U.M.S.A.

Facultad de Ingeniería

Ingeniería Electrónica

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN APLICADA

TERABITS EN FIBRA ÓPTICA

Materia:

Sistema de Comunicaciones II

Integrantes:

Chavarria Lazarte Gleyvi Melina

Martinez Flores Esperanza

Docente:

Ing. Gonzalo Caba

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Índice

CONTENIDO PÁGINA

1. INTRODUCCION 2

2. OBJETIVOS 3

3. MARCO TEORICO 3

3.1. Estructura fibra óptica 3

3.2. Fibra Multimodo índice escalón (DWDM) 4

3.3. Terabit 5

4. DESARROLLO 5

4.1. Métodos de transmisión de terabits 5

4.1.1. Fibra óptica programable transmite terabits 5

4.1.2. Método de la frecuencia ortogonal multiplexada 6

4.1.3. Método de múltiples núcleos de luz 8

4.1.4. Método de óptica transformada de Fourier 8

4.2. Material utilizado para transmitir terabits en fibra óptica 10

4.2.1 Núcleo de vidrio 10

4.2.2. Núcleo de Seleniuro de Zinc 12

5. CONCLUSIONES 13

6. ANEXOS 14

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TERABITS EN FIBRA OPTICA

1. INTRODUCCION.

En el mundo de las telecomunicaciones, siempre necesitamos y necesitaremos más

banda ancha, cada vez contamos con programas que nos exigen una mayor cantidad de

transmisión de datos y nosotros queremos una mayor velocidad.

Las líneas de comunicación cada vez requieren mayores capacidades. El tráfico de datos

aumenta sin parar, por el incremento constante de usuarios y por usar archivos cada vez

más grandes. La velocidad de las conexiones, además del tráfico que son capaces de

soportar, es una preocupación para usuarios y técnicos. En este sentido, la fibra óptica ha

sido, hasta el momento, el sistema que mejores resultados ha presentado.

Entonces, a medida que avanza la tecnología, obviamente, se necesitaran mayores

velocidades de transmisión, y por ende, mayores capacidades de almacenamiento.

Las últimas tecnologías vigentes para transmisión de datos sobre fibra óptica y que se

encuentran en su auge son CWDM Y DWDM.

Figura 1:Un ramo de fibras ópticas

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2. OBJETIVOS.

Conocer el desarrollo de la fibra óptica.

Conocer el desarrollo de las diferentes velocidades de la fibra óptica desde sus

inicios.

Conocer la qué importancia tiene el hecho de transmitir terabits en fibra óptica.

3. MARCO TEORICO.

3.1. Estructura fibra óptica.

A continuación se muestra la estructura de una fibra óptica:

Figura 2: Estructura de una fibra óptica

Un cable de fibra óptica es una estructura cristalina circular y concéntrica donde el núcleo

tiene índice de refracción n1 y la envoltura n2 (n1>n2). Si en estas condiciones el ángulo

de incidencia núcleo-envoltura es menor al crítico, el rayo lumínico se propagara dentro

del núcleo por rebotes sucesivos, confinando de esta manera la luz dentro del núcleo, por

lo que la estructura núcleo-envoltura es cooperativa para confinar el rayo lumínico dentro

del cable.

En la práctica tanto núcleo y envoltura están formados por silicatos a los cuales se le

puede añadir algún tipo de impureza o dopaje para tener una diferencia no muy grande de

índices de refracción; se requiere siempre que el índice de refracción asociada al núcleo

sea mayor al de la envoltura. La envoltura no es de protección y está asociada al

mecanismo de propagación.

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WDM (multiplexación por división de longitud de onda) es una tecnología que multiplexa

varias señales de portadora ópticas en una sola fibra óptica usando diferentes longitudes

de onda de luz laser para portar diferentes señales. Esta definición se aplica también

para DWDM (multiplexación por división de longitud de onda densa) y CWDM

(multiplexación por división de longitud de onda).

3.2. Fibra Multimodo índice escalón (DWDM).

Figura 3: Estructura de una fibra óptica DWDM

λ1, λ2,…, λn Son longitudes de onda que portan informaciones diferentes.

Este tipo de estructura se conoce como:

CWDM→Multiplexacion por longitud de onda de baja capacidad ( 9 - 16 ) λ

DWDM→Multiplexacion por longitud de onda de alta capacidad ( 20 -80 )λ

Al tener la posibilidad de propagar varios frentes de onda dentro de un mismo núcleo la

capacidad del medio físico o cable se incrementa de manera notable. Sin embargo, esta

técnica se requiere de dispositivos más complejos de inserción y extracción de las

longitudes de onda correspondientes. Otra posibilidad que se abre con la particularización

de varios λ dentro del núcleo es la multiplexación fotónica que se espera que en un futuro

cercano remplace a los sistemas de multiplex en tiempo.

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3.3. Terabit.

Las velocidades que se transmiten en fibra óptica se miden en bits por segundo (bits/seg).

Entonces, los terabits se refieren a transmisiones utilizando el soporte de fibra óptica para

mover terabits de datos por segundo, es decir Un terabyte es una unidad de

almacenamiento de información cuyo símbolo es el TB, y equivale a 1012 bytes.

Actualmente, las transmisiones sobre fibra óptica

Para resaltar la importancia del logro de transmitir datos en terabits comentar que si en un

tramo de un kilómetro de fibra multimodo se manda un terabyte por segundo, se podrá dar

un servicio de un gigabyte por segundo a mil usuarios.

4. DESARROLLO.

La transmisión de datos con un ancho de banda de decenas Tbit/s (billones de bits por

segundo) parecía imposible hace una década. Sin embargo, se ha logrado alcanzar este

ancho de banda con todas las técnicas de transmisión óptica modernas, tanto WDM,

como OFDM y TDM.

4.1. Métodos de transmisión de terabits.

La transmisión de datos con un ancho de banda de decenas Tbit/s (billones de bits por

segundo) parecía imposible hace una década. Sin embargo, se ha logrado alcanzar este

ancho de banda con todas las técnicas de transmisión óptica modernas, tanto WDM,

como OFDM y TDM.

4.1.1. Fibra óptica programable transmite terabits.

Ciena ha estado trabajando en un chip que permita alcanzar mayores velocidades de

transmisión, en este caso han logrado desarrollar la fabulosa capacidad de transmisión de

17.6 terabytes por segundo sobre cables de fibra óptica. Mediante este chip es posible

lograr una velocidad de transmisión de más de 400 Gbps sobre la fibra óptica existente,

de acuerdo a esta compañía este chip puede lograr una tasa de transmisión de 100 Gbps

sobre cables de fibra óptica que cruzan todo el pacífico.

Sin embargo esto es todo, Ciena está ofreciendo un API (una API representa un interfaz

de comunicación entre componentes software), para programar el chip, de esta forma es

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posible aumentar o disminuir la tasa de transmisión mediante software, esto significa que

las redes programables se encuentran a la vuelta de la esquina. Este tipo de chip podría

hacer que los esquemas de modulación en las redes de fibra óptica fueran mejores y se

realizaran con suma facilidad, de esta forma se puede lograr una mejor y mayor

transmisión de datos.

4.1.2. Método de la frecuencia ortogonal multiplexada.

Un investigador de NEC Laboratories (de Princeton, Nueva Jersey) con nombre Dayou

Qian compartió cómo se las arregló para transferir 101.7 terabits de datos por segundo a

lo largo de 165 kilometros de fibra óptica.

El truco implicó el uso de pulsos de 370 tipos de láseres de forma separada dentro del

impulso recibido por el receptor. Cada láser emitió en su espectro de infrarrojo, y cada

pulso de luz era más variado porque contenía varias polaridades, fases y amplitudes de

onda de luz diferentes para poder codificar cada paquete de información a la vez y

también multiplicarla.

El método usado lleva el nombre de frecuencia ortogonal multiplexada, y se basa en la

colocación de una serie de lásers que se emplean para codificar paquetes de información

en cada uno de los colores   del espectro, lo que permite enviarlos eficazmente  a través

de fibra óptica. Para finalizar el proceso un grupo  de decodificadores recibe el paquete de

información para decodificarla casi instantáneamente.

Increíblemente la tasa de transferencia sólo está limitada al número de lasers usados para

aplicar la técnica de transferencia, de hecho  esta investigación ya ha logrado

satisfactoriamente la transferencia de hasta 100 terabytes por segundo.

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Figura 4: Método de frecuencia ortogonal multiplexada

Uno de los problemas que existe es que esta técnica radica en los altos costos que

requieren para usarse, esto sin nombrar el altísimo consumo que se necesita para activar

el proceso, por esa los investigadores eligieron el uso de un solo láser que envíe pulsos

de corta longevidad cargados con un número determinado de colores. Cuando las señales

son mandadas a través de la fibra óptica, los colores tienen la posibilidad de combinarse 

en más de 325 combinaciones diferentes. Cada combinación puede ser cargada con un

suministro de información.

Este método de transmisión puede llegar a ser una opción muy interesante para los

grandes centros de datos con los que cuentan actualmente empresas como Google,

Facebook o Amazon, entre muchos otros, con necesidad de interconectar su

infraestructura de la forma más eficiente.

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La tecnología para recombinar colores puede ser cómodamente adaptada a un chip de

silicio, por lo tanto existen grandes posibilidades de que esta técnica de transferencia de

información por láser llegue al ámbito comercial muy pronto.

4.1.3. Método de múltiples núcleos de luz.

Otro investigadorJun Sakaguchi del Instituto Nacional de Información y Tecnología de

Comunicaciones destacó que en Tokyo también han llevado a cabo pruebas con 100

terabit de datos, utilizando un método diferente. En lugar de emplear una fibra con un

único núcleo de luz guía, su equipo desarrolló una fibra con siete hilos de transmisión. De

esta forma, cada núcleo es capaz de transportar hasta 15,6 terabits por segundo,

sumando un total de 109 terabits por segundo. Sakaguchi destaca que ellos han

introducido una nueva dimensiones, la multiplicación espacial, para incrementar la

capacidad de transmisión.

Hay más probabilidades de que en un futuro no muy lejano podríamos navegar a

velocidades asombrosas, y transferir archivos de 1 GB en milésimas de segundo.

Pero la desventaja es que los cables de fibra con multiples núcleos son complejos de

fabricar, así como el hecho de amplificar las señales de transmisión a larga distancia

4.1.4. Método de óptica transformada de Fourier.

Un grupo de investigadores fijó un nuevo récord en transmisión de datos, vía un rayo

láser, alcanzando 26 terabits por segundo.

El truco consiste en utilizar lo que se conoce como "óptica transformada de Fourier" para

distinguir más de 300 colores diferentes en una rayo láser, cada uno codificado con su

propia cadena de información.

Las primeras tecnologías de cables de fibra óptica que se usaron codificaban las cadenas

de datos como "curvas" en cada color de luz enviando una a la vez.

Pero ahora nuevas técnicas usan varios láser para codificar diferentes cadenas de datos

en diferentes colores de luz enviándolos todos al mismo tiempo a través de un cable de

fibra óptica. En el punto que recibe los datos también hay osciladores láser que son

capaces de distinguir cada señal, revirtiendo así el proceso.

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Aunque la capacidad de transmisión de datos está limitada por la cantidad de rayos láser

disponibles, los costos son altos ya que tien requisitos técnicos y económicos

desmesurados.

Se logro comprobar un experimento de transmisión de 100 terabits por segundo, según la

BBC.

El problema es que no tenían sólo un láser, tenían algo como 370 láser lo que es algo

increíblemente costoso. Son 370 rayos láser que llenaban varios estantes y consumían

varios kilowatts de energía.

Pero se está buscando la manera de crear tasas de transmisión de datos similares,

usando sólo un rayo con pulsos extremadamente cortos. Dentro de estos pulsos hay un

número de colores discretos de luz que se conocen como "peine de frecuencias".

Cuando estos pulsos se envían a través de fibra óptica, los distintos colores pueden

agregar o quitar datos y combinarlos creando cerca de 325 diferentes colores en total,

cada uno de los cuales puede ser decodificado en forma independiente.

Pero en el punto de recepción de los datos, los métodos tradicionales para separar los

colores no funcionaron. En el experimento actual, el equipo envió las señales a través de

un cable de fibra óptica de 50 km de largo y después implementaron la óptica

transformada de Fourier para distinguir cada cascada de datos.

La óptica transformada de Fourier es un conocido truco matemático que puede extraer los

diferentes colores de un rayo de información basándose únicamente en los momentos en

los que llegan las diferentes partes del rayo.

El equipo logró esto en forma óptica y no matemática logrando separar el rayo de llegada

en diferentes rutas dependiendo de su hora de llegada, juntándolas de nuevo en un

detector.

De esta manera, reunir los datos de diferentes colores se resuelve observando el

momento en el que llega cada dato en un diferente color.

Es posible que esta técnica pueda extrapolarse a un chip de silicio -como los que se usan

en los procesadores de las computadoras- lo que aumentaría las posibilidades de su uso

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comercial. Aunque la idea es compleja los investigadores creen que podrá implementarse

en la medida en que la innovación busca mayores velocidades de transmisión de datos.

4.2. Material utilizado para transmitir terabyte en fibra óptica.

4.2.1 Núcleo de vidrio.

Una fibra óptica no es más que un larguísimo filamento de vidrio, tan fino que es

perfectamente flexible, debidamente protegido por una camisa plástica. A través de estos

haces se transmiten, mediante un láser acoplado, señales luminosas que se detectan en

el destino.

Para tener una gran capacidad de transmisión a larga distancia, la fibra debe tener unas

características muy particulares. La fabricación de fibra óptica es un proceso de alta

tecnología. Tengamos en cuenta que el grosor estándar de la fibra es 125 micras

(aproximadamente el doble que un cabello humano) y el núcleo es de unas 8 micras (en

fibras monomodo, que son las usadas para comunicaciones a larga distancia). Y

evidentemente, es crítico mantener la pureza y la regularidad del núcleo.

Todo ello convierte la fabricación de fibra en un proceso complicado. Sin embargo, el

fundamento es sencillo. Se trata de construir grandes tubos de vidrio que reproducen a

escala macroscópica la estructura de la fibra. Estos tubos se llaman preformas.

Posteriormente, la preforma se va fundiendo y estirando hasta que obtenemos un

filamento alargado cuyo fino diámetro reproduce a escala microscópica la preforma

original.

El proceso de fabricación de las preformas no es en absoluto sencillo ya que

evidentemente no estamos hablando de simple vidrio, sino de unas características muy

concretas y una extrema pureza.

El proceso parte de barras de vidrio huecas, que se bañan en un gas que contiene las

partículas de lo que será el futuro núcleo. Calentando hasta mil grados, estas partículas

comienzan a fundirse hasta que el tubo hueco colapsa y forma una vara maciza con la

estructura deseada: la preforma.

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Una vez hechas las preformas, se colocan verticalmente y se calientan hasta que se van

fundiendo formando un hilillo continuo. De una preforma se sacan kilómetros y kilómetros

de fibra. Este proceso, a pesar de la sencillez de la idea, es muy complejo y delicado, ya

que hay que garantizar que el flujo se mantiene constante, que el hilo mantiene un grosor

de 125 micras y que no se producen tensiones excesivas. Durante esta fase además se

aprovecha para crear una capa protectora sobre el vidrio.

La fibra óptica se enrolla en grandes bobinas. Las grandes redes de comunicación usan

haces de varias fibras agrupadas en un cable tan grueso como un cable eléctrico pero

capaces de transmitir una cantidad de información mucho mayor, a distancias muchísimo

mayores y con un menor gasto de potencia.

Figura5: Estirado de la preforma

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Figura6: Fabricación de la preforma

4.2.2. Núcleo de Seleniuro de Zinc.

Un método para mejorar el material para transmitir en terabytes es la sustitución del

núcleo de vidrio de sílica de las fibras ópticas con seleniuro de zinc. Esta nueva clase de

fibra óptica inventada y creada en la Universidad de Penn State permitirá una

manipulación más efectiva y liberal de la luz. De hecho esta tecnología podría tener

aplicaciones en campos diversos como la defensa, la medicina y el monitoreo ambiental.

El líder del proyecto, el profesor John Badding, dice que el ordenamiento de los átomos

en el vidrio es al azar, lo cual impide el libre paso de la luz a través de él. Por otra parte,

sustancias cristalinas como el seleniuro de zinc, cuentan con una estructura atómica

altamente ordenada, lo que permite que la luz sea  transportada a mayores distancias y

en longitudes de ondas más amplias. Para hacer estas fibras, los científicos trabajaron

con capilares de vidrio huecos. Empleando una técnica única de deposición química a alta

presión, fueron capaces de depositar el seleniuro de zinc dentro de estos capilares

creando un núcleo formado enteramente por este material.

Hasta ahora se ha observado que estas nuevas fibras funcionan mejor que las

convencionales a la hora de cambiar el color de la luz. Cuando las fibras ópticas

tradicionales se usan para señales, imágenes y arte, no siempre es posible obtener los

colores deseados. No obstante, el seleniuro de zinc, empleando un proceso llamado

conversión de frecuencia no lineal es más capaz de cambiar colores.

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Así mismo se encontró que el seleniuro de zinc no resulta únicamente superior en la

transmisión de luz visible, sino también de mayores longitudes de onda como la luz

infrarroja, la cual ha representado un reto para las fibras ópticas convencionales de vidrio.

La posibilidad de explotar estas longitudes de onda resulta interesante ya que permitirá en

un futuro producir fibras que puedan servir como láseres infrarrojos.  Por ejemplo, los

militares usan actualmente tecnología de radar láser que puede utilizar la luz cercana al

infrarrojo, en un rango de longitud de onda de 2 a 2.5 micrones. Un dispositivo capaz

emplear el infrarrojo medio (por arriba  de los 5 micrones) sería más preciso. Las nuevas

fibras con núcleo semiconductor pueden transmitir órdenes por arriba de los 15 micrones.

Esta tecnología de radar láser podría ser empleada no solo por los militares, sino también

en otras aplicaciones como la detección de sustancias tóxicas en la atmósfera o en

técnicas quirúrgicas asistidas por láser.

5. CONCLUSIONES.

-Como la tecnología va creciendo, se irán introduciendo más velocidades para hacer la

transmisión de cualquier información.

- Los terabytes son muy eficientes en la transmisión de información.

-El único problema que se vio con los métodos que se transmitieron en terabytes es el

elevado costo que éstos implican.

-Se espera que pronto se pueda utilizar esta tecnología en el mercado.

- Las velocidades de transmisión ya sea por fibra óptica o cualquier otro medio de

transmisión van evolucionando de una forma podría decirse rápida, ya que así lo

requieren los usuarios y las aplicaciones que ellos manejan, por ello estas velocidades

seguirán creciendo con el paso del tiempo.

- A medida que se manejan cada vez mayores velocidades de transmisión y datos de

mayor capacidad, se necesitan también medios de almacenamiento de mayor capacidad

y computadores y otros terminales capaces de soportar todo lo mecionado.

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6.- ANEXOS

EVOLUCIÓN DE LA FIBRA ÓPTICA

La primera prueba se realizó en AT&T en Atlanta en 1976. Los equipos de trabajo

instalaron dos cables de fibra óptica, cada uno de los cuales medía 630 metros de largo y

contenía 144 fibras, tirando de ellos a través de conductos subterráneos estándar, para lo

que se requería que los cables pudieran sortear curvas cerradas. El servicio comercial

comenzó al año siguiente en Chicago, donde un sistema de fibra óptica transportaba voz,

datos y señales de vídeo a través de 2,4 km de cables subterráneos que conectaban dos

oficinas de conmutación de la compañía telefónica de Illinois Bell Telephone Company.

Estas primeras generaciones de sistemas podían transmitir luz a varios kilómetros sin

repetidor, pero estaban limitadas por una atenuación de aprox. 2 dB/km. Pronto apareció

una segunda generación de fibra, usando los nuevos láseres de InGaAsP que emitieron a

1.3 μm, donde la atenuación de la fibra era tan baja como 0.5 dB/km, y la dispersión del

pulso reducida a 850 nm.

En 1983 MCI, una de las grandes compañías de larga distancia en los Estados Unidos fue

la primera en tender una Red Nacional de Fibra óptica en los Estados Unidos.

A fines de los años ochenta, los sistemas tendían a operar a mayores longitudes de onda.

La fibra de dispersión desplazada (DSF), se introdujo en 1985, y anunció una nueva era

en las comunicaciones ópticas. Uniendo el mínimo de atenuación en la ventana de

1,550nm con dispersión cero en la misma longitud de onda, mayores velocidades de

datos podrían llevarse a distancias mayores.

En 1978, el total de fibra óptica instalada en el mundo era solamente de 960 km. En 1980,

AT&T presentó a la comisión federal de comunicaciones de EE.UU. (Federal

Communications Commission) un proyecto de sistema que conectaría las principales

ciudades del corredor de Boston a Washington. Cuatro años después, cuando el sistema

comenzó a funcionar, su cable de menos de 1 pulgada (2,5 cm) de diámetro,

proporcionaba 80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas simultáneas.

Para entonces, la longitud total de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos

alcanzaba 400.000 km, suficiente para llegar a la Luna. Pronto, cables similares

atravesaron los océanos del mundo. El primer cable transatlántico comenzó a funcionar

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en 1988, usando un cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las

señales débiles se podían colocar a distancias de más de 64 km. Tres años después, otro

cable transatlántico duplicó la capacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacífico

también han entrado en funcionamiento ofreciendo un servicio telefónico fácil para el

creciente comercio entre los Estados Unidos y Asia.

En 1990, los Laboratorios Bell transmiten una señal de 2.5 Gb/s a través de 7.500 km sin

regeneración. El sistema usaba un láser solitón y un amplificador EDFA que permitía a la

onda de luz mantener su forma y densidad. En 1998, los mismos laboratorios Bell

transmitieron 100 señales ópticas de 10 Gb/s por una sola fibra de 400 km. En este

experimento, gracias a las técnicas WDM (wave-division multiplexing) que permite

combinar múltiples longitudes de onda en una sola señal óptica, se incrementó la

capacidad de transmisión de una fibra en un terabit por segundo (1012 b/s).

ESQUEM A DE UN ENLACE DWDM

Figura 7:Esquema de un enlace DWDM

- El OTM (Optical Terminal Multiplexer) multiplexa en transmisión y demultiplexa en

recepción la totalidfad de canales ópticos del enlace instalados. El componente

encargado de inyectar las distintas fuentes sobre la misma fibra es el multiplexor,

el de separarlas el demultiplexor y el de regenerarlas a nivel {óptico el amplificador

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y el de adaptar las longitudes de onda recibidas a una longitud de onda estándar

es el trnspondedor.

- El OLAS (Optical Line Amplifier) amplifica la señal DWDM conjunta en el dominio

óptico para su transporte a largas distancias.

- El OADM (Optical Add & Drop Multiplexer) extrae información de un determinado

canal óptico, e inserta nueva información reutilizando dicho canal, sin alterar el

resto de canales multiplexados y sin ningún tipo de conversión electroóptica.

Figura 8:Espectro señal DWDM bandas C y L

Figura 9:La escala de WDM

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