Universidad Nacional Autónoma de México
Dirección General de Servicios de Cómputo Académico
Año 7 Núm. 74, Publicación Mensual, 27 de Noviembre de 2008

ARTÍCULOS

 

Año 4, Número 36, Febrero de 2005

Redes ópticas el futuro de las telecomunicaciones

Mauricio Juárez Orta

 

Hoy en día es espectacular la forma en que la fibra óptica ha ganado terreno en el área de las telecomunicaciones, esto debido a la capacidad de transmitir grandes cantidades de información con mínimas pérdidas o requerimientos de potencia. Las fibras ópticas son guías de luz que tienen el grosor de un cabello humano, y poseen la capacidad de transmitir a grandes distancias, por su característica de mínima pérdida de potencia durante la transmisión de una señal. Transportan la información por medio de ondas luminosas y no mediante electricidad, lo que evita la interferencia de ruido eléctrico y degradación de la señal. La fibra óptica es un filamento de plástico o cristal de alta pureza constituido por dos cilindros concéntricos con índices de refracción distintos; siendo el índice de refracción la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en otro medio. Dicho índice de refracción es una propiedad característica de cada medio.

Gracias a fenómenos ópticos, la fibra es capaz de transportar información empleando señales luminosas. Por lo general, las transmisiones se realizan con rayos infrarrojos aunque existen transmisores en el rango de la luz visible conocidos como LEDs.

La construcción de la fibra óptica es sencilla, consta de un núcleo rodeado por un material llamado revestimiento. El índice de refracción del núcleo es mayor que el del revestimiento, lo cual permite que exista reflexión total interna. Cuando un haz luminoso dentro de un medio como agua o vidrio se aproxima a la superficie con un cierto ángulo, toda la luz se refleja hacia atrás dentro del medio. Este fenómeno se llama reflexión total interna. Si se logra insertar un haz luminoso dentro de una varilla de vidrio, y se hace que dicho haz incida en la superficie de la varilla con un ángulo adecuado, entonces no existirán rayos refractados y todo el haz de luz será reflejado hacia dentro; si se logra que dicho rayo incida nuevamente sobre la superficie de la sustancia con un ángulo mayor que c, entonces el mismo viajará dentro de la varilla hasta el extremo opuesto.

Las enormes ventajas de la fibra óptica en comparación con los cableados de cobre y las transmisiones satelitales la hacen ser, hoy en día, la mejor opción para realizar enlaces de larga distancia. En la actualidad, la mayor parte de las comunicaciones intercontinentales se realizan a través de cables ópticos submarinos que, depositados en el fondo de los océanos, tejen una verdadera red alrededor del planeta. De este modo, las fibras ópticas han sustituido completamente a los cables coaxiales que, a diferencia de las fibras, transportan electricidad por un alambre de cobre rígido como núcleo, rodeado por varias capas de materiales como lo son un dieléctrico, una malla metálica y, finalmente, un material plástico que sirve de protección. El material dieléctrico define, en gran medida, la velocidad de transmisión que un coaxial alcanza.

La siguiente tabla muestra las características de velocidad de algunos dieléctricos en comparación con la velocidad de la luz, misma que es de 300 mil kilómetros por segundo.

Material dieléctrico
% Velocidad
Velocidad (Km/s)
Polietileno sólido
65.9%
197,700
PTFE
(Politetrafluoroetileno) sólido
69.4%
208,200
Polietileno
espumoso
80%
240,000
PTFE
(Politetrafluoroetileno) espumoso
85%
255,000

Para el usuario, un beneficio notorio del uso de las fibras ópticas en las comunicaciones telefónicas intercontinentales, fue la desaparición en 1988, del tiempo muerto de 0,4 segundos, debido a los enlaces vía satélite. Sin embargo, la real explotación de las fibras ópticas está todavía en camino.

Aunque existen actualmente ciudades en el mundo, particularmente en Japón y Estados Unidos, donde la fibra óptica ya llega a los hogares, resulta difícil pensar que en un futuro cercano se lograrán tener conexiones de fibra óptica en el hogar como una práctica común, esto debido a la inmensa infraestructura de las redes de cobre actuales. La sustitución de las redes de cobre no se prevé a corto y de hecho ni a mediano plazo. No obstante, la espina dorsal de las telecomunicaciones ya está constituida casi en su totalidad por fibra óptica. Mientras no exista un despliegue importante de las redes ópticas en última milla, las opciones que tienen los usuarios por lo pronto para acceso de la red en banda ancha, se limitan al uso de líneas telefónicas con tecnologías como la línea digital de suscriptor asimétrica (Asymmetric Digital Subscriber Line ADSL) y a través de la televisión por cable (TV cable). Una característica de la ADSL es el permitir el uso de la Internet a velocidades superiores a 128 kbps sin ocupar la línea telefónica.

Las investigaciones enfocadas a crear dispositivos ópticos con posibilidad de conformar una red 100% óptica continúan. La intención es aprovechar aún más las bondades de las fibras ópticas. Uno de los logros en cuanto a este tema, es el amplificador de fibra dopada con erbio que consiste en un diodo láser que trabaja a 1480 o 980 nm; por su parte, el material de la fibra se contamina con partículas de erbio, un elemento perteneciente a las tierras raras. El láser de bombeo excita los iones de erbio, obteniéndose la amplificación de la señal transmitida. Las fibras dopadas de erbio suelen ser de unos 1020 m, y pueden alcanzar ganancias de varias decenas de decibeles (dB) con una señal de bombeo de unos cuantos milivolts. Hasta la llegada de los amplificadores de fibra dopada con erbio, no existía un dispositivo capaz de amplificar señales ópticas. El proceso para amplificar las señales que viajaban por la fibra óptica, consistía en realizar la conversión óptica a eléctrica, es decir, que se debía extraer la señal luminosa de la fibra, convertir esa información a señal eléctrica, llevar a cabo el proceso de amplificación y volver a convertir la información en señal luminosa para nuevamente inyectarla en la fibra. Los regeneradores optoelectrónicos tienen la desventaja de ser muy costosos, además de limitar el desempeño del sistema, ya que cada regenerador opera con un formato de modulación predeterminada y una sola longitud de onda.

Por su parte, los amplificadores de fibra dopada con erbio, agrandan la señal sin necesidad de realizar conversiones ópticas a eléctricas, lo cual hace posible que se amplifiquen de manera simultánea todas las señales con diferentes longitudes de onda que viajen en el interior de la fibra.

En la fibra dopada con erbio, el factor de amplificación es insensible a la polarización de la señal incidente (la polarización caracteriza la dirección en la que vibra el campo eléctrico asociado a la onda luminosa). Este es un hecho esencial, ya que el estado de polarización de las señales se modifica de forma aleatoria a medida que se propagan por la fibra. Además, el amplificador no deforma las señales, las amplifica idénticas. Esta propiedad subsiste en condiciones extremas de funcionamiento. Por ejemplo, con una potencia de entrada demasiado elevada, disminuye la ganancia pero la señal no se distorsiona, a diferencia del caso de los amplificadores electrónicos.

A estos beneficios (insensibilidad a la polarización y ausencia de distorsión), se añaden la compatibilidad con las fibras estándar (sin reflexiones parásitas), las escasas pérdidas en las conexiones, el ruido mínimo, la insensibilidad a la temperatura entre -40 ºC y +60 ºC. Según las aplicaciones, la zona de ganancia explotable alrededor de la longitud de onda de 1,5 micro metros (µm) se extiende de 100 a 3.000 GHz.

Para aumentar la cantidad de información transportada en las fibras ópticas, esto es, el aumento del caudal, se usan la técnica de multiplexado y de conmutación. El multiplexado consiste en transportar por un mismo medio físico, en este caso una fibra óptica, las señales destinadas a un gran número de usuarios. El demultiplexado es el proceso inverso, es decir, extraer de un medio físico a través del cual viajan varias señales, la señal destinada a un usuario en particular. La conmutación es una operación de direccionamiento a nivel de la red global, por lo que cada destinatario recibe al final de la línea, la información que se le envía. Una de las técnicas de multiplexado óptico actuales se conoce como WDM (WavelengthDivision Multiplexing), que consiste en enviar varias señales luminosas de diferentes longitudes de onda, simultáneamente, por la misma fibra.

El multiplexado y demultiplexado en longitud de onda se efectúan por medio de componentes ópticos pasivos, de modo similar a la descomposición y la recomposición de los colores del arco iris por un prisma. Cuando se hace incidir luz en un prisma de cristal, éste descompone la luz y refleja los colores del arco iris, o sea, que el prisma separa los componentes de la luz de acuerdo con su longitud de onda en azul, amarillo, rojo, etc. El multiplexado en longitud de onda también abre perspectivas de direccionamiento óptico en las redes; de esta manera, las comunicaciones se podrán dirigir de una vez por todas en tal o cual dirección según su longitud de onda. Por ejemplo, en las redes con encrucijadas, algunos países recibirán las longitudes de onda cortas y otros las largas: un direccionamiento automático de gran sencillez. Todas las grandes redes por instalar, se basan en la técnica de WDM.

La técnica de multiplexación densa en longitud de onda DWDM (Dense Wave Division Multiplexing) se basa en la existencia de ciertos rayos láser que disparan bandas múltiples de luz a través de una sola fibra óptica, cada banda de luz tiene su propio color (longitud de onda) diferente a las demás. Los primeros sistemas de este tipo dividían a la fibra en ocho colores; los sistemas comerciales actuales permiten aumentar la capacidad de la fibra en 16 y hasta 32 veces. Cada color diferente es capaz de completar o transportar hasta 120 mil llamadas; los sistemas más novedosos son capaces de enviar por una fibra hasta 128 colores, fabricantes como Lucent® han realizado pruebas en sistemas y han llegado a producir hasta 1,022 colores, en pocas palabras, una sola línea de fibra óptica puede ahora transportar de 120 mil llamadas hasta el impresionante número de 12 millones. Los expertos confían en que este número puede llegar a los 100 millones en los próximos años.

La diferencia entre las redes de comunicaciones basadas en cobre y las redes diseñadas con cables de fibra óptica son enormes. Con un solo hilo de fibra óptica se podrá tener acceso a Internet hasta mil veces más rápido que con la línea telefónica actual, veremos una televisión de forma interactiva y dispondremos de novedosos servicios de telefonía básica, donde se nos permita un contestador de voz para cada miembro de la familia. Y es que el cable de fibra óptica representa una tecnología de avanzada que permite transmitir una cantidad de información prácticamente ilimitada, con un costo mínimo de operación, sin importar si ésta se envía a cortas o a largas distancias. Las ventajas de la fibra óptica con respecto al hilo de cobre que usan actualmente muchas empresas de telecomunicaciones en todo el mundo, no se limitan a la rapidez, sino que también ofrecen mejor calidad. Por ejemplo, si con el cobre se pueden transmitir 14 mil 400 conversaciones telefónicas a la vez, la fibra óptica permite, simultáneamente, hasta tres millones y medio de llamadas sin interferencias eléctricas ni de radio. Sin embargo, a pesar de estas múltiples ventajas, la penetración del cable de fibra óptica en última milla es todavía muy escasa, ya que hace falta desplegar una infraestructura que requiere tiempo e importantes inversiones, las cuales no se recuperarán rápidamente, lo que hace que muchas empresas del ramo, no se decidan a invertir en estos cambios tecnológicos.

Ahora bien, lo que está claro, es que conforme se logren avances respecto a procesadores, filtros y dispositivos de almacenamiento que operen bajo un esquema 100% óptico, las comunicaciones y los servicios que éstas proporcionan se verán revolucionados y la inversión en cuanto a la tecnología óptica será millonaria. La implementación de esta tecnología permitirá nuevas oportunidades de negocio: muchas empresas con poco capital podrán desarrollar nuevos servicios que lleguen a millones de personas, todo esto gracias a los desarrollos en las tecnologías para la implementación de redes ópticas.

Para mayor información:

http://people.ac.upc.es/asalaver/ipoptical1.pdf

http://www.conectronica.com/articulos/fibra53a.htm

http://www.mundo-electronico.com/PDF/Any1999/298_mayo/fotonicas.pdf

 

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