redes ópticas, Redefinido.
enero 20, 2015

Dispersión: el problema de las redes de larga distancia y alta velocidad

Fondo

Las redes de fibra óptica han crecido enormemente a un ritmo muy rápido a lo largo de la historia. A medida que crecía la necesidad de enviar datos a mayores capacidades a distancias más largas, los profesionales de la fibra óptica desarrollaron ventanas de longitud de onda específicas que permitían una transmisión más larga. Como se discutió en nuestro blog anterior sobre la pérdida de retorno óptico, "Preguntas frecuentes: ¿Por qué no venden óptica CWDM 10G de 70 km en el rango de 1350-1450?", Estas ventanas de longitud de onda se limitaron a las regiones de 1310nm y 1550nm para evitar altos grados de atenuación. y pérdida de retorno. Aunque esta parecía ser la solución simple para una transmisión de datos exitosa, las limitaciones debido a la dispersión comenzaron a ocurrir a medida que avanzaban las redes.

Las primeras fibras ópticas utilizadas en las redes se conocían como fibra multimodo de índice escalonado. Este tipo de fibra experimentó varias variedades de dispersión. La fibra de índice graduado multimodo se diseñó poco después, pero también experimentó problemas similares con la dispersión. Se produjo un gran avance en la tecnología de fibra óptica cuando se introdujo la fibra monomodo en 1970; eliminó la mayoría de los problemas de dispersión atribuidos a la fibra multimodo. La fibra monomodo aún experimenta algunos tipos de dispersión en las redes de larga distancia, pero es la solución más confiable presentada hasta el momento. Esto explica por qué la mayoría de las redes actuales de fibra óptica de alta velocidad y larga distancia se basan principalmente en fibra monomodo.

¿Por qué es importante la dispersión?

A lo largo de la capa física de las redes de fibra óptica, como ocurre con todas las formas de propagación de la señal, la señal de información modulada se genera como una suma infinita de funciones de base ortogonal. La combinación lineal adecuada de estas funciones básicas genera la señal óptica que viaja por la fibra. El concepto básico que subyace en este proceso se conoce como Análisis de Fourier. El análisis de Fourier es el estudio espectral de la descomposición y recomposición de una señal en sus componentes ortogonales de frecuencia compleja (seno y coseno). En otras palabras, cualquier función continua se puede producir como una suma infinita de senos y cosenos ponderados. Debido a que podemos descomponer la señal óptica modulada en componentes de frecuencia que abarcan un ancho de banda finito y que el índice de refracción de las fibras es una función de la longitud de onda (o frecuencia) óptica, podemos esperar que los diversos componentes de la forma de onda compuesta viajarán a diferentes velocidades a través de la fibra El resultado es una dispersión temporal localizada de la señal a medida que viaja por la fibra conocida como dispersión. Esta difusión de la señal afecta negativamente a la capacidad de transporte de información de la fibra o restringe la longitud de la fibra.

dispersión de materiales
dispersión de guía de ondas

A los efectos de este blog, nos centraremos en los diversos modos de dispersión a lo largo de la fibra monomodo, su impacto en la señal de información y los procedimientos de prueba asociados.

Dispersión y sus tipos

 Hay varios tipos específicos de dispersión que afectan a la fibra monomodo, entre ellos:

  1. Dispersión del modo de polarización
  2. Dispersión de materiales
  3. Dispersión de guía de ondas
  4. Dispersión cromática

 Dispersión de fibra monomodo

La introducción de fibra monomodo resolvió la mayoría de los errores de dispersión atribuidos a multimodo, pero no eliminó los errores de dispersión por completo. Lo que queda es la dispersión cromática y la dispersión del modo de polarización.

 La dispersión cromática ocurre cuando las fibras de vidrio monomodo transmiten luz que contiene diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades. Las diferentes longitudes de onda (colores) que viajan a diferentes velocidades crean un pulso que se propaga y esto conduce a una distorsión en la transmisión de datos.

 ¿Qué causa la dispersión cromática?

Hay dos factores principales que causan la dispersión cromática: la dispersión del material y la dispersión de la guía de ondas.

La dispersión del material es una dependencia del índice de refracción de las fibras en la longitud de onda o frecuencia de las señales transmitidas. Este tipo de dispersión resulta de la interacción de la señal con la estructura cristalina del vidrio de fibra óptica. El índice de refracción del material de vidrio varía según la longitud de onda de la señal óptica; cuanto más larga es la longitud de onda, más rápido viaja la señal. Las diversas longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades crean una variación de pulsos ópticos que se propagan. Esto, como resultado, hace que algunos pulsos se propaguen en el tiempo. A medida que aumenta la longitud de onda y disminuye la frecuencia, disminuye la dispersión del material. Como resultado, las señales ópticas en el rango de 1550 nm generalmente experimentan menos dispersión material que las señales ópticas en el rango de 1310 nm.

La dispersión de la guía de ondas es causada por diferentes índices de refracción entre el núcleo y el revestimiento de una fibra óptica. Debido a la naturaleza del transporte de fibra óptica, una pequeña cantidad de luz viaja al revestimiento desde el núcleo, lo que hace que las señales viajen a diferentes velocidades.

Dispersión del modo de polarización

La dispersión del modo de polarización (PMD) prevalece en la fibra monomodo. Un pulso de luz estándar se compone de dos modos de polarización, que viajan perpendiculares entre sí. En una fibra óptica "perfecta", estos modos de polarización viajarían a la misma velocidad y no ocurriría PMD; sin embargo, suele haber un cierto grado de imperfección en toda la fibra que hace que los dos modos viajen a diferentes velocidades. Algunas imperfecciones de la fibra que causan PMD incluyen la tensión del núcleo, la excentricidad del revestimiento, la torsión de la fibra, la tensión de la fibra, la flexión de la fibra, etc.

Procedimientos de prueba

Hay varias formas de probar la dispersión cromática; todos los métodos involucran pruebas en un rango de longitudes de onda utilizando distintas fuentes de longitudes de onda, un láser sintonizable o una fuente de banda ancha con un monocromador. La prueba generalmente requiere acceso a ambos extremos de la fibra y se necesitará una segunda fibra para sincronizar los dos instrumentos de prueba en ambos extremos. La prueba de dispersión cromática generalmente se realiza durante o poco después de una instalación de fibra, después de cualquier tipo de mantenimiento de fibra o antes de una actualización a tasas de bits más altas.

En cuanto a la dispersión del modo de polarización, es importante probar cuándo aumenta la tasa de bits de transmisión por canal o aumenta la distancia. PMD generalmente se prueba en fibras instaladas recientemente que se utilizarán en redes de larga distancia y alta velocidad de más de 2,5 Gb/s. Hay varias formas de probar; todos los métodos tienen una fuente que puede variar la polarización de la señal de prueba y también una unidad de medida que puede analizar los cambios en la polarización. Varios de estos métodos incluyen escaneo de longitud de onda y evaluación de parámetros de Stokes, interferometría (métodos tradicionales y generalizados). La precisión de las pruebas es generalmente difícil; el grado de incertidumbre oscila entre 10% y 20%.

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