pequeña, principalmente en la longitud de onda de los 1550 nm. [1, 2, 7]. 1.6.3 Potencia de emisión Debido a que los sistemas FSO se basan en la transmisión de señales ópticas en el espacio, la señal va a ser atenuada por diversos factores del medio de forma proporcional a la longitud del enlace. Es por ello que la potencia de transmisión es un factor importante en los sistemas basados en tecnología FSO. [1, 12] Los equipos transmisores FSO operan en longitudes de onda entre los 780 nm y 1550 nm, los láser que se encuentran en el rango de los 780 nm y 850 nm solo pueden ser transmitidos con una baja potencia ya que se encuentran en la región de riesgo retinal, mientras que en los que se transmiten a una longitud de onda de 1550 nm al encontrarse fuera de la región de riesgo retinal se puede emplear una potencia de hasta 50 veces mayor que los sistemas que utilizan una longitud de onda de 780 o 850 nm por lo que se va a poder contar con enlaces de mayor distancia y mayor robustez a los efectos y condiciones atmosféricas lo que se traduce en enlaces con un alto nivel de disponibilidad de un 99.999% soportando mayores tasas de transmisión de datos sin dejar de cumplir con las normas de seguridad visual (eye-safe). [1, 14]. 1.6.4 Divergencia del haz Los rayos láser que se transmiten no son puntuales, van abriéndose a medida que avanzan por el espacio, éste parámetro nos va a indicar cuanto es el ángulo de apertura del láser, dando una medida de cuanta potencia se pierde a los lados del receptor. [12]..

(32) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 19. Figura 1.6. Pérdida de potencia producto de la divergencia del haz [20]. Este ángulo es directamente proporcional al área de captura del detector y es inversamente proporcional a la potencia recibida en el equipo receptor, mientras menor sea la divergencia más difícil se hará mantener el haz de luz alineado con la línea de visión directa entre los dos terminales [12]. Factores externos causan que entre los terminales se pierda la línea de visión directa causando que el rayo transmitido no llegue al punto necesario, vibraciones del suelo, movimiento de las construcciones o ráfagas de viento nos pueden causar una interrupción en el enlace óptico por lo que al disminuir la divergencia del láser se logra una mayor concentración del mismo en el receptor, pero aumenta la probabilidad de que se pierda la conexión del enlace.. Figura 1.7. Pérdida de dirección del haz [20].

(33) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 20. 1.6.5 Diámetro del haz La luz al ser transmitida por el espacio se dispersa creando una superficie en el frente de onda del haz que depende del ángulo de divergencia y de la distancia del enlace, el aumento del diámetro de la superficie del haz en el extremo receptor, causa una disminución de la potencia detectada que va ser tan grande cuanto menor sea el área de captura del receptor, ajustando el ángulo de divergencia del haz podemos controlar la dispersión del láser a medida que avanza por el medio, pero esto trae consigo los inconvenientes ya mencionados de pérdida del enlace en caso de un desalineamiento leve de los transceptores.. 1.6.6 Área de recepción La divergencia inherente al haz de luz que se transmite en los sistemas FSO, es uno de los factores causantes de que no toda la potencia que sale del transmisor se reciba integra en el receptor, como se explicó anteriormente hay mucha de esta potencia que se pierde en los costados del terminal receptor, a pesar de que éste es un parámetro que no podemos controlar directamente ya que es implícito de cada equipo FSO, si podemos realizar el estudio para determinar cuál transceptor nos va a favorecer más en dependencia del tipo de láser, su divergencia y la distancia del enlace. Para enlaces con distancias que pueden variar entre 4, 5 o 6km es beneficioso emplear un transceptor con un área de recepción grande lo cual permite que sea absorbida una mayor cantidad de potencia, la inconveniencia de esto es que este tipo de transceptores son mucho más pesados y caros que los transceptores convencionales. Los transceptores de un FSOL pueden utilizar el mismo sistema óptico para realizar las funciones de transmisión y recepción, pero por lo general se utilizan sistemas ópticos separados para cada función, es decir, es posible la incorporación de mas de una apertura para la transmisión o recepción, las ventajas de utilizar diseños con múltiples aperturas receptoras donde se incluya además la diversidad espacial del haz, estriba en que vamos a tener una mayor resistencia y compensación a los efectos atmosféricos y bloqueos momentáneos del láser, donde se provee al sistema de una redundancia tanto en la transmisión como en la recepción. Es importante destacar que al tener un área de recepción mayor el receptor va a ser capaz de recopilar una mayor cantidad.

(34) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 21. de potencia luminosa pero al mismo tiempo estamos aumentando la probabilidad de la interferencia solar lo cual es una fuente de ruido para el sistema, lo que nos hace tener que elegir el emplazamiento del transceptor con mucho cuidado para minimizar los efectos causados por la luz ambiental. Por otro lado la adición de un sistema de rastreo puede volverse más complicada cuando se usan múltiples aperturas debido a que es poco probable que exista una parte de la ruta óptica compartida donde un solo elemento conduzca todos los haces de transmisión y recepción de forma simultánea, esta complejidad hace que aumente el costo económico del sistema, por lo que dependiendo de la aplicación las ventajas de utilizar receptores con múltiples aperturas pueden no ser justificables. [20, 30]. 1.6.7 Tiempo de propagación de la señal óptica en el espacio El tiempo de propagación de la información que permiten los enlaces ópticos inalámbricos, depende del equipo utilizado y del canal de transmisión. Los equipos FSO al ser transparentes al protocolo de transmisión, no se hace necesario llevar a cabo ninguna acción sobre el contenido o naturaleza de los datos, por lo que se evita retardos innecesarios y tiempos de propagación muy reducidos. Los parámetros que se tienen en cuenta para determinar el tiempo de propagación de la señal luminosa son, por un lado el tiempo de procesamiento electrónico propio de los equipos FSO y por otro el tiempo de propagación de la luz en la atmósfera. [25]. 1.6.8 Distancia de enlace, tasa de error de bit y razón de datos La distancia de los enlaces FSO en la atmósfera terrestre sólo alcanza pocos kilómetros, por lo general de 4 a 5km pudiendo en algunos casos llegar incluso a 6 o 7 km en condiciones atmosféricas buenas para la transmisión, esto se debe en primer lugar a la divergencia del haz que se transmite, por ejemplo la pérdida geométrica para un haz divergente incrementa en 6dB cuando la distancia aumenta en un factor de a dos. La probabilidad de una caída del enlace también se incrementa con la distancia. Pero el factor determinante de la distancia del enlace va a ser las condiciones climatológicas, donde para disminuir los efectos causados por las mismas, se hace necesario aumentar la potencia de transmisión para.

(35) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 22. mantener una determinada tasa de error. Es importante aclarar que para estos sistemas si se incrementa la BER de un factor de 1012 a 10 6 sólo se logra un aumento en la distancia del enlace de 10 a 15 m aproximadamente por consiguiente, no es factible diseñar un sistema donde en aras de lograr un aumento de la distancia se sacrifique la calidad de la transmisión, ya que el incremento en la distancia es mínimo comparado con el aumento en la tasa de error de bits. [5]. Figura 1.8. BER versus distancia. [5] Lo mismo puede ser aplicable a la velocidad de transmisión, en la figura 1.9 se puede observar que. si se reduce la velocidad de transferencia por ejemplo de 1,25Gbps a. 100Mbps para una misma BER sólo podemos extender el enlace en una distancia de 30 metros solamente. [5]. Figura 1.9. BER versus distancia, tasa de transmisión. [5].

(36) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 23. 1.6.9 Ancho de banda y tasas de transferencia En los sistemas FSO van a existir dos componentes que nos limitaran el ancho de banda de todo el sistema, el primero es la fuente de emisión y el segundo el dispositivo fotodetector. Los láseres modulados externamente pueden operar sobre velocidades de hasta 10Gbps, los cuales son los más comercializados hoy en día. En la actualidad se encuentran disponibles detectores que pueden soportar dichas velocidades, pero a estas altas tasas de transferencia la cantidad de luz que puede ser absorbida por el receptor y convertida en electrones va a tener un decrecimiento considerable disminuyendo así la sensibilidad del receptor donde puede variar entre -43dbm a 155 Mbps y -34 dBm a 622 Mbps implicando con ello que la sensibilidad del receptor, va a estar en función de la velocidad de transmisión. Cuando el sistema alcanza su límite de sensibilidad, el ruido térmico creado por la luz ambiental va a influir desfavorablemente en la BER haciendo que aumente su valor a límites no recomendables para la transmisión. [5, 19].. 1.7. Desempeño de los sistemas ópticos inalámbricos. El desempeño de los sistemas FSO, se mide en su capacidad para lograr el mejor funcionamiento aún en condiciones desfavorables de diseño, la capacidad que ofrecen para brindar distintos servicio de una manera satisfactoria y confiable. 1.7.1 Escalabilidad En los sistemas FSO es posible realizar la instalación e implementación del servicio a medida del crecimiento de la demanda, reduciendo el gasto de capital requerido para hacer crecer la base de usuarios, permitiendo al proveedor del servicio una recuperación de la inversión bastante rápida, al mismo tiempo la red puede continuar ampliándose mientras los nuevos usuarios van siendo añadidos a la estructura de backbone existente. [19, 20]. 1.7.2 Disponibilidad La disponibilidad “Carrier-Class” es definida como un 99.999% de disponibilidad manteniendo una tasa de error de bit menor que 10 10 , en las transmisiones ópticas por el.

(37) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 24. espacio libre la disponibilidad se va a ver afectada por factores ambientales locales, la utilización de la diversidad espacial, la correcta instalación y montaje de los equipos FSO así como la implementación de sistemas híbridos HFR o fibra y FSO garantizan aún más este alto porciento de disponibilidad. [1]. 1.7.3 Confiabilidad Los equipos FSO antes de su salida al mercado son sometidos a diferentes pruebas para asegurar la excelente confiabilidad a la que hacen referencia, cada equipo es sometido a temperaturas extremas que van desde los -50 a los 75 C para poder manejar los cambios de temperatura y poder ser emplazados en cualquier zona geográfica. Dos son los factores que más influyen en la confiabilidad del láser, uno es la temperatura de operación promedio y otro la potencia óptica de salida, por ejemplo para diodos tipo AlGaAs, la energía de activación es de aproximadamente 0,65 eV, lo que implica que la vida útil del diodo se incrementa por un factor de a 2 por cada disminución de 10 C de la temperatura de operación, por lo que los equipos FSO cuentan con un sistema de enfriamiento para cada uno de los emisores láser manteniendo a estos en una temperatura óptima de operación, asegurándose el mejor desempeño del diodo emisor y la prolongación de su tiempo de vida, en la gráfica de la figura 1.10 se observa como el tiempo de vida de un diodo de los utilizados. en los equipos FSO puede ser alargado a medida que se disminuye la. temperatura de operación. [1, 5, 21]. Figura 1.10. Tiempo de vida del láser en función de la temperatura [5].

(38) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 25. Aún más importante que los efectos térmicos es la potencia de salida del láser, incrementos significativos en la vida útil del diodo se pueden obtener regulando la potencia de salida de este, debido a ello hoy en día la mayoría de los equipos FSO emplean tecnologías de potencia láser adaptativa, para ajustar la potencia de emisión automáticamente en respuesta a las condiciones atmosféricas, con tiempo despejado el nivel de emisión es reducido considerablemente y en presencia de un clima adverso se incrementa para mantener el enlace óptico activo, logrando mejorar la vida útil del láser al ser utilizado bajo condiciones mínimas de stress. [1, 5, 21].. Figura 1.11. Tiempo de vida del láser en función de la potencia de salida [5]. 1.7.4 Sistemas de rastreo activo Hoy en día muchos fabricantes de tecnología FSO, incorporan a los transceptores los llamados sistemas de alineación activa o rastreo activo, que propician una mejora adicional en el desempeño de los sistemas FSO en distancias superiores a los 4km, logrando así hacer frente a todos los factores que puedan causar un desalineamiento del haz. Los sistemas de auto-rastreo detectan la variación en la alineación del láser recibido, permitiendo que permanezca centrado sobre el receptor y se mantenga la integridad del enlace. Para esto puede ser utilizado un haz por separado que detecta la alineación donde se utilizan diferentes longitudes de onda una para la transmisión de la información y otra para el alineamiento, otro modo es utilizar el mismo láser que transporta los datos para la.

(39) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 26. alineación empleando para esto un divisor de luz llamado splitter que refleja parte de la luz hacia el detector de alineamiento. La desventaja de usar este último modo es que una parte de la potencia del haz que lleva los datos se pierde cuando se utiliza para la alineación. [1] 1.8. Ventajas de la tecnología FSO. Los sistemas FSO poseen diversas ventajas si son comparadas con otras tecnologías de wireless, como microondas o RF, al igual que si la confrontamos con la fibra óptica. Su principal ventaja es la sencillez de su instalación ya que no se requiere abrir canales en las calzadas de las ciudades y al ser libre de licencia de RF, la implantación del sistema es muy sencilla y menos costosa por no tener que adquirir los caros derechos por licencias de utilización del espectro electromagnético, además de que la infraestructura necesaria es relativamente barata, ya que solo es necesario colocar los transmisores y receptores de tal manera que exista una línea de vista directa entre ellos. Por estar trabajando en el espectro óptico los haces de luz infrarroja no atraviesan paredes pero si cristales, lo que permite colocar los emisores y receptores dentro de las edificaciones evitando así la posible competencia por el espacio en el tejado de las edificaciones, simplificando el cableado y permitiendo al equipo funcionar en un ambiente muy favorable [11]. Su corto plazo de instalación, costo y movilidad hacen que se prefieran para interconectar edificios u oficinas externas, así como extender el alcance de la capacidad de transferencia que ofrece la comunicación óptica hasta cualquier usuario que la necesite. Los sistemas FSO también presentan una serie de ventajas en cuanto a seguridad (protección del flujo de datos) comparadas con las tecnologías inalámbricas basadas en radio, los láseres son altamente directivos y se hace muy complicado interceptarlos sin que el propietario se percate de ello, tampoco pueden ser detectados mediante analizadores de espectro ni detectores de potencia RF. Son invisibles al ojo humano así que su presencia no resulta tan evidente, además la información se puede transmitir de forma cifrada proporcionando un grado de seguridad aún mayor. [11] Estos sistemas son compatibles con un amplio rango de aplicaciones y mercados ya existentes, el haz de luz lleva cualquier señal de transmisión óptica, protocolo o trama que.

(40) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 27. el usuario desee, dada la flexibilidad de estos sistemas pueden ser implementados utilizando variadas arquitecturas como Malla, Anillo o Hub and Spoke. [6, 14]. 1.9. Factores adversos de la tecnología FSO. Los principales inconveniente al que tienen que hacer frente las comunicaciones ópticas inalámbricas es a los factores meteorológicos tales como lluvia, nieve, niebla o bruma, tales efectos propiciarán la absorción y dispersión de la señal luminosa transmitida creando condiciones desfavorables en la disponibilidad de los sistemas FSO, introducción en exceso de errores en la transmisión y llegando en algunos casos extremos hasta la caída total del enlace óptico. Al transmitir un delgado haz de luz, el alineamiento y los obstáculos que lo puedan bloquear también se presentan como desventajas de estos sistemas. En los apartados siguientes se describen los factores fundamentales a los que debe hacer frente la tecnología FSO. [3] 1.9.1 Absorsión atmosférica Diversas substancias que se encuentran en la atmósfera, entre ellas moléculas de agua en estado gaseoso, tienen la propiedad de absorber la luz provocando una atenuación sobre el haz luminoso empleado en los sistemas FSO o un decrecimiento en la densidad de potencia, esto hace que no toda la luz que se transmite llegue al receptor, incidiendo directamente en la disponibilidad del enlace. El uso de la potencia de transmisión adecuada teniendo en cuenta las condiciones climatológicas específicas para cada zona así como la utilización de múltiples emisores instalados en un mismo transceptor óptico (diversidad espacial) y la transmisión utilizando las ventanas atmosféricas, nos va a garantizar el nivel requerido de disponibilidad del sistema. Las ventanas atmosféricas son las longitudes de onda indicadas para que la luz sufra una menor absorción las cuales facilitan el paso de la energía luminosa, las dos principales ventanas se encuentran, la primera entre los 3 y 4 μm y la segunda en el rango de 8 y 12 μm, por lo que la atenuación por absorción molecular no va a tener grandes consecuencias en el espectro de luz infrarroja. [4, 6, 8].

(41) CAPÍTULO 1. PRINCIPIOS Y GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FSO. 28. 1.9.2 Dispersión atmosférica La dispersión es el proceso en el cual pequeñas partículas suspendidas en la atmósfera hacen que una porción del haz de luz incidente sobre ellas se propague en cualquier dirección, de esta forma la dispersión a diferencia de la absorción no representa una pérdida de energía, sino una redistribución espacial de la misma que puede tener una reducción significativa en la intensidad del haz para largas distancias. La dispersión es una función de la longitud de onda del rayo y del tamaño (diámetro) del elemento dispersor (moléculas o Átomos). Cuando la luz atraviesa partículas con un diámetro mucho menores que la longitud de onda de los fotones del rayo luminoso se conoce como dispersión de Rayleigh, según la ley de Rayleigh-Jeans el grado de dispersión es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz, lo que a mayor longitud de onda encontraremos menor dispersión y viceversa. La dispersión no selectiva ocurre cuando la partícula dispersora es mucho más grande que la longitud de onda del haz transmitido. Cuando las partículas atravesadas por el haz de luz son mayores que un décimo de la longitud de onda se da lugar a una dispersión del rayo de luz conocida como difusión o dispersión de Mie,. este fenómeno conlleva. a que la luz sea esparcida en todas. direcciones impidiéndole que sea recibida en el receptor. La dispersión que más afecta a los enlaces FSO es la dispersión de Mie, debido a que el diámetro de las partículas dispersoras es aproximadamente igual a la longitud de onda utilizada, la atenuación de la señal en el extremo receptor producto de la dispersión no selectiva así como la de Rayleigh es muy pequeña si se compara con la causada por la dispersión de Mie. [3, 4] 1.9.3 Lluvia El efecto principal de la lluvia sobre los sistemas FSO es la atenuación sobre la señal de luz transmitida que viene causada por la dispersión geométrica debido a que el diámetro de las gotas de lluvia es mayor que la longitud de onda del haz. Una intensidad de lluvia de 25 mm/h causa una atenuación al rayo de luz de 6 dB/km aproximadamente, por consiguiente la mayoría de los sistemas FSO disponibles comercialmente son capaces de operar hasta con un margen de enlace de 25 dB para mitigar el efecto causado por la lluvia, logrando que no tenga mayores inconvenientes la transmisión de la señal óptica. [3, 4].

Figure

Tabla 1.1. Materiales para la fabricación de los LED y sus longitudes de onda de emisión
Figura 1.9. BER versus distancia, tasa de transmisión. [5]
Figura 1.10. Tiempo de vida del láser en función de la temperatura [5]
Figura 1.11. Tiempo de vida del láser en función de la potencia de salida [5]
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