Fibra Óptica: Transmisión de Datos a la Velocidad de la Luz

La fibra óptica revolucionó la transmisión de información al permitir el envío de datos mediante pulsos de luz a través de hilos transparentes, fabricados de vidrio o plástico. La fuente de luz, un emisor LED o láser, se enciende, apaga o varía su intensidad para representar una señal eléctrica que contiene información.

Ventajas de los Sistemas de Comunicaciones Ópticas

• Baja atenuación: Permite transmisiones a larga distancia con menor pérdida de señal.
• Gran capacidad: Soporta un ancho de banda significativamente mayor que los cables de cobre.
• Inmunidad a interferencias electromagnéticas: No se ve afectada por ruidos eléctricos o magnéticos.
• Mayor seguridad: Dificulta la interceptación de la señal.
• Menor tamaño y peso: Los cables de fibra óptica son más ligeros y ocupan menos espacio.

Desventajas de la Fibra Óptica

• Conversión electro-óptica: La señal eléctrica debe ser convertida a luz, lo que introduce un pequeño retardo.
• Costo elevado: Puede ser una inversión considerable para aplicaciones que no requieren alta capacidad.
• Instalación especializada: Requiere técnicas y herramientas específicas para su instalación.
• Reparaciones complejas: Las reparaciones de los cables de fibra óptica son delicadas y requieren personal altamente capacitado.

Espectro Electromagnético y la Luz

La luz se comporta como una onda electromagnética y forma parte del espectro electromagnético.

Tipos de Fibra Óptica

Existen dos categorías principales: fibra monomodo y fibra multimodo.

Fibra Monomodo

La fibra monomodo guía y transmite un solo haz de luz (modo de propagación). Posee un ancho de banda muy elevado. Sin embargo, el aprovechamiento del emisor de luz es mínimo, el costo es más elevado, la fabricación es más difícil y requiere acoples perfectos.

Atenuación típica y bandas de transmisión:

• Primera ventana: 0.85 µm
• Segunda ventana: 1.3 µm
• Tercera ventana: 1.55 µm (dividida en bandas S, C y L)

Fibra Multimodo

La fibra multimodo guía y transmite varios haces de luz por reflexiones sucesivas (modos de propagación). Las ondas son de forma admisible.

Características Físicas de las Fibras

• Diámetro típico: 125 µm
• Diámetro del núcleo: 5 µm (multimodo) y 9 µm (monomodo)

Tipos de Fibra Multimodo

Existen dos tipos según el índice de refracción:

Fibra de Índice en Escalón o Salto

Presenta una discontinuidad en el índice de refracción entre el núcleo y la cubierta. El cambio de refracción es abrupto.

Fibra Óptica de Índice Gradual

Permite que los rayos de luz viajen a distintas velocidades. Los rayos que recorren mayor distancia se propagan más rápido, reduciendo la dispersión temporal.

Tipos de Fibra Monomodo

Fibra Monomodo Estándar (SMF)

Atenuación de 0.2 dB/km y dispersión cromática de 16 ps/km*nm en la tercera ventana (1550 nm). En la segunda ventana, la atenuación es nula.

Fibra DSF (Dispersion-Shifted Fiber)

Dispersión cromática nula en la tercera ventana, pero con una atenuación de 0.25 dB/km. Presenta inconvenientes con efectos no lineales.

Fibra NZ-DSF (Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber)

Valor de dispersión cercano a cero, pero no nulo, para mitigar los efectos no lineales de la dispersión cromática.

Otros Tipos de Fibra

Fibra Óptica de Plástico

De bajo costo para conexiones de corta distancia. Pérdidas de 0.15-0.2 dB/km a 650 nm y ancho de banda reducido.

Fibra Óptica de Cristal Fotónico

Fibras de sílice con una microestructura de agujeros de aire que se extiende a lo largo de la misma.

Normativa de Colores para Fibra Óptica

• Naranja: Multimodo
• Amarillo: Monomodo

Dispersión Cromática

Variación del índice de refracción de un medio óptico con la longitud de onda.

FWM (Four-Wave Mixing)

Mezcla de cuatro ondas de tipo efecto Kerr. Ocurre cuando la luz de dos longitudes de onda viaja por la fibra. Causa daño espectral debido a la interacción de las ondas ópticas transmitidas.

Efectos Negativos de FWM

• Atenuación en la potencia de los canales existentes.
• Efecto de diafonía.

PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy)

Tecnología para telefonía que permite enviar varios canales telefónicos por un mismo medio (coaxial o microondas) usando técnicas TDM y equipos digitales de transmisión. También se utiliza sobre fibra óptica, como base para SDH. Las señales PDH no están completamente sincronizadas.

Características de PDH

• Se basa en un canal de 64 kbps.
• Cada nivel aumenta el número de canales sobre el medio físico.
• Las tramas de distintos niveles tienen estructuras y duraciones diferentes.
• Los canales de voz transportan información de control añadida durante la multiplexación.

Jerarquías PDH

• Europea: G.732
• Norteamericana y Japonesa: G.733

Jerarquía E1

Primer nivel jerárquico con un flujo de datos de 2.048 kbps. Para transmisiones de voz, utiliza una frecuencia de muestreo de 8 kHz (una muestra cada 125 µs). Cada muestra se codifica con 8 bits, resultando en 64 kbps por canal. Agrupa 30 canales de voz y 2 canales de 64 kbps para señalización y sincronización.

Canal 16 de una Trama E1

Reservado para tareas de señalización.

Canal Común

Un canal de 64 kbps para enviar mensajes de señalización, identificando el canal de datos al que se refiere el mensaje.

Canal Asociado

Un canal de señalización para cada canal de datos de 64 kbps. Se divide el canal 16 para este propósito.

SDH (Synchronous Digital Hierarchy)

Estándar internacional para redes ópticas de alta capacidad. Sistema de transporte digital síncrono que proporciona una infraestructura más sencilla, económica y flexible.

Historia de SDH

En 1985, Bellcore propuso al comité ANSI normalizar una jerarquía digital para operadores de fibra óptica, conocida como SONET (Synchronous Optical Network), basada en los antecedentes de Syntram (desarrollado en 1970). ANSI normalizó la jerarquía digital para SONET en T1.105, la monomodo en T1.106 y la interfaz óptica en T1.117. Posteriormente, ANSI lo propuso a la UIT-T en 1986. La UIT-T unificó las redes digitales a una velocidad de 155.520 kbps para SDH en 1988. Las recomendaciones G.707, G.708 y G.709 de la UIT-T contienen la forma de armado de tramas. Las recomendaciones G.781, G.782 y G.783 contienen información sobre multiplexores. G.784 (junto con M.3010 y G.773) describe la gestión y administración de la red TMN. G.957 y G.958 describen las interfaces para dichos sistemas.

Principios Básicos de SDH

• Primera velocidad sincrónica: STM-1 de 155.520 Mbps (triple de la red SONET: 3 x 51.84 Mbps = 155.52 Mbps).
• Tributarios: Se acomodan en un contenedor (C).
• POH (Path Overhead) o TTY (Tara de Trayecto): Encabezado que se agrega al contenedor para operación, administración y mantenimiento, creando un contenedor virtual (VC).
• PTR (Pointer): A cada VC se le agrega un puntero, formando una unidad tributaria (TU).
• TU (Tributary Unit): Se multiplexan byte a byte en una unidad tributaria en grupo (TUG), agregando información adicional a la unidad administrativa (AU) y a la unidad administrativa en grupo (AUG), que forman el STM-1.

Características de SDH

• La carga se acomoda en contenedores.
• Cuando la carga es plesiócrona, se adapta un reloj a los contenedores.
• Los contenedores pueden tener bits adicionales (relleno).
• Cada contenedor recibe un encabezado llamado tara de proyecto (TTY o POH).
• El POH contiene información en los extremos del trayecto.
• Los contenedores con POH se denominan VC.

Formación y Estructuras de Multiplexación en SDH

• Los punteros apuntan al primer byte del POH.
• En el VC se asigna un puntero que indica el primer byte.
• Los punteros de cada contenedor están fijos respecto al elemento de multiplexación en los contenedores mapeados.
• Los VC de orden inferior se mapean en relación con contenedores de orden superior.
• Los VC de orden superior se mapean con respecto a una trama STM-n.
• Los contenedores de orden superior contienen un área de punteros para los VC de orden inferior.
• Los VC de orden superior se mapean en una trama STM-n, denominados AU.