DISPERSIÓN POR MODO DE POLARIZACIÓN (PMD) EN REDES TRONCALES DE FIBRA OPTICA

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1 DISPERSIÓN POR MODO DE POLARIZACIÓN (PMD) EN REDES TRONCALES DE FIBRA OPTICA Hugo Zamora Farias Departamento de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería Universidad de Santiago de Chile Avda. Ecuador 3519 Santiago Chile RESUMEN - Se presentan los principales conceptos que tienen relación con la Dispersión por Modo de Polarización y se analiza la importancia de realizar mediciones de éste parámetro en sistemas troncales de fibra óptica. Mediciones periódicas de PMD permiten conocer el comportamiento de las características optoelectronicas de las fibras ópticas permitiendo conocer con antelación los tramos de cable que presentarán una vida útil menor a lo esperado como consecuencia de esfuerzos indebidos a que se puede haber sometido las fibras. Mediciones realizadas en sistemas instalados de fibra óptica demostraron diferencias importantes en cables que estuvieron sometidos a esfuerzos importantes durante su instalación o durante su vida útil en comparación con otros que por su tipo de tendido no han estado sometido a esfuerzos de importancia INTRODUCCION Los sistemas nacionales de fibra óptica, a nivel troncal, se implementaron a inicios del año 199 de acuerdo a los desarrollos ya probados en otros países, es decir multiplexión y transmisión PDH (Plesiochronous Digital Hierachy), fibra monomodo standard ITU- T G.65 con dispersión nula en 1310 nm., y longitud de onda en la tercera ventana de 1550 nm. Las velocidades de transmisión dependiendo de la topología de las redes correspondieron inicialmente a 140 Mbps. y 565 Mbps. A partir de 1995 las principales empresas portadoras del país iniciaron los estudios para incorporar la tecnología SONET/SDH en los enlaces troncales, y en la actualidad ya se cuenta con Redes Troncales entre Arica y Puerto Montt, con sistemas de multiplexión y transmisión en 155, 6 y.488 Mbps, que corresponde a la jerarquía STM -1, STM -4 y STM -16 de la tecnología SDH. La Dispersión por Modo de Polarización (PMD: Polarization Mode Dispersion) corresponde a un tipo de dispersión temporal que afecta negativamente a una señal digital al ser transmitida por una fibra óptica, similar al caso de la dispersión modal y dispersión cromática. El objetivo específico de este trabajo es presentar los efectos que tiene este tipo de dispersión en los enlaces troncales de fibra óptica ya instalados en el país bajo las nuevas exigencias de velocidades, y particularmente analizar mediciones en las redes troncales de ENTEL. Los resultados permiten conocer si es posible aumentar la velocidad de modulación en los enlaces de salida principales desde Santiago hacia el norte y sur del país. El estudio de este fenómeno y sus implicancias en el diseño de redes modernas de transmisión permite además mejorar las técnicas de instalación para no producir microfisuras, aplastamiento, tensiones excesivas, etc. durante la instalación de los cables de fibra óptica, todo lo cuál sumado a imperfecciones del proceso de fabricación como asimetrías de circularidad del núcleo y manto (cladding) etc. producirá dispersión por modo de polarización que desmejorará la transmisión sobre todo en enlaces troncales. La realización de mediciones de PMD y su análisis permite planificar mejor el crecimiento y desarrollo futuro de los enlaces, mejorando la toma de decisiones en la introducción de nuevas tecnologías de transmisión, tales como TDM, WDM, DWDM, etc. Desde el punto de vista social, el estudio y mediciones de este parámetro significará ahorros de inversión al utilizar en forma eficiente y eficaz los enlaces más antiguos de fibra óptica que se han instalado en las redes nacionales y que son los mas afectados por este fenómeno.

2 DISPERSIÓN POR MODO DE POLARIZACIÓN La Dispersión por Modo de Polarización (PMD) en una fibra monomodo, es el resultado de la diferencia de velocidades de grupo de los modos de polarización correspondiente al modo LP01. Este efecto produce una combinación aleatoria de diferentes modos de polarización en la fibra óptica, y empieza a ser importante cuando las velocidades de modulación están cerca o superan los.5 Gbps. Este tipo de dispersión debe medirse durante el proceso de fabricación, durante el proceso de cableado y después de la instalación ya que las curvaturas y los puntos de tensión son las causantes principales de este tipo de dispersión. La PMD puede aumentar sí el cable sufrió durante la instalación, esfuerzos no recomendados, lo que significa que no se podrá incrementar en forma simple la velocidad de los enlaces si no se ha calculado o medido este nuevo parámetro, con los consiguientes efectos de disponer de redes de cables de fibra óptica que no se podrán utilizar mas allá de un 30% o 40% de la vida útil del cable por no poder aumentar la velocidad de modulación. Se han realizado mediciones de este fenómeno en Suiza y algunos países europeos, y se ha demostrado que valores menores o iguales a 0,3 (ps/ Kms.) se pueden considerar normales, y valores mayores o iguales a 1 (ps/ Kms.) deben considerarse no aceptables. [1], [], [ 3 ]. Los valores anteriores pueden variar de una fibra a otra en un mismo cable, por lo cual es necesario controlar al máximo el proceso de fabricación y posteriormente su instalación para asegurar no producir esfuerzos mayores a los recomendados que puedan significar una deformación en las fibras, y consecuentemente la imposibilidad de utilizar estas fibras con velocidades superiores. La atenuación que sufre la señal óptica es afectada por los esfuerzos mecánicos, excesivos radios de curvatura, o algún esfuerzo mecánico mayor que el recomendado. Estos esfuerzos también pueden afectar el valor de la dispersión de polarización en más de un orden de magnitud, por lo cual la PMD no debe ser considerada solo como un retardo de la señal, sino más bien como una distribución estadística de retardos. Para medir la dispersión de polarización, se debe tener presente que es muy difícil lograr un resultado en tiempo real, dada las altas frecuencias que están presentes en la transmisión, sin embargo, se puede considerar a la fibra óptica como un material birrefringente que es perturbada en forma aleatoria por dos rayos de luz con velocidades diferentes que dependen de dos estados de polarización originados por la fibra. Se puede asumir que en cada posición a lo largo de la fibra, una parte de la energía estará en el modo rápido y el resto en el modo lento, es decir, la energía se divide en dos modos de propagación los cuales son perturbados simultáneamente cuando se produce el fenómeno de la PMD. En la actualidad existen instrumentos para medir la PMD, con lo cual es posible iniciar el estudio de las redes ya instaladas e investigar la factibilidad de aumentar en el corto plazo las velocidades de modulación, además de intentar proponer algunas soluciones para casos en que la PMD supere los valores recomendados indicados anteriormente. Se recomienda realizar mediciones de este parámetro a las redes ya instaladas para definir si a futuro podrán transmitir velocidades de STM 16 o STM 64 correspondiente a.5 o 10 Gbps. respectivamente. Las mediciones se deben además realizar en forma periódica ya que el fenómeno de la PMD es cambiante en el tiempo, luego se recomienda establecer métodos periódicos de evaluación. El efecto de la polarización de la luz tiene gran importancia en las fibras ópticas en cuyo caso el índice de refracción y la geometría del núcleo afectan de alguna manera la polarización de la luz que se propaga por este medio físico de transmisión. Birrefringencia El fenómeno de la birrefringencia es la causa primaria de PMD y se produce por una anisotropía o asimetría del medio de propagación y normalmente ocurre en los cristales debido a la asimetría de los componentes químicos. En forma similar en los materiales isotrópicos se produce una asimetría atómica cuando se aplican fuerzas externas mecánicas, eléctricas o magnéticas. Cuando la luz se propaga en un material birrefringente se originan dos polarizaciones ortogonales entre sí y perpendicular a la dirección de propagación dando como resultado una dispersión temporal de la señal transmitida. Esta dispersión que afecta negativamente a una señal modulada se traduce en tiempos de recepción de la señal mayores o menores que el tiempo promedio de recepción que finalmente se traducen en errores de la señal recibida. La dispersión temporal antes señalada puede alcanzar tal importancia que el receptor no podrá distinguir la información, por lo cual se deberá medir y minimizar su efecto. En la Figura 1 se puede apreciar la diferencia entre la onda lenta y rápida para el caso de una fibra ideal y una fibra real.

3 PMD Figura 1 PMD en fibra ideal y real La birrefringencia se define como la diferencia entre los índices de refracción efectivos que ven los dos modos fundamentales polarizados ortogonalmente. Esta diferencia entre los índices de refracción o entre las velocidades de grupo de los dos modos polarizados, crea diferentes constantes de propagación para las dos polarizaciones, lo que resulta en un tiempo neto de retardo. La fibra óptica es intrínsicamente anisotrópica es decir en forma natural se produce una birrefringencia lo que indica que una fibra óptica puede modelarse como la suma de dos estructuras birefringentes localizadas al azar. La polarización afecta la velocidad de propagación fundamentalmente debido a la birrefringencia del medio de transmisión, produciéndose como consecuencia un acoplamiento de modos de transmisión. Una birefringencia constante significa que a lo largo de la fibra existirán dos velocidades para la luz dependiendo de dos estados de polarización, que producen perturbaciones aleatorias en intensidad y posición mezclándose ambas, e intercambiando energía entre la señal más lenta y la más rápida y viceversa. En este caso tenemos una fibra con dos parámetros que corresponderían a la birefringencia media de la fibra que la denominaremos D, y a la longitud del acoplamiento de los dos estados de polarización denominado h. Se define h como la longitud o largo después de lo cual la mitad de la energía de un modo es intercambiada con el otro modo. Los dos parámetros D y h determinan el ensanchamiento cuadrático medio de distribución de retardos dt causado por la dispersión de polarización después de un largo l de la fibra óptica. Es decir: h = l / h (l / h 1+ e Si la longitud del acoplamiento h es muy grande comparado con el largo de la fibra l, entonces se puede despreciar el acoplamiento y se obtiene para h>>l: ) = l Por el contrario si la longitud del acoplamiento h es muy pequeño comparado con el largo de la fibra l entonces: = h l / h Imaginemos ahora un pulso de luz coherente que se mueve a lo largo de la fibra. En la primera parte la coherencia de la luz es despreciable y por lo tanto toda relación de fase. A medida que se avanza en la dirección de propagación una parte de la energía del pulso estará en el modo rápido y el resto en el modo lento. Las perturbaciones que encuentre el impulso al propagarse aumentará la diferencia entre la energía que se propaga en el modo lento y rápido y por lo tanto se producirá un retardo acentuado entre ambos modos. Lógicamente las perturbaciones se presentan en forma aleatoria y será evidente que la máxima energía estará en el modo rápido.

4 Las unidades en la cual se expresa el PMD dependerá entonces del modo de acoplamiento del sistema bajo prueba. El modo de acoplamiento corresponde al intercambio de energía entre los principales estados de polarización. El PMD se expresa normalmente en picosegundos si el modo de acoplamiento es débil o despreciable o corresponde a componentes discretos. También se expresa como coeficiente PMD en ps/km para fibras de un largo conocido. Para acoplamientos fuertes o aleatorios el PMD se expresa en ps/ Kms. 3 MEDICIONES DE PMD EN CABLES INSTALADOS Para la realización de las mediciones se consideró la disponibilidad de fibras libres en la ruta Santiago Concepción de la red troncal de ENTEL. Esta red se encuentra en tráfico desde 199 y de los 1 pares del cable se utilizan algunos en redes regionales para servir el tráfico de ciudades menores, otros son de respaldo para ENTEL o terceros, por lo tanto en la mayor parte de los tramos solo se disponía de uno o dos pares libres. La Red Santiago Concepción corresponde a la primera ruta instalada en el país de ésta empresa, con cables fabricados entre 1988 y 1990 y que se instalaron a partir de 199. Las mediciones se realizaron entre los meses de octubre de 000 y febrero de 001, obteniendo para cada tramo los valores de PMD para diferentes períodos de medición, en solo un sentido de transmisión. Para cada tramo se consideró el tipo de fibra, fabricante, tipo de tendido (Soterrado, Aéreo, etc.), fecha de instalación, cantidad de empalmes a la fecha de medición, tipo de empalme (mecánico o fusión), y atenuación promedio de empalmes. Toda esta información es de suma importancia para la comparación de resultados y conclusiones en el caso de obtener valores de PMD superiores a lo esperado para cada tramo. El instrumento disponible para las mediciones en las redes de ENTEL utiliza el método Interferométrico (Interferómetro de Michelson) y está compuesto de una fuente láser de 1550 nm y un detector. El método fue aprobado en Abril de 1999 por la TIA en la norma EIA/TIA y adoptado por la ITU-T en la recomendación G.650. El instrumento para realizar la medición final, promedia el PMD de todas las longitudes de onda de la fuente. Los valores posibles de medir están comprendidos entre 0,05 y 35 ps. y con un modulo complementario se puede medir PMD de hasta 80 ps. El tramo en estudio y planificado para la medición entre Santiago y Concepción se instaló a partir de 199, y en su totalidad se utilizó cable soterrado de 4 fibras monomodo G.65 con una atenuación promedio de 0,1 db/km a 1550 nm. Valores Obtenidos por tramo En la siguiente tabla se presentan los valores obtenidos de DELAY en ps. y de COEFICIENTE PMD medido en ps/km. (Se indica además la fibra medida) Este último valor está normalizado en Kms. y no en Kms ya que el instrumento en forma automática determina si el acoplamiento es débil o fuerte (Weak Strong). En éste caso la medición corresponde a un acoplamiento débil por los valores bajos de PMD obtenidos. Los datos obtenidos del resto de los tramos permite caracterizar en buena forma el comportamiento de PMD en la primera ruta de fibra óptica instalada en la red troncal de ENTEL.

5 4 CONCLUSIONES Al observar los valores medidos en la red Santiago Concepción se puede concluir que la Dispersión por Modo de Polarización (PMD), está en valores normales y por debajo de los máximos permitidos. El hecho de que estos valores sean bajos, solo es una muestra de la situación al momento de la medición, es decir Octubre 000 a Marzo de 001. El valor de PMD es aleatorio y su valor puede aumentar o disminuir con el paso del tiempo y con las condiciones de tendido del cable. El valor promedio es el que mejor refleja la situación actual de un tramo en particular, sin embargo es de especial importancia observar los valores máximos que pueden alcanzarse en algunos tramos ya que ello permite detectar una degradación particular de ese tramo que puede estar sometido a esfuerzos mayores a los recomendados. Si observamos los valores máximos del gráfico anterior se puede observar que estos corresponden a los tramos Talca-Linares y Linares-Parral, con valores cercanos a los 0,14 ps/ Km. y los valores promedios están en torno a 0,07 ps/ Km. Estos tramos corresponden a aquellos que han estado sometido a múltiples esfuerzos y cortes por trabajos que se realizaron en la doble calzada de la ruta 5 Sur entre 1997 y el año 000, por lo tanto los valores obtenidos están dentro de la lógica para este tramo, y sus resultados eran esperados. Las mediciones se realizaron en promedio a los 8 años de instalado el cable y se espera que en función de los datos entregados por los fabricantes el cable tenga una vida útil de 15 a 18 años por lo tanto deberá observarse con periodicidad el comportamiento de los valores de PMD en los próximos años de vida útil del cable. En la medida que un tramo aumente los valores promedios o máximos, deberán realizarse mediciones con mayor periodicidad para anteponerse a obtener valores mayores a 3 ps/ Km. Este valor representa el límite de lo recomendado para sistemas de.5 Gbps. 5 - REFERENCIAS [ 1 ] B Perny. Swiss Telecom PMD Specification ETSI STC TM1/WG1 Swiss Telecom Oslo, Norway, May 6-10, 1996 [ ] B Perny. N. Gisin Information on PMD Statistics ETSI STC TM1/WG1 Swiss Telecom Oslo, Norway, May 6-10, 1996 [ 3 ] N. Gisin, COST 41 Group, Definition of Polarization Mode Dispersion and First Results of the COST 41 Round-Robin Measurements Pure Appl. Opt. 4, pp (1995) [ 4 ] N. Gisin, Y. Salama University of Geneva and M. O. Hongler of Universitat Bielefeld, Polarization Mode Dispersion for single mode fibers with polarization dependent losses Septem ber AUTORES Hugo Zamora Farias es Ingeniero Civil Electricista, y Magister en Telecomunicaciones de la Universidad de Santiago de Chile. Desde 1981 se ha desempeñado como Especialista en Sistemas de Transmisión de Datos y Sistemas de Fibra Optica en ENTEL S.A. Actualmente es profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica de la USACH.