INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. Proyecto terminal de titulación. Que para obtener el título de Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Zacatenco Proyecto terminal de titulación Diseño y optimización del enlace de comunicaciones entre Los Cabos y Puerto Vallarta por medio de fibra óptica submarina Que para obtener el título de Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica Presentan: Salvador Ángeles Herrera Luis Carlos Arredondo Ugalde Nadia Marlene Martínez Bárcenas Asesor: Dr. Raúl Castillo Pérez MAYO 2008

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3 ÍNDICE Introducción 7 CAPÍTULO 1. Introducción a la fibra óptica 1.1 Notas Históricas Ventajas y Desventajas Aplicaciones de la fibra óptica Fibra óptica submarina Configuración de un sistema de comunicación submarina El primer sistema óptico transoceánico Atenuación Reflexión Refracción Dispersión 25 CAPÍTULO 2. Componentes principales de un sistema óptico 2.1 Tipos de Fibras Fibras multimodo Fibras monomodo Dispersión Cromática Seleccionando fibra óptica por sus características de dispersión Fibras de índice gradual Fibras de índice escalonado Fibras DSF Fibras NZ-DSF Fibra de dispersión compensada Dry fiber Componentes de un sistema óptico Fuentes y detectores Modulación y demodulación Conectores y empalmes WDM Multiplexores y acopladores Amplificadores 48 CAPÍTULO 3. Características básicas de un sistema de comunicaciones óptico submarino 3.1 Tipos de cables Características de una instalación submarina Repetidores Ecualizadores Unidades ramificadoras Capacidad de transmisión Modulación y esquema de multiplexaje 69

4 3.5 Equipo terminal en tierra Seguridad y redundancia Efectos no lineales 81 CAPÍTULO 4. Diseño de un sistema óptico submarino 4.1 Aspectos clave de los sistemas de largo alcance Reducción del deterioro de propagación Deterioro en la transmisión debido a los efectos no lineales Tabla de Presupuesto de Q Cálculo Típico de Espaciamiento entre Repetidores Ingeniería de Enlace en los sistemas de ondas luminosas Presupuesto del enlace Penalizaciones de Potencia Margen de Enlace Presupuesto de Tiempo de Subida Cálculo del tiempo de subida del enlace Tiempo de vida útil del proyecto Descripción del proyecto Ubicación del proyecto Sección de la ruta Sección de playa Sección marina Tipo de fibra a utilizar Cálculo del enlace por manejo de atenuación Pérdidas del enlace Pérdidas totales del enlace Margen resultante Pérdidas por envejecimiento Potencia de entrada por cada amplificador Amplificadores en aguas someras Amplificadores en aguas profundas Total degradación del sistema después de 25 años Análisis de costos 114 Conclusiones 119 Anexo de tablas 121 Referencias 125

5 ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO 1. Introducción a la fibra óptica Figura 1.1. Guías de luz. (a) Fibra de vidrio; (b) Fibra de vidrio con 10 recubrimiento y diferentes índices de refracción. Figura 1.2 Capacidades de transmisión de distintos medios 18 Figura 1.3 Componentes de un sistema óptico submarino 20 Figura 1.4 Ventanas de transmisión 21 Figura 1.5 Atenuación como función de la longitud de onda 22 Figura 1.6. Fibras monomodo vs multimodo 22 Figura 1.7 Ensanchamiento del pulso por dispersión cromática de las fibras 23 Figura 1.8 Diferentes tipos de reflexión 24 Figura 1.9 Fenómeno de reflexión 24 Tabla 1.1 Índices de refracción para medios de distintas densidades ópticas. 25 Figura 1.10 Refracción de la luz blanca en sus distintos colores, la refracción en ambas direcciones de un prisma produce mayor dispersión 26 CAPÍTULO 2. Componentes principales de un sistema óptico Figura 2.1 Componentes de una fibra óptica 28 Figura 2.2 Índices de refracción de fibras monomodo y multimodo. 30 Tabla 2.1 Fibra DSF, NZ-DSF 31 Figura 2.3 Dispersión cromática en función a la longitud de onda 33 Figura 2.4 Descripción del diseño de fibras ópticas sin dispersión desplazada (fibra monomodo convencional). (a) Índice escalonado, (b) índice escalonado con reducción en el índice de refracción. 34 Figura 2.5 Descripción del diseño fibras ópticas con dispersión desplazada. (a) Descripción del segmento con un núcleo triangular (segmento del núcleo); (b) descripción triangular; (c) Descripción del segmento con índice de refracción doble escalonado en su recubrimiento (doble recubrimiento). 34

6 Figura 2.6 Descripción del diseño de fibras ópticas con dispersión desplazada. (a) Descripción del segmento con un índice de refracción escalonado cuádruple en el recubrimiento (cuádruple recubrimiento); (b) Descripción de W (doble recubrimiento). 34 Figura 2.7 Características de la fibra All Wave 36 Figura 2.8 Detector óptico PIN 37 Figura 2.9 Fotodiodo de avalancha 37 Figura 2.10 Proceso de modulación 38 Figura 2.11 Métodos de modulación 39 Figura 2.12 Demoduladores coherentes, unidimensional y bidimensional 40 Figura 2.13 Demodulador diferencial bidimensional convencional 41 Figura 2.14 Conector FC 41 Figura 2.15 Conector SC 42 Figura 2.16 Conector ST 42 Figura 2.17 Conector LC 42 Figura 2.18 Conector MU 43 Figura 2.19 Conector DIN 43 Figura 2.20 Sistema de multiplexión 46 Figura 2.21 Multiplexor terminal 46 Figura 2.22 Multiplexor terminal doble 46 Figura 2.23 Multiplexor de Inserción/Extracción 47 Figura 2.24 Regenerador 47 Figura 2.25 Tres posibles aplicaciones de los amplificadores ópticos. a) como amplificadores en línea, b) como un booster de transmisor de potencia, c) como un preamplificador hacia el receptor. 49 Figura 2.26 a) Diagrama de Nivel de Energía de iones de Erbio en la sílica (niveles de energía de Er 3+ ). b) El espectro de absorción y ganancia de un EFDA, cuyo núcleo fue dopado con germanio. 50 Figura 2.27 Espectro de ganancia de un EDFA medido en la banda L 51

7 Figura 2.28 Representación del esquema de bombeo de un EDFA. 52 Figura 2.29 Figura de Ruido y Ganancia de Amplificador como función de la longitud de niveles de bombeo 53 CAPÍTULO 3. Características básicas de un sistema de comunicaciones óptico submarino Figura 3.1 Fibra ligera 57 Figura 3.2 Elementos de una red submarina de telecomunicaciones 61 Figura 3.3 Vista exterior de un repetidor. El diámetro y la longitud del contenedor central es típicamente de 300 y mm, respectivamente. 63 Figura 3.4 Esquema óptico de un repetidor submarino EDFA 63 Tabla 3.1 Características típicas de un amplificador submarino en banda C. 65 Figura 3.5 Circuito de control de láser 65 Figura 3.6 Vista exterior de una unidad ramificadora. La unidad central cilíndrica de color blanco contiene los componentes electrónicos y ópticos y mide típicamente 300 mm de diámetro y mm de longitud. 67 Figura 3.7 Evolución de la capacidad de transmisión de los sistemas de cable trasatlánticos junto con el tipo de tecnología utilizada. 68 Figura 3.8 Multiplexión de diferentes tributarias en la estructura SDH a nivel STM Figura 3.9 Configuración básica de terminal 74 Figura Diagrama a bloques funcional de un SLTE de 10 Gbps 76 Figura 3.11 Configuración de un EMS 79 Figura 3.12 Comparación del Desempeño del FEC 82 Figura 3.13 Automodulación de fase SPM 83 Figura 3.14 Mezclados de cuatro ondas a partir de dos señales opticas y despuescon tres (tomado de la figura /G.663, página 12, ITU-T Rec. G663. Ref, 10) 84 Figura 3.15 Espectro de un pulso después de propagarse 1km sobre la fibra el pulso a la entrada es de 100 ps con un pico de 7 W. (Tomado de la figura /G.663, page 15, ITU-T Rec. G.663, Ref. 10) 85

8 CAPÍTULO 4. Diseño de un sistema óptico submarino Tabla 4.1 Tabla de valores típicos para un presupuesto de Q para un 90 sistema submarino de transmisión DSL. Figura 4.1 Segmento entre repetidores de 75 km donde se aprecian los segmentos de fibra normal y DCF y sus respectivos valores de dispersión 98 Figura 4.2 Espaciado típico entre repetidores con una transmisión en el sistema de 64x10-Gbps 98 Figura 4.3 Se puede apreciar uno de los puntos terminales del enlace 100 de fibra óptica, San José del Cabo. Figura 4.4 Se observa el segundo punto del enlace. Zona Hotelera de 101 Puerto Vallarta Figura 4.5 Ruta propuesta para el enlace 103 Tabla 4.2 Enlace por manejo de atenuación. 109 Figura 4.6 Segmentos del enlace 110 Figura 4.7 Costo relativo del equipo de un sistema submarino en tres diferentes configuraciones. 114

9 P á g i n a 5 OBJETIVO GENERAL Realizar el diseño y cálculo de un enlace de comunicación por fibra óptica a través de un medio submarino entre Los Cabos, B.C.S. y Puerto Vallarta, Jal., con el propósito de optimizar desempeño de un sistema de su tipo. OBJETIVOS PARTICULARES Determinar los elementos básicos que participan en un sistema óptico de comunicaciones. Identificar los dispositivos y técnicas que son utilizados para la implementación de un enlace óptico submarino. Establecer los parámetros y cálculos que permiten hacer un presupuesto de enlace. Proponer mediante el avance de los estudios y de nuevas tecnologías una solución a problemas que se presentan comúnmente en el ámbito de comunicaciones por medios ópticos submarinos. Plantear una nueva ruta submarina de transmisión en el canal de comunicación, esto encaminado a lugares céntricos de la República Mexicana, con la finalidad de dar un mejor servicio al que se tiene hoy día con otros sistemas y que sea redituable a corto plazo, además de poner a un nivel primer-mundista la comunicación entre dichos lugares.

10 P á g i n a 6 JUSTIFICACION En muchos lugares del mundo se ha implantado esta forma de comunicación debido a que es más eficiente que los otros medios de comunicación, ya que presenta ventajas en términos de ganancia y de ancho de banda. Lo que se pretende es mejorar este sistema para transmitir con alta calidad voz, fax, video, texto y datos a altas velocidades, con lo que se modernizan los servicios de larga distancia del país. Los cables submarinos tienden a convertirse en el próximo medio de telecomunicación, pues proporcionan mayor seguridad que los satélites y las microondas, son inmunes a las interferencias, a las fuerzas magnéticas y a las variaciones eléctricas del fondo del mar. Ahora con la incorporación de WDM, resultan más económicas las conexiones vía cable submarino además de seguras y rápidas El mejoramiento de este sistema nos permitirá ahorrar en costos de tendidos de fibra óptica submarina, puesto que lo que se pretende es hacer cambios tal vez pequeños en cantidad pero que a largo plazo darán un ahorro importante en la economía de dicho enlace. Además de traer beneficios para los inversionistas, las mejoras que se proponen pueden beneficiar a los usuarios que contraten o utilicen dicho sistema de comunicación, esto debido a que los costos de renta sobre este sistema disminuirán, porque al bajar el costo de dicho enlace, también bajará el costo de renta sobre el mismo. En muchos lugares del mundo el uso de fibra óptica ha llegado ya hasta los hogares y en algunos años mas será una práctica común pues por las grandes ventajas que presenta poco a poco irán desplazando a los cables de cobre. 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. El beneficio que nos traerá el estudio de este tema nos servirá par aplicar los conocimientos en alguna empresa, analizar las nuevas tecnologías involucradas, tener un amplio conocimiento con respecto a cómo poder estructurar un proyecto de red de fibra óptica, satisfaciendo las necesidades de los usuarios. El cableado submarino en la actualidad ha proporcionado una solución a interconexiones transatlánticas, que comparado con los satélites presenta una velocidad de comunicación mas rápida, casi sin retardos, las atenuaciones y las pérdidas en estos sistemas están mejor controladas por fibra óptica que por vía satélite, debido a que las comunicaciones vía satélite dependen mucho de las condiciones climatológicas.

11 P á g i n a 7 INTRODUCCIÓN A lo largo del tiempo las comunicaciones han tomado un papel fundamental en la historia de la humanidad. Las comunicaciones modernas presentan mayores retos y mucho más grandes exigencias en lo que refiere a efectividad y contundencia en la transmisión no solo de datos, si no también de video y de voz. Es por esto que los medios de comunicación han tenido que evolucionar de una manera constante y cada vez mas compleja, así comienzan las comunicaciones por fibra óptica. Las comunicaciones por medio de fibra óptica y fibra óptica submarina son en este momento el medio que presenta la tecnología más avanzada, aún sobre las comunicaciones satelitales. Actualmente existen diversos sistemas o complejos que se encargan de intercomunicar ciudades costeras de la misma región, hasta redes intercontinentales que se encargan de la transferencia de información importante. El futuro de las comunicaciones pertenece hoy a los sistemas que puedan jugar la batalla contra el deterioro, la manejabilidad y adaptabilidad. Las fibras ópticas submarinas cubren estos requerimientos y muchos mas, dejándolas como el elemento a la vanguardia en cuanto a las comunicaciones. El presente trabajo da una descripción detallada de cómo llevar a cabo un enlace de fibra óptica submarino, los parámetros que se deben de considerar para su mejoramiento y su optimización. Se hace la aclaración que sólo se refiere al cálculo del diseño del sistema para así tener un manejo eficiente en la transmisión de datos. Este enlace va a unir a dos zonas costeras de la República Mexicana. Se eligió Puerto Vallarta, Jal. y Los Cabos, B.C.S. pues el lecho marino entre ambos puntos presenta algunas ventajas sobre otros y esto hará que se facilite su instalación, pues se evitarán grandes cuencas, también se ahorrarán varios kilómetros de fibra óptica, además de que son zonas con gran atractivo turístico, lo que trae consigo una importante derrama económica pues una buena parte de los habitantes son empresarios y las zonas hoteleras son de gran auge. El sistema esta diseñado para transportar información ya sea voz, datos, imagen, etcétera, a una velocidad de 10 Gbps que sólo pocos sistemas han utilizado en la actualidad, esto se hará a través de 6 pares de fibras y con 84 canales de comunicación, pues lo que se pretende es proporcionar servicios con alta tecnología. La conexión de estos puntos bien se podría llevar a cabo a través de otro medio de comunicación pero resulta que la fibra óptica no presenta tantas limitaciones como otros sistemas. Se estarán considerando dispositivos como los amplificadores EDFA (Amplificador de Fibra Dopada con Erbio), el cual consiste de un diodo láser que trabaja a 1480 o 980 nm y será el encargado de aumentar la señal sin necesidad de hacer alguna conversión. También se usará una técnica de multiplexado la cual hará que varias señales de onda viajen por una misma fibra, y por lo tanto el envío de información será mucho mayor (WDM).

12 P á g i n a 8 El presente trabajo se desarrolla a lo largo de cuatro capítulos, a través de los cuales se pretende que el lector pueda conocer e interesarse sobre la evolución de los sistemas de comunicaciones submarinos, la forma básica en la que estos están constituidos, así como los beneficios que pueden ofrecer en favor de una mejor comunicación a grandes distancias. El Capítulo 1: Introducción a la fibra óptica, permite poner en antecedentes al lector sobre la historia y características principales de la fibra óptica. El cómo se ha convertido en un medio de transmisión eficiente, y de múltiples aplicaciones dadas las ventajas que ofrece por sobre otros medios de transmisión típicos, como el cable coaxial. Permite de igual forma, adentrarse a más detalle a conocer una de esas tantas aplicaciones que tiene la fibra óptica, y que no se trata más que de los sistemas de comunicaciones ópticos submarinos que, aunque poco conocidos y difundidos, forman una gran red de comunicaciones a lo largo y ancho de los océanos del planeta. En el Capitulo 2: Componentes Principales de un Sistema Óptico, el lector obtendrá la suficiente información necesaria para conocer cómo se constituye un sistema de comunicaciones óptico. Conocerá los dispositivos que lo hacen funcionar, como las fuentes láser, atenuadores, amplificadores, multiplexores, etc. A su vez, podrá saber sobre los distintos tipos de fibras que existen y sus aplicaciones, así como los parámetros importantes a tomar en cuenta para el diseño de un sistema de estas características. Para el Capítulo 3: Características Básicas de un Sistema Óptico Submarino, el lector tendrá la facilidad de comprender, con lo adquirido en los dos capítulos previos, la manera en cómo se constituye, desde el punto de vista de ingeniería, el sistema submarino de comunicaciones. Aquí se proporcionará la información necesaria para desarrollar la infraestructura que conforma el equipo terminal, así como conceptos importantes para el diseño del sistema, como: la capacidad de transmisión, el tipo de modulación a emplearse, el tipo de cable, así como los efectos que influirán sobre la fibra y que a su vez lo harán de forma positiva o negativa sobre el desempeño del todo el sistema. Por último, en el Capítulo 4: Diseño de un Sistema Óptico Submarino, el lector podrá tener a su disposición una guía de los cálculos necesarios para poder emprender el diseño y/o mejora de un sistema óptico submarino, tomando como modelo el enlace propuesto con puntos terminales en Los Cabos, B.C.S. y Puerto Vallarta,. Jalisco. De igual manera, podrá conocer las perspectivas de costo al diseñar un sistema con estas características, lo que determinará su desarrollo en operación.

13 P á g i n a 9 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LA FIBRA ÓPTICA [7] Hace una década, las comunicaciones eran transportadas por medio de cables de cobre, por cables de par trenzado, cable coaxial y guías de onda de cobre. Las comunicaciones se llevaban a cabo a través de envíos de señales eléctricas que viajaban a lo largo del cable de cobre o de guías de onda. En los años recientes un nuevo medio de comunicación fue introducido: la fibra óptica. En la comunicación por medio de fibra óptica la señal de luz ha reemplazado a la señal eléctrica. Hay diferencias notables entre las señales de luz y las señales eléctricas pero ambas caen dentro de la categoría de ondas electromagnéticas; El cable coaxial usado en televisión transporta ondas electromagnéticas, estas ondas están modulando (modificando la señal de TV). Del mismo modo la fibra óptica también transporta ondas de luz modulada. Como se verá mas tarde, a través de ambos métodos cable coaxial y fibra óptica- en las comunicaciones se usan ondas electromagnéticas, pero la diferencia práctica es substancial. La fibra óptica es un conductor de ondas en forma de filamento, (generalmente de vidrio, aunque también puede ser de materiales plásticos) la luz se propaga a través de ella. El haz de luz viajará a lo largo del filamento (en ocasiones es llamado tubo de luz) desde el transmisor hasta el receptor y puede ser fácilmente detectado al final del filamento, con algunas pérdidas en la fibra pero que no son excesivas. La estructura de las fibras consiste en un núcleo central de plástico o vidrio con una capa de recubrimiento de un material similar. El núcleo y el recubrimiento tienen diferentes características ópticas. La Figura 1.1 muestra una fibra de vidrio sin recubrimiento y otra con recubrimiento a través de las cuales viaja un haz de luz. Con el núcleo al descubierto sólo una pequeña parte de la energía es transportada dentro de la fibra, la demás se pierde a su alrededor. La fibra que tiene recubrimiento resulta ser más eficiente al transportar la luz y por lo tanto las pérdidas serán mucho menores. Los problemas de pérdidas de luz en las fibras y la distorsión de los pulsos introducidos por la fibra fueron dos dificultades del pasado. Las bajas pérdidas y una baja distorsión en el pulso de luz de las fibras modernas, se han convertido en dos de las principales ventajas de la transmisión por medio de fibra óptica. Estas ventajas serán tratadas más adelante. La transmisión de la luz por medio de un cable o fibra, tiene una gran variedad de aplicaciones dentro de las comunicaciones. La técnica de la fibra óptica puede ser usada para iluminar interiores, también pueden ser usadas para conducir la luz del sol. En el campo médico, la luz es utilizada en procedimientos quirúrgicos. Otras aplicaciones se dan en computadoras, procedimientos de medición y control de calidad.

14 P á g i n a 10 Figura 1.1 Guías de luz. (a) Fibra de vidrio; (b) Fibra de vidrio con recubrimiento y diferentes índices de refracción. 1.1 NOTAS HISTÓRICAS [7] El fuego fue usado como medio de comunicación en una época temprana de la historia del ser humano. La comunicación por medio del código Morse usó luz reflejada por medio de espejos, generalmente para comunicación entre barcos. En 1860, Alexander Graham Bell demostró la transmisión del sonido por medio de la luz, usando espejos, los cuales vibraban por las ondas del sonido de la voz, entonces la luz se reflejaba desde los espejos y modulaba una emisión de luz al receptor y aquí se conectaba el teléfono. La luz modulada al ser recibida, era enfocada en una placa elaborada con cristal de selenio. La resistencia eléctrica de la placa y la corriente variaba con los cambios de la intensidad de la luz. La modulación era hecha por un espejo vibratorio o por un disco rotatorio que periódicamente obscurecían el haz de luz. Los métodos mencionados anteriormente dependen de condiciones climáticas por lo que fueron usados para cortas distancias y en línea directa. Con el invento del láser en 1960, el interés en las comunicaciones por medio de la luz se intensificó (el láser tiene gran intensidad en su fuente de luz y puede ser modulada fácilmente).

15 P á g i n a 11 El primer intento de transmisión de luz a larga distancia por medio de fibra óptica fue hecho en Debido a las impurezas presentes en el vidrio la luz se perdía, y por lo tanto la transmisión estaba aún limitada a cortas distancias. A continuación se desarrolló el láser semiconductor y la luz era emitida por medio de un diodo. Después vino la comunicación por medio de fibra óptica. La transmisión a larga distancia sin amplificación de la señal de luz se hizo común. El desarrollo de los centros de tecnología de fibra óptica en aplicaciones para la industria de las comunicaciones fue patrocinado por el gobierno, pues se hizo investigación la cual estaba enfocada exclusivamente a las comunicaciones. El mayor adelanto tuvo lugar en los años setentas y ochentas. La teoría general de la propagación de la luz se desarrolló en este periodo de tiempo. A continuación se enlistan algunos acontecimientos importantes: 1621 Willebrord Snell formuló su ley la cual estudia el comportamiento de la luz al atravesar de un material a otro John Tindall demostró la transmisión de la luz en un chorro de agua. La luz sigue el chorro y parece doblarse. Este descubrimiento fue la primera prueba de que la luz podía propagarse a través de un medio a lo largo de un camino no recto John William Strutt, el tercer barón Rayleigh formuló leyes básicas que gobiernan la propagación de la luz Max Planck desarrolló la teoría de radiación electromagnética (después llamados fotones) y la constante de Planck h Albert Einstein estableció la teoría del protón, explicando los efectos fotoeléctricos Willis Lamb Jr. experimentó con una guía de luz dentro de una fibra de vidrio Un grupo de investigadores de los Estados Unidos demostró la transmisión de una imagen a través de varias fibras de vidrio Narinder Singh Kapany desarrolló las fibras con recubrimiento. Estas fibras mejoraron las características de transmisión Theodore Maiman construyó el primer láser eficiente Theodore Maiman inventó el láser semiconductor Charles Kao y Charles Hockman propusieron el uso de fibras en transmisiones a larga distancia Robert Maurer y un grupo de Corning Glass Company produjeron fibras con bajas pérdidas (pérdidas debajo de 20 db/km) 1980 (AT&T) comenzó a mejorar la comunicación por medio de fibra óptica entre Boston, Massachussets, y Richmond, Virginia 1981 Corning Glass Company introdujo en el mercado fibras monomodo con gran ancho de banda y bajas pérdidas 1983 AT&T, MCI y otros hicieron enlaces por medio de fibra óptica a grandes distancias usando fibras monomodo.

16 P á g i n a VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA [11] La siguiente lista engloba las principales ventajas en el uso de fibras ópticas: Gran ancho de banda Bajas pérdidas Inmunidad electromagnética Son ligeras Tienen un tamaño pequeño Seguridad en su uso Seguridad de la información Se muestra cada una de estas ventajas a detalle. Gran ancho de banda La capacidad potencial de transmisión de información aumenta con el ancho de banda del medio de transmisión y con la frecuencia de la portadora. Las frecuencias de la luz están muchos órdenes de magnitud por encima de las ondas de radio de más alta frecuencia. La invención del láser, el cual usa luz como portadora, de un solo golpe aumentó el rango potencial hasta unos 100 THz. Las fibras ópticas tienen un rango útil potencial de cerca de 1 THz, aunque este rango está lejos de ser explotado hoy en día. Para dar una perspectiva de la increíble capacidad hacia la cual se están moviendo las fibras, una señal de 10-Gbps tiene la habilidad de transmitir cualquiera de los siguientes por segundo: 1000 libros canales de voz. Bajas pérdidas El ancho de banda es un indicador efectivo de la tasa a la cual la información puede ser enviada. Las pérdidas indican qué tan lejos puede ser enviada la información. Esta pérdida de fuerza es llamada atenuación. En un cable de cobre la atenuación aumenta con la frecuencia de modulación: entre más alta la frecuencia de la señal de información, más grande la pérdida. En una fibra óptica las pérdidas se mantienen constantes sobre un amplio rango de frecuencias. Las pérdidas a muy altas frecuencias en las fibras ópticas son causadas por pérdida de información, no por la potencia óptica. La información está contenida en la variación de la potencia óptica. A muy altas frecuencias, la distorsión causa una reducción o pérdida de esta información.

17 P á g i n a 13 El punto es que los efectos de las pérdidas que deben ser considerados en un sistema dependen de la frecuencia de la señal. Lo que es adecuado para un sistema trabajando a una velocidad puede no funcionar para otra frecuencia. Esta necesidad de considerar distintas velocidades de la señal complica el diseño. Otra consideración necesaria aquí es que una atenuación severa requiere repetidores en puntos intermedios en la ruta de transmisión. El primer enlace telefónico trasatlántico de fibra óptica, instalado por AT&T en 1988, llevaba 37,800 conversaciones de voz simultáneas en cada dirección en un par de fibras. El espaciado entre repetidores era de 35 km. En contraste, el mejor sistema coaxial trasatlántico maneja 4,200 conversaciones y tiene un repetidor cada sólo 9.4 km. Los repetidores, después de todo, son sistemas electrónicos costosos de construir, instalar y mantener. Menos repetidores, significa sistemas menos costosos. Inmunidad electromagnética A diferencia de los cables de cobre, las fibras ópticas no emiten ni captan radiación electromagnética. Cualquier conductor de cobre actúa como una antena, ya sea recibiendo o transmitiendo energía. Una pieza de equipo electrónico puede emitir interferencia electromagnética (IEM) que afecte a otro equipo. Los cables que interconectan equipo pueden ser una de las fuentes principales de IEM. También pueden ser una de las principales antenas receptoras que llevan IEM al equipo. Los sistemas de comunicaciones comunes incluyen medios de defensa contra interferencias bastante caros y sofisticados. El problema se hace más grave y es llamado compatibilidad electromagnética en las situaciones cuando en un espacio relativamente pequeño es necesario colocar tanto las instalaciones energéticas como los sistemas de automatización y teledirección, las redes de comunicaciones, etc. Tal situación se presenta en las empresas industriales, en diferentes centros de control, en los medios de transporte (barcos, aviones y otros), etc. Las líneas de alto voltaje pueden presentar otro problema, ya que también emiten energía. Los cables de señal de cobre no pueden tenderse junto a tales líneas sin precauciones especiales, ya que la energía de la línea de alto voltaje se acopla a la línea de la señal. Las líneas de fibras ópticas se pueden tender junto a las líneas de alto voltaje sin ningún detrimento. Otra cualidad es que dos líneas de fibra no interfieren entre sí. Una consecuencia de la inmunidad electromagnética de las fibras es que la señal no se distorsiona por la IEM. La transmisión digital requiere que las señales sean transmitidas sin error. La IEM puede causar errores en los sistemas de transmisión con conductores eléctricos. Las fibras ofrecen estándares muy altos de transmisiones libres de error.

18 P á g i n a 14 Bajo peso Una fibra de vidrio pesa considerablemente menos que un conductor de cobre. Un cable de fibra óptica con la misma capacidad de transmisión de información que un cable de cobre pesa menos que éste, ya que el cobre requiere más líneas que la fibra. Por ejemplo, un cable típico de fibra óptica de un solo conductor pesa 13.4 kg / 1000 m, un cable coaxial comparable pesa cerca de kg / 1000 m (casi nueve veces el peso de la fibra). Esto simplifica el tendido de líneas de comunicación regionales e interregionales. No se necesita el uso de maquinaria pesada para los trabajos de excavación y de colocación de cables pesados. La ganancia en cuanto a masa es muy importante en los medios de transporte, en particular, en los aviones, helicópteros y otros aparatos voladores. Por ejemplo, en los aviones equipados especialmente para la recogida de información y control se hizo posible la disminución de la masa de cables, en total, por más de una tonelada. En los barcos la ganancia es aún mayor, lo que permite no solamente reducir la masa sino también duplicar las más importantes líneas de comunicación. Tamaño pequeño Un cable de fibra óptica es más pequeño que su contraparte de cobre. Además, con frecuencia una sola fibra puede reemplazar a muchos conductores de cobre. Un cable de cobre de 11.4 cm de diámetro puede transportar hasta 40,300 conversaciones de dos vías en distancias cortas. Un cable de fibra óptica con 144 fibras en una estructura de 1.3 cm de diámetro, tiene una capacidad de 24,192 conversaciones en cada par de fibras o cerca de 1.75 millones de llamadas en todas las fibras. El cable de fibra óptica excede enormemente la capacidad del cable coaxial aún cuando es casi 10 veces más pequeño. Seguridad en su uso La fibra es un dieléctrico no transporta electricidad. Tiene ausencia de chispeo por rompimientos, cortos circuitos o por contactos inseguros, permite garantizar la seguridad total en las construcciones con peligro de incendio o explosión. Además no atrae rayos. La fibra óptica puede ser tendida a través de áreas peligrosas o donde las normas eléctricas o el sentido común excluyan el uso de alambres. Es posible, por ejemplo, hacer pasar una fibra directamente a través de un tanque de combustible. Además el personal que trabaja con los cables en funcionamiento no corre peligro de recibir una descarga eléctrica. Seguridad de la información Una forma de espiar es conectar un alambre. Otra forma es recoger la energía radiada por un alambre o un equipo (una forma de IEM). Hace años Estados Unidos descubrió a una potencia extranjera haciendo eso a sus embajadas: una antena sensible en un edificio cercano estaba recogiendo en secreto la energía radiada por el equipo electrónico en la embajada. La antena recibía IEM, la cual, contenía datos clasificados y ultra secretos.

19 P á g i n a 15 Tanto el gobierno como las compañías gastan cada año millones de dólares para proteger sus secretos, tales como encriptar datos antes de transmitidos. La fibra óptica es un medio de transmisión altamente seguro. En ellas la transmisión de señales es prácticamente imposible de detectar y muy difícil de interceptar sin que ambas partes que se comunican se den cuenta de esto. Por último, otro mérito de las fibras ópticas es el ahorro de cobre y de plomo. Se sabe que la industria de cables consume hasta un 50% del cobre y hasta un 25% del plomo de toda la producción de estos metales. Desventajas Junto con todas las ventajas de la banda óptica no se puede menospreciar las grandes dificultades que están en el camino de su máximo uso. Los procesos tecnológicos de fabricación de muchos elementos de los Sistemas de Comunicaciones por Fibra Óptica (SCFO) son muy complicados y casi se encuentran al nivel de las posibilidades técnicas. Uno de los problemas principales es la elaboración de tecnologías para producir el vidrio cuarzoso y fibras con los parámetros ópticos y fisicomecánicos requeridos. Los niveles de tolerancia en el proceso de fabricación de fibras ópticas son del orden de una fracción de 1 µm. La base técnica de la banda óptica aún no se ha desarrollado en su totalidad. Finalmente, en esta banda se tienen algunas inminentes desventajas principales. Aquí se mencionan solamente las más importantes. Los grandes aumentos de frecuencia en comparación con la banda radiotécnica implican grandes dificultades en la estabilización de las frecuencias y en la sincronización de los generadores. Por lo regular, los SCFO son relativamente muy caros. Así, las fibras ópticas de buena calidad con guías de onda de cuarzo son varias veces más caras que los cables coaxiales de cobre. Grandes dificultades surgen por el peligro de aparición de microflexiones, microlesiones y microgrietas. Existen problemas con las conexiones seguras entre los segmentos de los SCFO. Debido a los requerimientos de seguridad de la explotación de los SCFO se hace necesario el diseño de metodologías especiales de medición, así como de equipo de control y medición. 1.3 APLICACIONES DE LA FIBRA ÓPTICA. [7] La mayoría de nosotros ha visto algunas aplicaciones de las comunicaciones por medio de fibra óptica. La siguiente lista especifica los datos relacionados a algunas de estas aplicaciones. En Montana, en 1978, Cablecom General instaló uno de los primeros cables de fibra óptica para la aplicación de un cable de televisión. Tenía unos 3 km de distancia.

20 P á g i n a 16 En 1979, la Compañia General de Telefonos de Florida construyó el primer sistema de comunicación por medio de fibra óptica submarina. También en 1979 el Departamento de Energía de los Estados Unidos hizo una instalación de un cable de fibra óptica para pruebas nucleares En 1981 la Compañía Continental de Teléfonos de Virginia instaló 17 km de cable de fibra que operaba a 45 Mb/s En 1982 la compañía de teléfonos de Kawai instaló 36 cables de fibra operando a 45 Mb/s con un repetidor a 32 km. En 1982, MCI Telecommunications realizó una instalación de fibra óptica en Nueva York operando a 135 Mb/s En 1983, la Compañía Central de Teléfonos realizó una instalación de fibra óptica conectando varias plantas industriales a una red LAN. También en 1983, esta compañía usó la comunicación por medio de fibra óptica en un anillo de suscriptores, esto es, conectó fibras directamente a teléfonos de los clientes de la empresa. En ese mismo año, MCI Telecommunication instaló uno de los primeros sistemas de fibras monomodo. Estaban operando a 405 Mb/s y el cable contenía fibras monomodo y multimodo. Para tener bajos costos y evitar retrasos se obtuvieron derechos de vías para poner los cables, particularmente a través de líneas del estado; algunas empresas alquilaron las vías más indicadas a las compañías de ferrocarriles, entonces ellos colocaban el cable de fibra óptica al lado de las vías del ferrocarril. Este sistema de datos fue extendido a los dispositivos de la periferia de las conexiones, así como impresoras y grandes sistemas de memoria de la central de computadoras. La luz y el alto índice de datos del enlace por medio de fibra, permitieron una fácil instalación. A comienzo de los setentas, la fibra óptica fue usada en numerosas aplicaciones médicas, los cálculos renales han sido pulverizados por el haz de las fibras. Similarmente, las células cancerígenas han sido tratadas, pues es introducido un haz láser. En 1987, F&P Fiber Optics AG de Suiza introdujo un microscopio (modelo FU7 150). Fue usado para hacer una inspección visual dentro de los órganos, así como los intestinos (colonoscopio). El diámetro de este endoscopio es de 1.5 a 2 mm, mucho más pequeño que los endoscopios convencionales y tiene 260 mm de longitud. Un dispositivo similar también fue usado experimentalmente en angiogramas para ver los vasos sanguíneos y altos pulsos de energía láser han sido usados para abrir estos vasos. La fibra óptica es usada en mediciones remotas de temperatura y presión. El uso de la fibra ha sido preferido particularmente en las mediciones comprendidas en un medio radioactivo, así como áreas de explosiones nucleares. Las fibras ópticas no son afectadas por la radiación nuclear o por la transmisión eléctrica que usualmente acompaña a las explosiones nucleares. Algunas otras aplicaciones comprenden la transmisión de imágenes. Esta aplicación es útil para inspeccionar la industria de partes a las cuales no se tiene libre acceso. Una fibra delgada puede ser manipulada para aproximarse al área a ser inspeccionada, usando la transmisión de imagen en un display conveniente.

21 P á g i n a 17 Desde hace 10 años una fibra especial con alta intensidad fue usada como un reemplazo del foco utilizado por los dentistas. La fibra que transportaba la luz era adherida al taladro para iluminar el área de trabajo. Otro campo prometedor para el uso de la fibra óptica es en los barcos ya que son ligeras, tienen gran ancho de banda e inmunidad a la interferencia electromagnética. 1.4 FIBRA ÓPTICA SUBMARINA [3] La colocación del cableado de la primera comunicación transoceánica fue de gran relevancia entre mediados y finales del siglo XIX. Esto vino a conquistar las profundidades del mar al atravesar grandes distancias entre los continentes y tuvo la misma importancia que el primer viaje espacial que se dio entre mediados y finales del siglo XX. Después de este importante periodo los cables submarinos fueron desarrollados lentamente. 10 años después ya se podía ver un completo adelanto en el soporte de las comunicaciones con la introducción de fibras ópticas en cables submarinos. En menos de 10 años, la capacidad del cable aumentó pues había la posibilidad de transmitir más de 100 millones de llamadas telefónicas simultáneas a través del océano. Ninguna otra tecnología puede ahora competir con los cables submarinos. La Figura 1.2 muestra cómo esta generación óptica fue caracterizada por un dramático salto con respecto a su capacidad de transportar información por medio del cable. Los sistemas de comunicación óptica llevan consigo dos de las mayores invenciones: el láser (1960) y la fibra óptica ( ). Estos dos inventos jugaron los mismos roles en óptica así como la invención en 1949 del transistor bipolar utilizado en microelectrónica. Los sistemas de comunicación óptica nacieron en 1970 con la demostración en un lapso de unos cuantos meses de la primera operación a temperatura ambiente de un láser basado en arseniuro de galio (GaAs) por una aparte y de la posibilidad de obtener pérdidas muy bajas (20 db/km alrededor de 850 nm) en fibras ópticas de sílica por la otra parte. La maravilla fue que la llamada primera ventana (que se encuentra en el margen de los 850 nm) de transmisión de la sílica se acoplaba a la longitud de onda del láser de GaAs. La tecnología se desarrolló a través de varios pasos: con fibras monomodo; con el uso de la segunda y tercera ventanas (1300 y 1500 nm) donde la atenuación de las fibras de silicio es óptima (0.2 db/km a 1500 nm); amplificación óptica por tierras raras reemplazando la regeneración electrónica y finalmente la multiplexación por división de longitud de onda (WDM), para llevar múltiples longitudes de onda (en la actualidad presentando más de 100), llevando cada una un diferente torrente de información en una fibra monomodo.

22 P á g i n a 18 Figura 1.2 Capacidades de transmisión de distintos medios. 1.5 CONFIGURACIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN SUBMARINA La configuración de un sistema submarino ha presentado pequeños cambios desde el establecimiento de la industria, pero en realidad la tecnología WDM en la fibra ha permitido guiar un máximo de información en el fondo del mar. La Figura 1.3 muestra una vista general de los principales equipos involucrados. El cable está compuesto de un núcleo óptico que protege a las fibras ópticas, rodeado por un conductor de cobre para alimentar al equipo sumergido desde la orilla y un aislante para protegerlo del mar. La fortaleza mecánica se logra por medio de alambres de acero con capas importantes de alambres adicionales, colocados en aguas superficiales donde el cable puede ser propenso a agresiones externas como las anclas o actividades de pesca. La fibra óptica en sí misma es un elemento muy importante, optimizada para ser completamente adaptable a la capacidad de transmisión más moderna. Los repetidores son unidades que regeneran las señales ópticas, después de su atenuación por la propagación a lo largo de cada segmento, en posiciones regulares a lo largo del cable, alrededor de 50 km entre cada uno. Los repetidores actualmente contienen amplificadores ópticos basados en la amplificación láser a través de una fibra dopada bombeada ópticamente por un láser semiconductor alimentado eléctricamente por el cable. Equipo de ecualización óptica es también insertado regularmente para controlar la respuesta espectral óptica del sistema.

23 P á g i n a 19 Grandes avances en la tecnología de la amplificación óptica han generado más ancho de banda y más amplificadores por repetidor para dar soporte a un gran número de fibras. Las unidades de derivación (o de ramificación) son equipos que están sumergidos que permiten conexiones entre más de dos puntos, esto es, doble aterrizaje a diferentes lugares de la costa o la distribución de parte del tráfico en un punto secundario. Las unidades de derivación son piezas complejas de equipo no sólo de nivel óptico, sino también a nivel eléctrico. Todo el equipo que está sumergido es diseñado para las condiciones extremas de las profundidades de hasta 8000 m (800 atmósferas de presión) y resistencia a la corrosión. Se prueba su desempeño para tener fiabilidad en su calidad y así garantizar un tiempo de vida de 25 años. El cable usualmente llega a la playa y la fibra arriba a una estación con: Fuente de alimentación, con todo el equipo de alimentación eléctrica para el equipo activo submarino, especialmente los repetidores. Equipo terminal de transmisión, emite luz láser modulada por la señal de comunicación. El transmisor opera por medio de la modulación de un láser semiconductor de color de alta calidad cuya salida es combinada (multiplexada) a través de la fibra de transmisión. La luz óptica es modulada encendiendo y apagando para constituir los bits de información. El receptor contiene semiconductores detectores para cada longitud de onda recibida después del demultiplexaje. Los bits de información son reconstruidos y alimentan el soporte de la comunicación terrestre. Un sistema de administración de red permite al operador monitorear los sistemas a través de una computadora y así obtener información de su estado y activar las alarmas en caso de fallas. Va a ser también una herramienta de configuración del sistema durante toda su vida.

24 P á g i n a 20 Figura 1.3 Componentes de un sistema óptico submarino En la estación de cable, el sistema submarino es conectado a la red terrestre y la información que fluye es distribuida a los diferentes nodos terrestres de comunicación hasta llegar con el usuario final. 1.6 EL PRIMER SISTEMA ÓPTICO TRANSOCEÁNICO Hubo un rápido progreso en las técnicas de empalme y conexión, mostrando un contraste con lo que se pensaba al inicio: el uso de fibras monomodo (con un diámetro en su núcleo de unos pocos micrómetros) era el desafío más prometedor a encarar. Uno de los mejores progresos al hacer fibras (principalmente con un mejor proceso de purificación) fue evidenciar la segunda ventana de alrededor de 1300 nm con una atenuación de aproximadamente 0.4 db/km (ver Figura 1.4) además de que el volumen de la dispersión cromática desaparece cerca de 1300 nm, haciendo posible propagar pulsos con una alta tasa de bits, con un mínimo ensanchamiento. Con la obtención de estos resultados, la industria submarina y los ingenieros se atrevieron a construir el TAT8 (trasatlántico), sistema pionero en el uso de técnicas con fibra monomodo a 280 Mb/s y transmisión de 1300 nm. Tenía gran demanda en la solución de numerosos problemas técnicos, desde los conectores hasta las unidades de derivación. El más riguroso desafío fue el repetidor, pues se tenía la necesidad de convertir señales ópticas en eléctricas, regenerar la señal y finalmente hacer otra conversión de señal eléctrica a óptica.

25 P á g i n a 21 Dos cosas importantes necesitaban resolverse: 1.- Circuitos eléctricos a 280 Mb/s con buena fiabilidad. 2.- Que los emisores y receptores en el interior del repetidor fueran fiables y que tuvieran larga vida. Al transmitir en los 1300 nm, el compuesto de GaAlAs no era adecuado. Las distribuciones con aleaciones cuaternarias de galio, indio, arsénico, fósforo (GaInAsP) tienen la ventaja de permitir adaptar la emisión y la recepción de longitudes de onda como una función de la composición de la aleación. Un extenso programa de búsqueda y desarrollo fue emprendido por varios años, y surgió un sistema el cual fue instalado con éxito y así comenzó la operación del TAT8 a finales de Rápidamente le siguió el TPC3 (transpacífico) con la misma tecnología. Mientras tanto, la mínima absorción de las fibras de silicio fue mostrada para ser de 0.2 db/km con una pequeña dispersión cromática trabajando en la tercera ventana (1550 nm), una longitud de onda compatible con la tecnología usada con GAInAsP. Figura 1.4 Ventanas de transmisión. Como una consecuencia, los sistemas TAT9 y TCP5 fueron instalados y operados en 1986 a 560 Mbps por cada fibra. El TAT9 tenía una configuración Y es decir, con una terminal en los Estados Unidos y dos terminales en Europa (Gran Bretaña y Francia). La unidad derivada fue un multiplexor submarino activo permitiendo ajustar el índice de bits asignado entre Gran Bretaña y Francia, una única característica es que no fue reproducido después.

26 P á g i n a ATENUACIÓN [8] La atenuación que sufre la luz al propagarse a lo largo de la fibra óptica es función de la longitud de onda de la luz y de las impurezas e imperfecciones de fabricación. Las atenuaciones de la luz se debían fundamentalmente a impurezas en el núcleo y se presentaba un mínimo en la longitud de los 890 nm. Fue este el motivo principal del porqué los primeros sistemas de comunicaciones operaron en la ventana de 890 nm. Una representación ilustrativa de la evolución de la atenuación se muestra en la Figura 1.5. Figura 1.5 Atenuación como función de la longitud de onda. La atenuación también es función del tipo de fibra óptica. Una ilustración comparativa de las atenuaciones introducidas por las fibras monomodo y multimodo se muestra en la Fig Los picos que presentan las curvas en la Figura 1.6, se deben fundamentalmente a impurezas (moléculas de agua) en el núcleo. Figura 1.6. Fibras monomodo vs multimodo. Existen otras causas que introducen atenuación en los pulsos que se propagan a través de la fibra óptica, las principales son defectos atómicos, dispersión de Rayleigh, inhomogeneidades en el material del núcleo, curvaturas tanto a nivel microscópico como macroscópico.

27 P á g i n a 23 Las fibras ópticas sufren de otro tipo de dispersión, la cual está asociada al hecho de que las fuentes ópticas no son monocromáticas. A este tipo de dispersión se le denomina cromática y se debe principalmente a dos fenómenos físicos: dispersión de material y dispersión de guía de onda. Dispersión material. Los materiales que se emplean para fabricar las fibras ópticas tienen índices de refracción como función de la longitud de onda de la luz, y por lo tanto la velocidad de onda de los fotones es función de su longitud. Dispersión de guía de onda. Esta dispersión es causada por la dependencia de las características modales de la longitud de onda. Una forma de disminuir la dispersión cromática es emplear fuentes de alta coherencia. Si la dispersión cromática es excesiva se puede perder la información. Como ejemplo ilustrativo supóngase que se tiene un tren de impulsos, como se muestra en la Figura 1.7: Figura 1.7 Ensanchamiento del pulso por dispersión cromática de las fibras En las fibras multimodo tanto de índice abrupto como de índice gradual, generalmente, la dispersión multimodal es mayor que la dispersión cromática, por lo tanto, esta última se desprecia en un buen número de aplicaciones de telecomunicaciones. De entre las dos fuentes ópticas que satisfacen todos lo requerimientos exigidos por los sistemas de telecomunicaciones, el diodo laser (LD) emite luz con un ancho espectral bastante más angosto comparado con el ancho espectral emitido por los diferentes tipos de LED. Si se considera la dispersión cromática, los pulsos de luz emitidos por diodos láser y propagados a lo largo de la fibra óptica sufrirán menos ensanchamiento (dispersión) que los pulsos propagados a lo largo de la misma fibra pero emitidos por LEDs. Por este motivo el LD es compatible para usarse en sistemas de comunicaciones de alta velocidad, que emplean fibras monomodo como medio de transmisión.

28 P á g i n a REFLEXIÓN La reflexión es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie de separación de dos medios diferentes (ya sean gases como la atmósfera, líquidos como el agua o sólidos) y está regida por la ley de la reflexión. La dirección en que sale reflejada la luz viene determinada por el tipo de superficie. Si es una superficie brillante o pulida se produce la reflexión regular en que toda la luz sale en una única dirección. Si la superficie es mate y la luz sale desperdigada en todas direcciones se llama reflexión difusa. Por último, está el caso intermedio, reflexión mixta, en que predomina una dirección sobre las demás. Esto se da en superficies metálicas sin pulir, barnices, papel brillante, etc. (ver Figura 1.8). Figura 1.8 Diferentes tipos de reflexión. LEY DE LA REFLEXIÓN Cuando un rayo de luz llega a la superficie de separación de dos medios, una parte de ésta es reflejada alejándose de la barrera y el resto penetra dentro del material. Figura 1.9 Fenómeno de reflexión.

29 P á g i n a 25 En la reflexión, el rayo incidente y el reflejado están en lados opuestos a la normal y sobre el mismo plano que ésta, y se cumple la ley de reflexión: i r Ley de reflexión. 1.9 REFRACCIÓN [6] La luz es una de las muchas formas en que puede presentarse la energía y la velocidad de paso de la luz por un medio transparente es siempre menor que la velocidad de propagación por el vacío. El índice de refracción: es el cociente entre c, la velocidad de la luz en el vacío y v, la velocidad de la luz en un medio cualquiera: c / v = n. Dicho de otro modo, cada sustancia transparente tiene su propio índice de refracción específico. Tabla 1.1 Índices de refracción para medios de distintas densidades ópticas. Material Índice de refracción Aire 1.00 Agua 1.33 Alcohol etílico 1.36 Vidrio 1.52 Cloruro de sodio 1.54 Poliestireno 1.59 Sulfuro de zinc 2.30 Arseniuro de galio 3.35 Germanio DISPERSIÓN [6] La primera demostración de que los colores del espectro que pueden verse cuando la luz solar pasa por un prisma de vidrio están ya presentes en la propia luz blanca solar se debe a Newton. Newton demostró claramente que la función del prisma era simplemente la de separar unos colores que existían ya en la radiación luminosa incidente. En la Figura 1.8 puede verse cómo se refracta cada color con ángulos de desviación diferentes al incidir sobre la superficie lisa de un trozo de vidrio un rayo de luz blanca que forma un cierto ángulo con la superficie. Cada color sufre una refracción de magnitud característica y diferente de los otros. La luz roja es la que menos se refracta, mientras que la luz violeta es la que más lo hace. La dispersión angular de los colores obtenidos al hacer pasar luz blanca por el prisma se denomina dispersión y la banda de colores así obtenida se llama espectro (ver Figura 1.10).

30 P á g i n a 26 Si se hace pasar luz blanca a través de un grupo de prismas similares hechos de diversas sustancias, se encontrará que cada prisma tiene una dispersión diferente. Los prismas líquidos, obtenidos al llenar recipientes de vidrio de paredes delgadas con líquido, también dispersan la luz en proporciones distintas. Figura 1.10 Refracción de la luz blanca en sus distintos colores, la refracción en ambas direcciones de un prisma produce mayor dispersión. La dispersión cromática es una extensión de la dispersión del material. Cuando se trata con dispersión que afecta a las tasas de bits más altas (es decir > 1 Gbps) el periodo de bit (y por lo tanto la ranura de tiempo de un bit) es tan pequeño que aún con un láser DFB (Distributed feedback lasers) con un ancho de línea muy estrecho hay esta forma de dispersión material. Todo el vidrio, incluyendo el usado para fabricar fibras, exhibe dispersión material pues su índice de refracción varía dependiendo su longitud de onda. Además, cuando una fibra monomodo es estirada del vidrio, la forma geométrica y el perfil del índice de refracción contribuyen significativamente a la dependencia de la longitud de onda de la velocidad de propagación de los pulsos montados en la fibra. Esto es la dispersión de guía de onda. Juntas la dispersión material ( ) y la dispersión de la guía de onda ( ) dan lo que se denomina dispersión cromática. El efecto de la dispersión cromática es el mismo de las otras formas de dispersión, es decir un ensanchamiento cuando se recibe el pulso. Algunos textos llaman a la dispersión cromática dispersión de velocidad en grupo (GVD) debido a la dependencia del ancho de banda de la velocidad del grupo del haz de luz en la fibra. La dispersión cromática D tiene como unidades de medida los picosegundos por nanómetro por kilómetro (ps/km-nm). Ésta es la medida del ensanchamiento en picosegundos, que sucede en un pulso con una longitud de onda de 1 nm en cierto tiempo de propagación a lo largo de 1 km de fibra óptica. Por ejemplo, en la tercera ventana óptica (1550 nm) con un mínimo de pérdidas se presenta una dispersión en fibra monomodo convencional de alrededor de 17 ps/km-nm. La dispersión cromática de un enlace de fibra es acumulativa con la distancia y es establecida como el cambio en el retardo de grupo por unidad de longitud de onda (en ps/nm). La dispersión cromática en un enlace de fibra óptica es sensible a:

31 P á g i n a 27 Un incremento en el número de enlaces en tándem y la longitud del enlace. Un incremento en la tasa de bits (Nota: al incrementar la tasa de bits, crece la tasa de modulación del láser, e incrementa el ancho de sus bandas laterales. En un sistema WDM, la dispersión cromática no es influenciada significativamente por: Una disminución del espaciado entre canales Un incremento en el número de canales. El efecto de la dispersión cromática decrece con: Una disminución en el valor absoluto de la dispersión cromática de la fibra (disminución en el valor de D) Compensación de dispersión. El control de la dispersión cromática es crítico en los sistemas WDM. La dispersión en fibras monomodo consiste de dos subconjuntos: 1.- Dispersión material de ( ) causada por la dependencia de la longitud de onda del índice de refracción. 2.- Dispersión de guía de onda ( ) resultado de la dependencia de la longitud de onda de la distribución de luz del modo fundamental sobre el núcleo y el recubrimiento de vidrio y por lo tanto de la diferencia en el índice de refracción.

32 P á g i n a 28 CAPÍTULO 2 COMPONENTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA ÓPTICO [18] La fibra óptica está compuesta por una región cilíndrica, por la cual se efectúa la propagación, denominada núcleo y de una zona externa al núcleo y coaxial con él, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo de propagación, y que se denomina envoltura o revestimiento. La capacidad de transmisión de información que tiene una fibra óptica depende de tres características fundamentales: a) Del diseño geométrico de la fibra. b) De las propiedades de los materiales empleados en su elaboración (diseño óptico). c) De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada. Cuanto mayor sea esta anchura, menor será la capacidad de transmisión de información de esa fibra. Figura 2.1 Componentes de una fibra óptica en un cable. El sílice tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura, pues funde a 600C. La fibra óptica presenta un funcionamiento uniforme desde 550 C a +125 C sin degradación de sus características. Características mecánicas: la FO como elemento resistente, dispuesto en el interior de un cable formado por agregación de varias de ellas, no tiene características adecuadas de tracción que permitan su utilización directa. Por otra parte, en la mayoría de los casos las instalaciones se encuentran a la intemperie o en ambientes agresivos que pueden afectar al núcleo.

33 P á g i n a 29 Es necesario disponer de cubiertas y protecciones de calidad capaces de proteger a la fibra. Para alcanzar tal objetivo hay que tener en cuenta su sensibilidad a la curvatura y microcurvatura, la resistencia mecánica y las características de envejecimiento. Las microcurvaturas y tensiones se determinan por medio de los ensayos de: Tensión: cuando se estira o contrae el cable se pueden causar fuerzas que rebasen el porcentaje de elasticidad de la fibra óptica y hacer que se rompa o formen microcurvaturas. Compresión: es el esfuerzo transversal. Impacto: se debe principalmente a las protecciones físicas y estructuras que protegen el cable óptico. Enrollamiento: existe siempre un límite para el ángulo de curvatura pero, la existencia del forro impide que se sobrepase. Torsión: es el esfuerzo lateral y de tracción. Limitaciones Térmicas: Estas limitaciones difieren en alto grado según se trate de fibras realizadas a partir del vidrio o a partir de materiales sintéticos, puesto que, debido a las diversas temperaturas que se presenten en el material, este responde dependiendo de que se trate, en materiales sintéticos se presentan mayores limitaciones, puesto que son más susceptibles a los cambios en la temperatura y en el medio. Otro objetivo es minimizar las pérdidas adicionales por cableado y las variaciones de la atenuación con la temperatura. Tales diferencias se deben a diseños calculados a veces para mejorar otras propiedades, como la resistencia mecánica, la calidad de empalme, el coeficiente de relleno (número de fibras por mm 2 ) o el costo de producción. La investigación sobre componentes optoelectrónicos y fibras ópticas ha traído consigo un sensible aumento de la calidad de funcionamiento de los sistemas. 2.1 TIPOS DE FIBRAS [9] Las fibras ópticas (guías de luz), cuya función es transmitir un haz de luz a grandes distancias, pueden clasificarse según el modo de propagación en multimodo y monomodo. Si el núcleo, el cual está típicamente hecho de vidrio, tiene un índice de refracción superior al de la cubierta con un índice de refracción constante n 1, es llamada una "fibra de índice escalonado".

34 P á g i n a 30 Si el núcleo tiene un índice de refracción no uniforme, que decrece gradualmente cuando se desplaza desde el centro hacia la interfaz del núcleo y la cubierta, la fibra es llamada "fibra de índice gradual". El recubrimiento alrededor del núcleo tiene un índice de refracción uniforme n 2 = n 1 (1 - Δ) y es ligeramente menor que el índice de refracción en la región del núcleo, hecho de los materiales mencionados anteriormente. La Figura 2.2 muestra las dimensiones y los índices de refracción de diferentes tipos de fibras usadas en comunicaciones. Figura 2.2 Índices de refracción de fibras monomodo y multimodo. La Figura 2.3 enumera alguna de las ventajas y aplicaciones de diferentes tipos de fibras. En general el ancho de banda suele ser muy grande. Por ejemplo para poder ser utilizadas en sistemas de cableado submarino se utilizan fibras monomodo. Para estos sistemas se requiere un ancho de banda entre 200 MHz y 2 GHz/km, y aún más. Para las troncales de una ciudad o entre oficinas centrales de teléfonos se pueden usar fibras multimodo de índice gradual. Para aplicaciones tales como la interconexión de datos con bajo ancho de banda se utilizan fibras multimodo de índice escalonado.

35 P á g i n a 31 Tabla 2.1 Fibra DSF (dispersion shifted fiber), NZ-DSF (non zero dispersion shifted fiber). [2] 2.2 Dispersión cromática El perfil de dispersión, describe como varía la dispersión para una cierta fibra con varios valores de longitudes de onda, o más precisamente, podemos decir que aquí se ve el cambio de signo de la dispersión con la longitud de onda. Nuestro interés es la dispersión D expresada en unidades ps/(km-nm) y D D M D W Podríamos usar el criterio B T < 1 para determinar el efecto de la dispersión con un índice de bits usando la ecuación 2.1, donde T es el intervalo de tiempo, el cual debe ser más corto que el periodo de tiempo de bit (periodo de bit). Recordemos que para una forma de onda NRZ, el periodo de bits es 1/tasa de bits (las unidades están en segundos). Construyendo sobre el criterio expresado anteriormente tenemos: BLD λ < 1 Ec. 2.2 (sólo es valido para el valor real de D, el cual es el parámetro de dispersión definido anteriormente). La ecuación 2.1 da un orden de magnitud estimado del efecto de dispersión en la tasa de bits. T puede ser obtenido de la siguiente forma: T = DL λ. Ec. 2.3

36 P á g i n a 32 Donde D es el parámetro de dispersión definido anteriormente, L es la longitud del enlace y λ es equivalente al ancho del espectro del pulso. El producto BL (producto de la tasa de bits y la distancia) de la Ecuación 2.3 para fibras monomodo puede exceder 1 Tbps/km cuando se usan láseres SLM (single longitudinal mode) DFB donde λ está por debajo de 1 nm. Lo ideal aquí es hacer que el espectro del láser sea lo más estrecho que sea posible. Aún en esta situación, la dispersión cromática dominará. El perfil del índice de refracción para una fibra monomodo ordinaria es un perfil de índice abrupto o escalonado con una diferencia del índice de refracción. Para esta estructura del perfil convencional de una fibra monomodo, la dispersión cromática (suma de las dispersiones materiales y de guía de onda) es cero para una longitud de onda de unos 1310 nm. Ya que la contribución de la guía de onda, depende de tales parámetros de la fibra como el radio del núcleo a y la diferencia del índice de refracción, es posible desplazar la longitud de onda de dispersión igual a cero a otra longitud. Una de las longitudes de onda más deseables es la de 1,550 μm por que presenta características con bajas pérdidas. Este tipo de fibras fue regido por la ITU-T Rec. G.653, mientras que la ITU-T Rec. G. 652 rige las especificaciones de la fibra monomodo convencional. Un exitoso esfuerzo se ha hecho para cambiar la longitud de onda de dispersión cero λzd (la cual es producida por las fibras de dispersión desplazada) a la tercera ventana óptica (1550 nm) de bajas pérdidas. Es la llamada fibra de dispersión desplazada. Está regida por la ITU-T Rec. G.653. Este desplazamiento de la dispersión está basado en la manipulación de los parámetros de dispersión de la guía de onda ya que depende de parámetros de la fibra tales como el radio del núcleo a y la diferencia del índice de refracción. También es posible adaptar la contribución de la guía de onda de forma que la dispersión total D sea relativamente pequeña sobre el amplio rango de longitudes de onda extendiéndose desde 1.3 a 1.6 μm. Este tipo de fibra es llamada fibra de dispersión aplanada. Está regida en la ITU-T Rec. 655 donde la dispersión cromática es de 6 ps/kmnm o menos entre 1530 y 1565 nm, la famosa banda WDM. La técnica de la dispersión desplazada también puede producir la fibra aplanada o de dispersión compensada, donde el valor de la dispersión es muy bajo para todo el rango de la guía de onda comprendida entre 1300 a 1600 nm. La Figura 2.3 muestra la dispersión cromática en función de la longitud de onda para (1) una fibra monomodo convencional, (2) para una fibra con dispersión desplazada y (3) para una fibra con dispersión aplanada (cubierta por la ITU-T Rec. G.655).

37 P á g i n a 33 Figura 2.3 Dispersión cromática en función a la longitud de onda. Para cambiar la longitud de onda de dispersión cero hacia otra longitud de onda, la dispersión de la guía de onda y el perfil de la estructura de la fibra óptica deben ser cambiados. Esto conduce a perfiles de índice multipaso o segmentado. 2.3 Seleccionado fibra óptica por sus características de dispersión Hemos mencionado cuatro tipos de fibra monomodo especializada 1.- Fibra monomodo convencional 2.- Fibra con dispersión desplazada 3.- Fibra con dispersión desplazada no cero 4.- Fibra con dispersión aplanada La Figura 2.4 (a) muestra el perfil del índice convencional (es decir índice de paso simple o de recubrimiento acoplado) y la figura 2.4 (b) ilustra el perfil de índice, disminuido con un índice de refracción reducido en el recubrimiento. La Figura 2.5 ilustra el diseño del perfil la fibra óptica con dispersión desplazada, la Figura 2.5 (a) muestra la descripción de un perfil segmentado con un núcleo triangular. La Figura 2.5 (b) muestra un perfil triangular y la figura 2.5(c) muestra un perfil de segmento con un doble paso en el índice de refracción en su recubrimiento, también es llamada de doble recubrimiento. La Figura 2.6 muestra el diseño de un perfil para aplanar la dispersión. Un perfil segmentado con un paso cuádruple en el índice de refracción del recubrimiento (cuádruple recubrimiento) se muestra en la Figura 2.6 (a). La Figura 2.6 (b) muestra un perfil de W (doble recubrimiento).

38 P á g i n a 34 Figura 2.4 Descripción del diseño de fibras ópticas sin dispersión desplazada (fibra monomodo convencional). (a) Índice escalonado, (b) índice escalonado con reducción en el índice de refracción. Figura 2.5 Descripción del diseño fibras ópticas con dispersión desplazada. (a) Descripción del segmento con un núcleo triangular (segmento del núcleo); (b) descripción triangular; (c) Descripción del segmento con índice de refracción doble escalonado en su recubrimiento (doble recubrimiento). Figura 2.6 Descripción del diseño de fibras ópticas con dispersión desplazada. (a) Descripción del segmento con un índice de refracción escalonado cuádruple en el recubrimiento (cuádruple recubrimiento); (b) Descripción de W (doble recubrimiento).

39 P á g i n a Fibra de Compensación de Dispersión (DCF) La dispersión cromática presenta una tendencia acumulativa a lo largo de la fibra. Esto es una fortuna. Si se suma al enlace de fibra operacional una fibra altamente dispersa, donde D, es el coeficiente de dispersión, con signo opuesto y con aproximadamente la misma magnitud del enlace de fibra operacional, entonces la dispersión de la fibra operacional es cancelada. La DCF puede tener un coeficiente de dispersión (D) tan alto como 200 ps/kmnm. La longitud de la DCF L 2 debe ser tan pequeña como sea posible y puede ser calculada con la siguiente fórmula: L 2 = (D 1 /D2)L 1 Donde L 1 es la longitud de la fibra operacional, L 2 es la longitud de la DCF, D 1 es el coeficiente de dispersión de la fibra operacional y D 2 es el coeficiente de dispersión de la DCF. Varios problemas surgen con el uso de una DCF. Primero, la fibra especial empleada en una DCF presenta más pérdidas que la fibra operacional. Las pérdidas por unidad de longitud van de 0.4 a 1.0 db/km. Esto se suma al total de las pérdidas del enlace. Segundo, se requiere alrededor de 1 km de DCF para compensar de 10 a 12 km de fibra operacional. Tercero, para un diámetro relativamente pequeño, la intensidad óptica es grande para obtener una entrada de potencia mejor, resultando un agravamiento en los efectos no lineales. Para hacer efectivas las técnicas de compensación, es necesario medir el total de dispersión del enlace de fibra instalado con el coeficiente de dispersión de la DCF Dry fiber [17] Generalmente conocida como fibra Allwave, esta fibra posee características superiores a las demás, además de trabajar en una ventana distinta. Antes del lanzamiento de la fibra óptica AllWave en el mercado internacional, los sistemas se limitaban a operar solamente en la banda O (ventana de nm) o en las bandas C y L (1.530 nm a nm). Con la llegada de la fibra óptica AllWave la banda E (ventana de nm) se puso a disposición para expandir la capacidad de las redes ópticas por un costo razonable (el proceso de fabricación fue patentado por OFS, empresa del grupo Furukawa). Este proceso anula de forma definitiva la falla causada por el pico de agua para garantizar una atenuación baja y estable en la región de la banda de 1,400 nm durante toda la vida útil del cable. La fibra óptica AllWave ofrece la atenuación más baja de todas las fibras ópticas de bajo pico de agua.

40 P á g i n a 36 Características de la fibra AllWave Totalmente compatible con todas las normas internacionales referentes a las fibras ópticas monomodo convencionales. Baja atenuación en todo el espectro (1.260 nm a nm) a lo largo de toda la vida útil de la fibra. 50% de aumento en el espectro, soportando aplicaciones CWDM de 16 canales y DWDM. Riguroso control de las características geométricas de la fibra, ofreciendo valores más bajos de pérdida por empalme. Valor muy bajo de PMD permitiendo un aumento en la velocidad y distancias máximas de transmisión. Figura 2.7 Características de la fibra All Wave 2.4 COMPONENTES DE UN SISTEMA ÓPTICO Fuentes y detectores Fuentes ópticas [6] Las fuentes ópticas son las encargadas de convertir las señales eléctricas en señales ópticas y actúan como transductores electro-ópticos en los extremos de la transmisión o de los enlaces de fibra. Las fuentes ópticas deben de ser pequeñas y además de bajo consumo, pero capaces de ser moduladas a altas velocidades y de buena estabilidad con la temperatura, alta pureza espectral y capaces de generar la mayor potencia posible. Las fuentes más utilizadas son el LED y el LÁSER.

41 P á g i n a 37 LED. Es un emisor de baja potencia y precio relativamente económico, que se utiliza para cortas y medianas distancias. En general, se utiliza en primera ventana (850 nm) y segunda ventana (1300 nm) en fibras multimodo. LÁSER. Es un dispositivo de alta potencia y por tanto utilizado para grandes distancias, además de tener un precio más elevado que el LED. Su aplicación se centra en la segunda ventana (1300 nm) en fibras monomodo y en tercera ventana (1550 nm). Los diferentes tipos de fuentes láser se pueden encontrar con sus diversas características en la tabla 6 del anexo. Detectores ópticos El detector óptico se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica y por tanto actúa como un transductor óptico-eléctrico. Estos dispositivos absorben los fotones (luz) procedentes de la fibra óptica y generan una corriente eléctrica sobre un circuito exterior. Existen básicamente dos tipos de detectores: a) PIN. Se trata de una versión mejorada de una unión p-n elemental que trabaja con polarización inversa. Son utilizados de forma general en 850 nm y 1300 nm, con independencia del tipo de fibra óptica. Figura 2.8 Detector óptico PIN b) APD. También conocido por el nombre de fotodiodo de avalancha. Se trata de una unión p-n polarizada inversamente cerca de la región de ruptura que origina un efecto multiplicativo de la corriente generada. Su utilización es escasa debido a las elevadas tensiones de polarización (centenares de voltios) que lo hacen desaconsejable, aunque es diez veces mas sensible que los mismos diodos PIN. Figura 2.9 Fotodiodo de avalancha

42 P á g i n a Modulación y demodulación Modulación Se denomina modulación, a la operación mediante la cual ciertas características de una onda denominada portadora, se modifican en función de otra denominada moduladora, que contiene información, para que esta última pueda ser transmitida. La onda en condiciones de ser transmitida se denomina señal modulada. La Figura 2.10 muestra el proceso genérico de la modulación. Figura 2.10 Proceso de modulación. El proceso inverso, que consiste en separar de la señal modulada, la onda que contiene solamente la información, se llama demodulación. La modificación debe hacerse de tal forma, que la información no se altere en ninguna parte del proceso. Según la portadora sea una señal del tipo analógico o del tipo digital, las diferentes formas de modulación pueden clasificarse en dos grandes grupos: - Modulación por onda continua - Modulación por pulsos. La causa por la cual casi siempre se realiza un proceso de modulación, es que todas las señales que contienen información, deben ser transmitidas a través de un medio físico (cable multipar, fibra óptica, el espectro electromagnético, etc.) que une al transmisor con el receptor. A excepción de que dicha transmisión sea efectuada en la modalidad de banda base (en cuyo caso no es necesario el proceso de modulación), para llevarla a cabo, es necesario, en la mayoría de los casos, que la información sea modificada o procesada de alguna manera antes de ser transmitida por el medio físico elegido. Es decir, debe existir una adaptación entre la señal moduladora a ser transmitida con la Información y el canal.

43 P á g i n a 39 A su vez la señal moduladora puede tener características analógicas o digitales. Demodulación Figura 2.11 Métodos de modulación [16] Es el proceso de traslación en frecuencia de la señal recibida pasabanda a banda base. Hay tres tipos de demodulación: Demodulación coherente o demodulación sincrónica: La fase de la señal es deducida de su relación con una portadora generada localmente, puede usar demodulación homodina o sincrodina.

44 P á g i n a 40 La demodulación homodina significa el uso de la misma portadora transmitida como un piloto junto con la misma señal, en cambio sincrodina implica el uso de una portadora generada localmente que está de alguna manera sincronizada con la portadora implícita en la señal. Un ejemplo de homodina es la demodulación SSB (BLU) y de sincrodina es QAM. La Figura 2.12 muestra dos demoduladores coherentes, uno unidimensional y el otro bidimensional (QM: modulación en cuadratura). Figura 2.12 Demoduladores coherentes, unidimensional y bidimensional. Demodulación no coherente o demodulación libre: En este caso el oscilador es libre a la frecuencia de la portadora, por lo tanto es un caso particular de demodulación heterodina. Este proceso normalmente es seguido de un ecualizador adaptativo. Demodulación diferencial: Ya sea con demodulación coherente o no coherente es necesaria una etapa previa de detección coherente. La Figura 2.13 muestra un demodulador diferencial bidimensional convencional:

45 P á g i n a 41 Figura 2.13 Demodulador diferencial bidimensional convencional Conectores y emplames Conectores Son conexiones temporales de fibras ópticas para conectarlas o desconectarlas de un transmisor, receptor o cualquier otro equipo o dispositivo. Este sistema debe tener una precisión grande para evitar la atenuación de la luz. Suelen emplear los denominados Lentes Colimadores, produciendo pérdidas menores de 1 db. Las fibras monomodo necesitan una precisión más alta en su alineación. Conector FC (mono y multimodo): son conectores económicos y prácticos con un desempeño óptico consistente. Figura 2.14 Conector FC.

46 P á g i n a 42 Conector SC (mono y multimodo): clip duplex disponible. Tienen un mecanismo de empuje-jaleo.son conectores económicos y prácticos. Figura 2.15 Conector SC. Conector ST (mono y multimodo): tiene un mecanismo de acoplado con bayoneta y un alto desempeño para fibras monomodo y multimodo. Figura 2.16 Conector ST. Conector LC (mono y multimodo): a prueba de tirones y con un tamaño compacto, excelente para aplicaciones de alta densidad. Figura 2.17 Conector LC.

47 P á g i n a 43 Conector MU (monomodo): desarrollados para interconexiones de alta densidad y comparte con el conector MTRJ el tamaño compacto. Figura 2.18 Conector MU. Conector DIN: conector compatible con DIN Empalmes Figura 2.19 Conector DIN. Son interconexiones permanentes entre fibras. En este caso, los núcleos de las fibras que se unan deben estar perfectamente alineados a fin de que no se produzca ninguna pérdida. Dentro de los empalmes, existen dos formas de los mismos. Los primeros son los empalmes por fusión, en la cual las dos fibras ópticas son calentadas hasta obtener el punto de fusión, y ambas quedan unidas. Este método siempre tiene una ligera pérdida de 0.2 db. El segundo tipo es el empalme mecánico, en el cual, por elementos de sujeción mecánicos, las puntas adecuadamente cortadas de las fibras se unen, permitiendo el pasaje de la luz de una fibra a otra. La pérdida de información en este segundo caso es ligeramente mayor al primero, de 0.5 db. [8] También se emplean diferentes métodos para alinear las fibras: camisas, ranuras, varillas, etc. Al realizar empalmes y conexiones se introducen atenuaciones por diferentes factores: Desalineamiento de ejes, inclinación de ejes, inclinación de las caras, diferencia del diámetro de los núcleos, diferencia entre los índices de refracción de los núcleos, entre otros. En un empalme o conexión pueden estar presentes uno o varios factores que introducen atenuación.

48 P á g i n a WDM [4] Como la longitud de onda y la frecuencia se relacionan en forma estrecha, el multiplexado por división de longitud de onda o WDM (Wavelenght-division multiplexing) es muy parecido al multiplexado por división de frecuencia o FDM. Dicho parecido es debido a que se trata de enviar señales de información que ocupen la misma banda de frecuencias, a través de la misma fibra y al mismo tiempo, sin que interfieran entre sí. Esto es posible mediante la modulación de diodos láser de inyección que transmiten ondas luminosas muy concentradas a distintas longitudes de onda (λs), es decir, a distintas frecuencias. Así entonces, la técnica de WDM consiste en acoplar la luz de dos o más longitudes de onda discretas para que entren y salgan de la fibra óptica (FO). Principio Básico de WDM A diferencia de FDM, en WDM las longitudes de onda distintas de un pulso de luz viajan a través de una fibra óptica a velocidades diferentes; la luz azul se propaga con más lentitud que la roja, por ejemplo. En los sistemas comunes de comunicaciones por fibra óptica, al propagarse la luz por el cable, la dispersión de longitudes de onda hace que las ondas luminosas se repartan y distribuyan su energía por un tiempo mayor. Así en los sistemas normales de fibra óptica la dispersión de longitudes de onda origina problemas que establecen limitaciones para la eficiencia de los sistemas. Sin embargo, en WDM, la dispersión de longitudes de onda es la esencia de la operación del sistema, ya que en él, las distintas señales de información procedentes de distintas fuentes que ocupan el mismo ancho de banda modulan láseres que funcionan a distintas longitudes de onda. Por esta razón, las señales entran a la fibra al mismo tiempo y viajan por el mismo medio. Aún así, no toman la misma trayectoria por la fibra, ya que cada longitud de onda toma una ruta distinta de transmisión y llega al receptor en momentos ligeramente distintos. Así, el resultado que se tiene es una serie de arcoíris formados de distintos colores (distintas s) de unas 20 mil millonésimas de segundo de duración cada uno y propagados simultáneamente por el cable. WDM se logrará a longitudes de onda próximas a los 1550 nm y las frecuencias sucesivas separadas por múltiplos de 100 GHz. En este caso, la separación de longitudes de onda aproximada es de 0.8 nm. Sistemas WDM [5] Los sistemas WDM se dividen en dos segmentos en el mercado: CWDM y DWDM (Coarse y Dense Wavelenght-Division Multiplexing).

49 P á g i n a 45 CWDM (WDM grueso) Estos sistemas manejan menos longitudes de onda, a diferencia de los DWDM. En estos sistemas, las longitudes de onda están usualmente muy separadas y la señal que baja la información puede ser de 1310 nm y la señal que sube la información puede ser de 1550 nm. La UIT ha estandarizado un espaciamiento de canal de 20 nm para el uso del CWDM, utilizando s de entre 1310 nm y 1610 nm. La principal característica del estándar más reciente de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) con respecto a CWDM, es en relación a que las señales no se espacian apropiadamente para la amplificación de EDFA (Amplificadores de Fibra Dopados con Erbio). Sin embargo, esto limita el ancho óptico CWDM a unos kilómetros de distancia (60 km) para señales de 2.5 Gbps, lo cual suele emplearse en aplicaciones citadinas. Ya que para este tipo de equipos es difícil aprovechar todo el ancho de banda disponible, así como la distancia de transmisión es relativamente pequeña, su costo es elevando. DWDM (WDM denso) Estos sistemas manejan más de 8 s por fibra. Se trata de sistemas que pueden conducir señales ópticas cercanas a los 1550 nm con una separación menor a los 200 GHz. De esta forma, aprovechan perfectamente las posibilidades ofrecidas por los EDFA con longitudes próximas de entre 1530 nm y 1560 nm. Los EDFA pueden amplificar una señal óptica en su rango de operación. Así, en términos de señales de longitudes de onda múltiples, tan pronto como los EDFA suministran la potencia necesaria, es posible que amplifiquen tantas señales ópticas como puedan y podrá ser multiplexado dentro de su banda de amplificación. Entonces, el EDFA permite un solo canal óptico para enlazar y actualizar su tasa de bit y servirá para rutas mucho muy largas. Es importante decir que en la banda de los 1550 nm, será posible la multiplexación de muchos más canales. Ventajas y Desventajas de WDM [4] Entre las ventajas de WDM, es posible destacar que tiene una mayor capacidad, así como la posibilidad de transmisión dúplex con una sola fibra. También, es más fácil de reconfigurar, es decir, de agregar y quitar canales. Por otro lado, entre sus desventajas puede mencionarse que no permite poner las señales tan cercanas en el espectro de longitudes de onda, dado que existirá interferencia entre ellas. Dicha proximidad dependerá de los parámetros de diseño del sistema y de la técnica de amplificación que se use para combinar y separar las señales de distintas longitudes de onda.

50 P á g i n a 46 [5] Multiplexores y acopladores Multiplexión Es la combinación de diversas señales de baja velocidad en una única señal de alta velocidad, con lo cual se consigue una máxima utilización de la infraestructura física. Los sistemas de transmisión asíncronos emplean Multiplexión por División en el Tiempo (TDM). Figura 2.20 Sistema de multiplexión. Involucrándonos más a la transmisión por medio de fibra óptica se tiene que estos equipos sirven para subir o bajar información al equipo WDM. Se pueden configurar de diferentes maneras dependiendo de las necesidades de transporte de la información. Dichas configuraciones son: Multiplexor terminal Un Multiplexor Terminal es aquel que se encuentra al final de la trayectoria de la red de SDH, en cuestión. Es el punto final donde llega la información y de ahí se baja a velocidades de transmisión inferiores. Figura 2.21 Multiplexor terminal. Multiplexor doble Es aquel cuyo equipamiento lleva el doble de tarjetas y por lo tanto el doble de tributarias, nos demultiplexa también el doble de señales.

51 P á g i n a 47 Figura 2.22 Multiplexor terminal doble. Multiplexor de Inserción/Extracción Se encarga de multiplexar y demultiplexar diferentes velocidades y bajar las señales de transmisión de diferentes velocidades, desde un E1 hasta un STM-16. En la figura siguiente se observan, las líneas de entrada y salida. La línea oeste es siempre la de entrada y la este la de salida. Hay que tener cuidado en conectar la señal de recepción a la línea oeste y la señal de transmisión a la línea este. Es lo mismo si se trabaja con tributarias óptica y eléctrica. Configuración como Regenerador Figura 2.23 Multiplexor de Inserción/Extracción. Por ejemplo un equipo 1664 SM en su configuración como regenerador, las señales que recibe son las que salen. La diferencia es que tiene características de amplificación, filtraje de ruidos y el proceso por el que pasa la señal de entrada permite que se regenere o por lo menos no se deteriore. Estos son también llamados multiplexores de paso.

52 P á g i n a 48 Figura 2.24 Regenerador. Acopladores ópticos Existen dispositivos que permiten distribuir la luz proveniente de una fibra hacia otras. Son dos tipos de acopladores los que existen: en T y en estrella. Los acopladores en T permiten distribuir la luz proveniente de una fibra hacia dos salidas; por lo general una entra a una computadora y la otra prosigue hacia las siguientes. Los acopladores en estrella permiten distribuir una sola entrada de información hacia muchas salidas. Estos últimos pueden ser de 3 a 40 puertas. Todo acoplador tiene una pérdida aproximada de 5 db Amplificadores y filtros Amplificadores ópticos [1] Los amplificadores ópticos pueden ser usados para distintos propósitos en el diseño de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica, tal y como se muestra en la figura siguiente. La aplicación más importante para sistemas de largo alcance, consiste en usar amplificadores como amplificadores en línea, los cuales reemplazarán a los regeneradores. Muchos amplificadores pueden ser colocados en cascada en la forma de una cadena periódica, tan larga como para que el desempeño del sistema no esté limitado por efectos acumulativos de dispersión de fibra, no linealidad de fibra y ruido de amplificación. El uso de amplificadores ópticos es particularmente atractivo para sistemas WDM donde todos los canales pueden ser amplificados simultáneamente. Otra manera de emplear los amplificadores, recae en el hecho de incrementar la potencia del transmisor, ubicando un amplificador justo después del transmisor. Dichos amplificadores son conocidos como amplificadores de potencia o boosters, ya que su principal propósito es impulsar o aumentar la potencia que se transmita. Un amplificador de potencia puede incrementar la distancia de transmisión en 100 km o más, dependiendo de la ganancia del amplificador justo antes del receptor para estimular de potencia recibida.

53 P á g i n a 49 Dichos amplificadores se conocen como preamplificadores ópticos y son comúnmente usados para mejorar la sensibilidad del receptor. Otra aplicación de los amplificadores ópticos es para usarlos para compensar pérdidas por distribución. Figura 2.25 Tres posibles aplicaciones de los amplificadores ópticos. a) como amplificadores en línea, b) como un booster de transmisor de potencia, c) como un preamplificador hacia el receptor. Amplificadores de Fibra Dopada con Erbio (EDFA) Los EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifiers), son un importante tipo de amplificadores de fibra hechos a base de elementos de tierras raras (como un medio de ganancia) dopando el núcleo de la fibra durante el proceso de manufactura. Aunque los EDFA fueron estudiados desde 1964, su uso se volvió práctico hasta 1989, después que las técnicas de fabricación y caracterización fueron perfeccionadas. Las propiedades de amplificación, tales como la longitud de onda de operación y el ancho de banda de ganancia, están determinados más por los dopantes que por la sílica, que cumple el papel del medio anfitrión de transmisión.

54 P á g i n a 50 Muchos elementos de tierras raras como: el Erbio, Holmio, Neodimio, Samario, Tulio e Iterbio, pueden ser usados para amplificadores de fibra que operen a diferentes rangos de longitud de onda (de 500 nm a 3500 nm). Los EFDA han atraído gran parte de la atención debido a que operan en la región de longitud de onda cerca a los 1550 nm (3er. Ventana de operación). Su desempeño en sistemas WDM, después de 1995, revolucionó el campo de las comunicaciones por fibra óptica y condujo a los sistemas de onda de luz a exceder capacidades de Tbps. Figura 2.26 a) Diagrama de Nivel de Energía de iones de Erbio en la sílica (niveles de energía de Er 3+ ). b) El espectro de absorción y ganancia de un EFDA, cuyo núcleo fue dopado con germanio. Espectro de Ganancia El espectro de ganancia es la característica más importante de un EFDA ya que determina la amplificación de canales individuales cuando una señal WDM es amplificada. La forma del espectro de ganancia es afectada considerablemente por la naturaleza amorfa de la sílica y por la presencia de otros codopantes dentro del núcleo de la fibra como el germanio y aluminio. El espectro de ganancia es muy ancho y tiene una estructura de doble pico. El agregado del aluminio al núcleo de la fibra ensancha el espectro aún más. El espectro de ganancia de los vidrios de silicato de aluminio tiene aproximadamente contribuciones iguales de los mecanismos de ensanchamiento homogéneo y no homogéneo. El ancho de banda de ganancia de tal EDFA comúnmente excede los 35 nm. El espectro de ganancia de los EDFA puede variar de amplificador a amplificador, aún cuando la composición del núcleo sea la misma porque ésta también depende de la longitud del amplificador. La razón es que la ganancia depende de las secciones transversales de

55 P á g i n a 51 absorción y emisión que tienen diferentes características espectrales. La inversión o ganancia local varía a lo largo de la longitud de la fibra por las variaciones de la potencia de bombeo. La ganancia total es obtenida integrando sobre la longitud del amplificador. Dicha característica puede usarse para realizar EDFAs que proporcionen amplificación en la banda L dando cobertura de la región del espectro de 1570 nm a 1610 nm. Es decir, el rango de longitud de onda sobre el cual el EDFA puede proveer una ganancia constante es de interés primordial para los sistemas WDM. Figura 2.27 Espectro de ganancia de un EDFA medido en la banda L. Requisitos de Bombeo El espectro de ganancia depende del esquema de bombeo, tanto como de la presencia de otros dopantes como el germanio y la alúmina dentro del núcleo. La naturaleza amorfa de la sílica, ensancha los niveles de energía del Er 3+ dentro de las bandas. Muchas transiciones pueden ser usadas para bombear un EDFA. Es posible lograr un bombeo eficiente usando láseres semiconductores que operen en longitudes de onda entre los 0.98 y 1.48 nm. De hecho, el desarrollo de esos láseres fue impulsado precisamente con la llegada de los EDFAs. Es posible obtener una ganancia de 30 db con solo 10 ó 15 mw de potencia de bombeo absorbida. La potencia de bombeo requerida puede ser reducida usando fibras dopadas con aluminio y fósforo, o usando fibras fluorofosfatadas. Con la disponibilidad de láseres semiconductores visibles, los EDFAs pueden ser también bombeados en un rango de longitudes de onda de 0.6 a 0.7 nm. Casi todos los EDFAs usan láseres de bombeo de 980 nm, ya que esos láseres se encuentran disponibles en el mercado y pueden proporcionar más de 100 mw de potencia de bombeo. Un bombeo a 1480 nm requerirá de fibras más largas y potencias mayores, ya que éste usa la cola de la banda de absorción.

56 P á g i n a 52 Los EDFAs pueden ser diseñados para operar de manera que el bombeo y los haces de señal se propaguen en direcciones opuestas. Las configuraciones pueden ser de bombeo hacia atrás y bombeo hacia adelante. El desempeño es casi el mismo en ambas configuraciones cuando la potencia de señal es lo suficientemente pequeña para mantener sin saturar al amplificador. En el régimen de saturación, la eficiencia del conversor de potencia será generalmente mejor en la configuración de bombeo atrasado, principalmente por el importante papel que desempeña la Emisión Espontánea Amplificada (ASE). En la configuración de bombeo bidireccional, el amplificador es bombeado en ambas direcciones de manera simultánea usando dos láseres semiconductores que se localizarán en ambos extremos de la fibra. Como ya se ha mencionado, esta configuración requiere de dos láseres, pero tiene la ventaja que la inversión de población, y la ganancia de pequeña señal, es relativamente uniforme a lo largo de la longitud completa del amplificador. Figura 2.28 Representación del esquema de bombeo de un EDFA. [3] Así pues, como se muestra en la figura de arriba, la técnica conocida como Bombeo Óptico que consiste en la absorción de luz bombeada, para excitar iones de Erbio, pude ser lograda de forma eficiente en la banda de longitud de onda corta del espectro de absorción, cerca de los 1480 nm. Entonces la Emisión y Amplificación se obtendrán entre los 1525 nm y los 1565 nm. Es importante decir que los enlaces submarinos potencialmente requieren de una cadena de amplificadores de ultra-largo alcance, es decir, por arriba de los 10,000 km de longitud, con un costo de reparación muy alto y una sola fuente de potencia en un extremo para todo el sistema. Por tanto, la elección de características de amplificador y la tecnología de dispositivo, deberán ser elementos a considerarse. Primero, para asegurar un alto valor en la relación de señal a ruido (SNR) al final del enlace, es importante mantener la potencia de la señal en un nivel alto a lo largo de su propagación por el enlace. Esto significa, que deberán entonces implementarse longitudes cortas en enlaces de fibra entre dos amplificadores sucesivos de manera que se tenga una pérdida por segmento reducida y así se limite la

57 P á g i n a 53 atenuación de la señal antes de darse la amplificación como tal. Esto significa que la pérdida entre dos amplificadores sucesivos estará en el rango de los 10 a 15 db (ganancia de amplificación), lo cual dependerá de la longitud total del enlace y de la potencia de la señal de salida del amplificador, permitida por los efectos no lineales en el enlace de fibra. Por cierto que los efectos Kerr (Automodulación de fase y modulación de fase cruzada) y el mezclado de cuatro ondas dan lugar a una potencia máxima por canal de alrededor de los 0 dbm, lo que significa que la potencia total de señal de salida del EDFA alcanza entre +12 y +15 dbm en función de la cantidad de canales. Ruido de Amplificación [1] [3] Entre las consideraciones importantes que se deben tener cuenta para los enlaces submarinos, está el ruido de amplificación, el cual es el último factor limitante para la aplicación del sistema. Para un EDFA, el impacto de la Emisión Espontánea Amplificada (ASE), será cuantificado a través de la figura de ruido (F n ), la cual está dada por: F n = 2n sp. El factor de emisión espontanea n sp dependerá de las poblaciones relativas N 1 y N 2, de la tierra y los estados excitados, como n sp = N 2 / (N 2 N 1 ). Ya que los EDFA's operan en la base del esquema de bombeo de tercer nivel, N 1 0, y n sp > 1. Así que la figura de ruido de los EDFAs se espera sea mayor que el valor ideal que es de 3 db, donde dicho valor es posible obtenerlo con un valor alto de bombeo de ganancia de amplificación, de forma que el valor de la potencia de bombeo sea mucho mayor que el mismo en saturación. Figura 2.29 Figura de Ruido y Ganancia de Amplificador como función de la longitud de niveles de bombeo. Es posible darse cuenta que tanto N 1 como N 2 varían a lo largo de la longitud de la fibra por su dependencia de las potencias de bombeo y de señal: n sp deberá ser promediada a lo largo

58 P á g i n a 54 de la longitud de amplificación. Como resultado, la figura de ruido depende tanto de longitud de amplificación L como de la potencia de bombeo P p, de la misma manera que sucede con la ganancia del amplificador. En la figura anterior, se muestra la variación de la Figura de Ruido con la Longitud de Amplificación para varios niveles de potencia de bombeo. La ganancia del amplificador también se muestra bajo las mismas condiciones. Relativamente, los niveles bajos de ruido de los EDFAs harán de éstos una alternativa ideal para los sistemas WDM. A pesar del bajo ruido, el desempeño de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica de ultra-largo alcance que emplean múltiples EDFAs es a menudo limitado por el ruido de amplificación. El problema del ruido es particularmente severo cuando el sistema opera en la región anómala de dispersión de la fibra, debido a un fenómeno no lineal conocido como la inestabilidad de modulación que realza el ruido de amplificación y degrada el espectro de señal. El ruido de amplificación también introduce alteraciones de tiempo. Una figura de ruido puede ser compensada mediante la reducción del tramo de pérdida, así resultando en una cantidad alta de amplificadores para una distancia dada. Esto es crucial, por tanto, para mantener bajo el nivel de figura de ruido de amplificación de manera que se tenga una explotación completa de la capacidad del sistema en términos de las distancias que pueden alcanzarse y de esa manera optimizar el costo del enlace. Una importante característica concierne al sistema en cuanto a su tiempo de vida, el cual debe exceder los 25 años con máximo 3 reparaciones durante ese tiempo. Todos los dispositivos incorporados en el amplificador deben por tanto cumplir con ese requisito de tiempo de vida. Este aspecto ha sido un factor limitante para la implementación de bombeos de 980 nm en los amplificadores submarinos por mucho tiempo. Esto debido a a que los bombeos hacia adelante de 980 nm podrían ofrecer la mejor figura de ruido debido a un alto grado de inversión el cual se puede lograr a la entrada del amplificador. Esto sin embargo es a cuenta de un alto pico de ganancia cercano a una = 1530 nm en el primer metro de la fibra dopada. Así esto lleva entonces a una pérdida de potencia en una ASE emitida en la banda C y a una autosaturación debido a este ruido, degradando así el parámetro de ruido del amplificador. Ciertas técnicas deben por tanto ser implementadas de manera que se garantice un límite de figuras de ruido. Actualmente, los sistemas submarinos son operados bajo niveles de saturación significativos inducidos por la señal de potencia. Grandes figuras de ruido son observadas superando valores en más de la mitad de un decibel en el caso de EDFAs de banda C. Así, un bombeo de 980 nm es menos eficiente para señales de banda L que de banda C (sólo el 25% de eficiencia en conversión de potencia, en comparación con al menos un 40% para EDFAs de banda C). Por ello, un bombeo adicional de 1480 nm hacia atrás será más eficiente para usarse de manera que pueda alcanzarse la potencia de salida requerida.

59 P á g i n a 55 Perspectivas a futuro [3] Los EDFAs han revolucionado los sistemas de comunicación submarinos de fibra óptica debido a sus destacadas características y posibilidades de adaptación, que podrían incrementar aún más la capacidad total de rendimiento desde la primera generación de sistemas unicanal, hasta los sistemas de banda dual ultra ancha (ultrawide-dual band) que permiten la amplificación de cientos de canales. Todas las posibilidades concernientes al uso de su ancho de banda máximo potencial, continúan siendo aún muy lejanas de aprovecharse totalmente como lo es en el caso de los sistemas actualmente en desarrollo, o de igual forma, en la situación de futuros trabajos de investigación para ser desempeñados en los EDFAs de banda ultra ancha, diseñados para aplicaciones submarinas de largo alcance. A la par, la aparición de nuevos dispositivos activos proveerá mayores grados de libertad en la manera en como los sistemas submarinos son operados actualmente. Hasta hoy, todos los dispositivos, tanto activos como pasivos (como las bombas), incorporados en los enlaces submarinos han sido diseñados para mostrar ciertas características variantes, y que con el tiempo éstas puedan irse reduciendo tanto como sea posible. La disponibilidad de atenuadores variables, compensadores dinámicos, y ecualizadores de ganancia dinámicamente ajustables, pronto ayudarán a relajar los requerimientos puestos en todos los dispositivos pasivos y dar nuevos márgenes al sistema. Ubicando tales componentes a lo largo del enlace (aproximadamente de 10 a 20 amplificadores), será posible asegurar el perfecto control de potencia de canal a lo largo de toda la propagación, por tanto proveyendo una SNR (Relación Señal-Ruido) alta a la salida durante todo el tiempo de vida del sistema. La confiabilidad, consumo de potencia y pérdida de inserción serán determinantes para la tecnología que utilicen dichos dispositivos. La implementación de regeneradores 2R y 3R (el EDFA se considera un regenerador 1R) que deberán reemplazar a los amplificadores ópticos aún no toma mucha importancia. Primero, porque el costo es muy alto aún debido a la complejidad de la función realizada, así como por el dispositivo. Y segundo, ya que en contraste con los amplificadores de fibra, los dispositivos propuestos hasta ahora no son de banda ancha, haciéndoles imprácticos para los sistemas que manejan cientos de canales. El trabajo futuro quizá traiga solución a este problema, mientras tanto, los EDFA's son la actual alternativa.

60 P á g i n a 56 CAPÍTULO 3 CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES ÓPTICO SUBMARINO 3.1 TIPOS DE CABLES [3] Se requieren varios niveles de protección para afrontar las necesidades de los sistemas transoceánicos. Son ocho los tipos básicos de protección, pero no a todo el cable se le asignan todos los tipos de protección dentro de su rango. De hecho, algunos tipos de protección son raramente requeridos, un nivel más alto de protección a menudo puede sustituir a un nivel más bajo de protección, así desde un cable de aguas profundas a uno de doble blindaje, o a uno de propósitos especiales de bajas profundidades. Todo tipo de cable debe ser capaz de ser tendido y recuperado desde sus máximas profundidades de operación. Ya que es común el uso de varios tipos de cable para un solo sistema, las transiciones o uniones entre éstos son requeridas. Por lo tanto, también debe ser posible para el cable más débil ser capaz de colocar y recuperar al cable del tipo más pesado. Por ejemplo, el cable de aguas profundas debe ser capaz de tirar de un cable de abrasión de aguas profundas hacia la superficie desde las profundidades máximas en que está operando. Todos los cables blindados, normalmente tendidos a profundidades menores a los 1500 m, deben ser capaces de enterrarse por arado, aunque esta profundidad puede incrementarse pronto a los 2000 m dado que la tendencia de pesca profunda de especies como el Orange Roughy (Hoplostethus atlanticus), está incrementado los requisitos de entierro de algunas plataformas continentales. El entierro por chorro a 2000 m de profundidad es ahora más común, pero la mayoría de los arados se limitan sólo a los 1500 m. 1.- Cable ligero de aguas profundas Este tipo de cable (Fig. 3.1) es requerido para operaciones a grandes profundidades del mar, de 8500 m. Esta profundidad sólo se presenta en trincheras oceánicas entre placas tectónicas; estas trincheras o zanjas frecuentemente tienen que ser cruzadas para alcanzar importantes puntos en Japón, Australia y el Caribe. Muchas de las rutas de cable a lo largo de los océanos Pacífico y Atlántico, no exceden los 6000 m y son planicies abisales o bordes con suaves llanos en el fondo del mar y con pequeñas o nulas corrientes marinas. El cable ligero para aguas profundas es el diseño más básico de la familia de cables, ofreciendo un núcleo óptico que contiene las fibras y las protege contra presiones con un ensamble de alambre en una bóveda, lo cual también asegura la resistencia mecánica longitudinal. Este cable también incluye un conductor de corriente (usualmente de cobre) y debe proteger su alto voltaje (~10 kv) con un aislador alrededor de su estructura.

61 P á g i n a 57 Los demás tipos de cables están basados en el cable ligero para profundidades pero con protección adicional. 2.- Cables con protección a abrasiones Figura 3.1 Fibra ligera No todas las rutas transoceánicas están en cuencas, llanos o superficies planas; contornos empinados que se encuentran a mitad del océano que se elevan, crestas y montes del mar frecuentemente tienen que ser cruzados. La inspección marina seleccionará una ruta evitando los terrenos escampados, pero inevitablemente algunas vertientes tienen que ser atacadas, especialmente las zanjas. Muchas áreas en el fondo del océano están también sujetas a constantes corrientes marinas, las cuales pueden causar que el cable esté rozando constantemente con el fondo del mar. Algunas de estas regiones ya se conocen y pueden ser evitadas, pero la congestión o la distancia de la ruta son limitaciones y puede requerirse que el cable tenga una protección adicional. Los primeros cables telefónicos ligeros usados en el fondo del mar, incorporaban una protección externa de cobre o aluminio para controlar la impedancia de los mismos. Esto, de hecho, proporcionó alguna protección adicional contra abrasiones o rozamientos. En varias aplicaciones ópticas en zanjas del Pacífico hacia el Noreste de Australia, la resistencia adicional contra abrasiones fue suministrada usando una capa externa de polietileno. Los cables ópticos submarinos ligeros de aguas profundas pueden ser aún más protegidos por una cinta metálica exterior y una capa externa de polietileno. La cinta es normalmente de acero y es unida tanto al aislamiento del cable ligero como a la cubierta exterior. También el aluminio fue usado en algunos diseños de cables, pero su resistencia a

62 P á g i n a 58 las abrasiones es pobre en comparación con la resistencia del acero. Dado que esta protección es ahora sólo para protección extra para aguas profundas, la capa es frecuentemente hecha con polietileno de alta densidad. Este tipo de protección puede normalmente proveer 100 veces más resistencia a las abrasiones que un cable ligero sin protección. Uno de los primeros sistemas de cable de fibra óptica submarino instalado en el Atlántico a finales de 1980 estuvo sujeto a muchas fallas de aislamiento, que se creyó fueron debidas a mordidas de tiburones. Se creía que los tiburones eran atraídos al cable por la vibración visible del mismo, es decir a la vibración acústica generada por su propio movimiento, o por el alto campo magnético a su alrededor. Los cables para el TAT8 fueron por lo tanto protegidos con cinta contra mordidas de peces y los términos Protección contra mordida de pez y Protección contra mordida de tiburón fueron inventados entonces. Algunos términos diferentes son usados para la protección de cable contra abrasiones o peces, incluyendo ligero protegido (LWP), protección contra mordida de pez (FBP), aplicación de propósito especial (SPA) y con ligero apantallamiento (LWS). 3.- Cable blindado de aguas profundas Hay necesidad del cable resistente a abrasiones en algunas áreas para atravesar laderas muy empinadas y regiones con fuertes corrientes en el fondo del mar, y en estas áreas las abrasiones continuas y los rozamientos del cable contra el áspero fondo del mar requieren de mayor protección de la que puede ofrecer una cinta metálica. Un cable de aguas profundas blindado ha sido desarrollado, con una capa externa de alambre de acero de 2 a 3 mm de diámetro de alambre de acero, puede ser recuperado y reusado en mar profundo a más de 6000 m. Este tipo de cable blindado provee 1000 veces más resistencia a las abrasiones que el cable ligero. 4.- Cable ligero con blindaje simple En aguas no muy profundas hay la necesidad de un cable ligero y blindado, que pueda ser colocado a 2000 m, la cual es la máxima profundidad a la cual llega el equipo de pesca actual y la máxima profundidad a la cual la mayoría de los peces comestibles pueden ser encontrados. Como se mencionó antes, a esta profundidad el cable es frecuentemente enterrado por chorro o arado. Cuando un cable es completamente protegido de las agresiones externas de otros habitantes del fondo marino, sólo la protección ligera es requerida. El cable ligero con blindaje simple (SAL), o ligero blindado con alambre (LWA), con una capa externa de alambres de 3 a 3.5 mm de diámetro, el cual puede sobrevivir a ser enterrado y desenterrado, es normalmente usado para esta aplicación. Algunos cables más ligeros son usados en aplicaciones sin repetidores con este tipo de protección son frecuentemente llamados cables de blindaje simple (SA).

63 P á g i n a Cable pesado con blindaje simple En aguas no muy profundas de 1000 a 1500 m, pudiera no ser muy práctico enterrar algunas secciones de cable a la máxima profundidad requerida. También, se sabe que las amenazas conocidas de la región pueden ser bastante significantes para requerir un cable de blindaje simple con mayor protección y resistencia que el cable ligero de blindaje simple. En este caso, se recomienda un cable con una capa simple de alambres más gruesos y largos, de entre 4.5 y 7 mm de diámetro. Este tipo de cables se conocen como cable con blindaje simple (SA), cable con blindaje simple medio (SAM) y cable con blindaje simple pesado (SAH). 6.- Cable ligero de doble blindaje En grandes tramos de cable ligero de blindaje simple, que normalmente se encuentra enterrado, la ruta frecuentemente atraviesa regiones donde no puede enterrarse, debido a zonas rocosas, conductos u otros cables submarinos. En estos puntos, el cable es frecuentemente reforzado agregándole una segunda capa de alambre de 4.5 a 7 mm de diámetro. Este tipo de cable es normalmente colocado hasta unos 500 m. Algunos cables más ligeros usados para aplicaciones sin repetidores con este tipo de protección son frecuentemente llamados cables de doble blindaje (DA). 7.-Cable pesado de doble blindaje En aguas poco profundas (menores a 50 a 80 m), adonde las anclas de los barcos pueden llegar, se requiere de una protección adicional. En áreas que no son muy profundas con alto riesgo por la pesca o el dragado, donde el cable no puede ser enterrado, puede requerirse de mayor protección que la ofrecida por un cable ligero de doble blindaje. La embarcación que coloca el cable desde la orilla de la playa puede normalmente estar tan cercana como los 12 m de la marca de agua. El cable desde ahí hasta el pozo de la playa, donde el cable submarino se une al cable terrestre, se llama extremo de costa. Éste tiene que ser flotado a tierra por la marea y jalado hacia la playa o a través de algunos tubos especialmente dispuestos para ello. Para estas aplicaciones, un cable pesado de blindaje simple es reforzado con una capa externa de alambres de 4.5 a 7 mm de diámetro. 8.- Cable de Propósitos especiales de bajas profundidades En regiones donde la pesca es intensa con redes de arrastre, no siempre es posible enterrar el cable sin correr peligro de comprometerse con este riesgo. Un buen entierro es posible sólo si hay un sustrato suave en donde se pueda abrir una zanja y si el fondo marino es estable y no está sujeto a movimientos. En áreas próximas al occidente europeo, donde el afloramiento de granito descarta el entierro, o en el Mar del Norte, donde el movimiento constante de la arena expone a la vista cables previamente enterrados los cables de propósitos especiales son una buena solución. Estos cables han sido diseñados para resistir los niveles más altos de maltrato al ser enredados por las redes y el equipo pesquero.

64 P á g i n a 60 Dos tipos de cable son usados: 1.- Cable Blindado de Roca (RA), el cual tiene una constitución de blindaje doble con los cables exteriores con una separación muy pequeña entre ellos, permitiendo colocar al cable con ángulos mayores de 45. Esta separación resulta en una cantidad pequeña de cables que proveen una resistencia concéntrica, además de la resistencia al aplastamiento y al desplazamiento de alambres. Este diseño es muy sensible al ángulo de colocación, al diámetro del cable y del alambre y la preforma del alambre. 2.- El otro tipo de cable, con una cinta de acero interna, permite resistir la penetración de los cables de blindaje dentro del aislamiento de polietileno. Una profunda penetración dentro del dieléctrico causado por altas cargas de aplastamiento, lleva a fallas del alto voltaje. Este tipo de cable también se usa para resistir al ácido sulfhídrico. 3.2 CARACTERÍSTICAS DE UNA INSTALACIÓN SUBMARINA La red de estaciones terminales están eléctrica y ópticamente conectadas por la instalación sumergida. Como se puede ver en la Figura 3.2, esta planta consta del cable de transmisión, repetidores para amplificar la señal en intervalos regulares, ecualizadores para mantener la potencia de la señal igual en cada canal, y de unidades de ramificación o derivación (BU) para posibilitar conectividad y flexibilidad con otras redes. Asociado al equipo que está sumergido, está el equipo de la fuente de poder, el cual está localizado en las estaciones terminales. Repetidores, ecualizadores, BUs y el equipo de la fuente de poder se describirán a continuación. La información es transportada en todas las formas de vía óptica por medio de fibras de silicio en el cable submarino con una tasa de bits por arriba de 1 a 2 Tbps por fibra usando la técnica de transmisión DWDM. Las fibras ópticas poseen pérdidas inherentes, lo que provoca degradación en la señal para transmisiones a grandes distancias. Una reducción en la potencia de la señal óptica ocurre con el incremento de la distancia de propagación, así que para la transmisión a través de distancias mayores de alrededor de los 400 Km, las señales deben ser amplificadas en intervalos regulares, o tramos, típicamente de 40 a 60 Km de manera que pueden ser procesadas con éxito para ser recibidas en la estación terminal. Cadenas de repetidores pueden ser vistas en cada segmento de la red mostrada en la Figura 3.2. La actual generación de repetidores ópticos incorpora un amplificador con fibra dopada de erbio (EDFA) para cada fibra de transmisión en el cable. Este amplificador aumenta la potencia de la señal en cada canal transportado por la fibra, independientemente de la tasa de bits. Los filtros de ganancia plana son usados en cada repetidor para asegurar que cada canal óptico es enviado al siguiente repetidor en la cadena con el mismo nivel de potencia. Los filtros en los repetidores no son perfectos, pues una pequeña acumulación de errores conducen a desviaciones desde el espectro llano de la señal después de la transmisión a través de algunos dispositivos. Los ecualizadores son colocados en la red entre cada bloque

65 P á g i n a 61 que normalmente contiene 12 repetidores, para asegurar la llanura de la potencia de canal o lo que se conoce como ecualización, requerimiento que se conoce así para asegurar mínimos errores que suceden en cada canal antes de la recepción. Tanto repetidores y ecualizadores juntos, permiten que grandes distancias en las telecomunicaciones submarinas puedan alcanzarse. Pero varias redes requieren de características que son complementarias para una transmisión simple punto a punto y, cuyos repetidores y ecualizadores no son suministrados. Por ejemplo, la desviación o ruteo de las fibras o señales individuales de canal (longitudes de onda) a nodos (donde tres cables se unen) es un requisito común. También, en el caso de una fractura en algún segmento de cable, es necesario reconfigurar la fuente de poder para asegurar el tráfico en otros segmentos que se mantienen libres de daño dentro de la red. La conectividad de la red óptica y la flexibilidad de la fuente de poder necesitan satisfacer estas características adicionales que están provistas de BUs localizadas en cada nodo. Figura 3.2 Elementos de una red submarina de telecomunicaciones El ambiente operacional en la instalación sumergida tiene grandes exigencias en su diseño mecánico. Colocando en las profundidades los repetidores y ecualizadores se puede alcanzar los 8 km, donde la presión hidrostática es alrededor de 800 atmósferas (80 MPa). Además de estos requisitos de resistencia mecánica contra la presión externa del agua, la carcasa del equipo debe proteger la atmósfera interior contra el ingreso de gases (especialmente hidrógeno). La instalación necesita ser operada a voltajes por arriba de los 15 kv, más que el potencial que se tiene en el fondo del mar, entonces debe ser diseñada de modo que todos los componentes electrónicos importantes se mantengan dentro de los límites termales de operación y puedan arreglárselas al colocar el cable en el océano. La instalación sumergida debe ser alimentada desde la estación terminal, donde el equipo de la fuente de poder (PFE) es instalado. La corriente necesaria para alimentar los repetidores, los ecualizadores activos (TEQ) y los BUs en un segmento es entregada a lo largo de un conductor de cobre que rodea a la fibra óptica en el cable submarino. El PFE no sólo provee energía a la instalación sumergida, sino también suele usarse para dar terminación a los cables terrestres y submarinos, y ofrecer conexiones a tierra, distribución de potencia y monitoreo de las estaciones eléctricas de la red.

66 P á g i n a 62 La red simple de la Figura 3.2 puede ser energizada de varias formas. Para todas las grandes distancias entre terminales, los repetidores, los ecualizadores y las BUs a lo largo del cable primario o troncal pueden ser energizados desde cualquier terminal A o B pero sólo desde una, aunque para propósitos de redundancia la provisión de un alto voltaje de CD es normalmente compartido entre los PFE en cada terminal. El PFE entonces energiza los extremos con voltajes de polaridad opuesta y hay una tierra virtual a la mitad de la troncal o del segmento. Las limitaciones del alto voltaje lo hacen obligatorio para energizar líneas troncales muy grandes con una parte de la energía entre las terminales. El cable secundario o spur que está conectado al nodo BU de la tercera estación terminal C, es energizado desde esa estación. En cualquier momento, el BU puede ser instruido para reconfigurarse para hacer de alguna de las rutas A-C ó B-C la troncal, quizá mientras alguna falla en el cable es reparada a lo largo de la ruta A-B. El tiempo de vida estimado para una red submarina es de 25 años. El objetivo de la confiabilidad de la planta submarina es que no más de un buque de reparación deba ser necesario durante ese tiempo de vida por dos pares de fibras en un cable trasatlántico (7000 km o alrededor de 175 repetidores). Una alta confiabilidad se asegura desde el diseño con el uso de electrónica confiable y aplicaciones de redundancia para componentes que despliegan un alto índice de fallas, junto con un estricto proceso de calidad en la selección, pruebas y documentación de los componentes Repetidores Los repetidores permiten transportar señales ópticas a grandes distancias. Esto se lleva a cabo usando Amplificadores de fibra óptica dopada con erbio (EDFAs) para aumentar la potencia de la señal de los canales dentro de la banda C ( nm) del espectro de transmisión infrarrojo. La misma tecnología puede ser aplicada para amplificar los canales de la banda L ( nm). Todo el equipo sumergido es diseñado con base en un par de fibras para operaciones bidireccionales (una fibra para cada dirección), y pares de amplificadores son los bloques principales para la construcción de los repetidores. Aunque hay un EDFA por fibra, el bombeo del diodo láser (LD), el control y la supervisión de estos circuitos se comparten entre dos EDFAs del par de amplificadores. Un repetidor simple puede ser usado para amplificar señales de hasta 12 pares de fibras, aunque una red típica debería incluir 4 ó 6 pares de fibras. La vista exterior de un repetidor se muestra en la Figura 3.3. En el interior del contenedor central están los EDFAs y su electrónica asociada, de potencia, control y supervisión. Aquí consideramos la ingeniería óptica y electrónica de los repetidores.

67 P á g i n a 63 Figura 3.3 Vista exterior de un repetidor. El diámetro y la longitud del contenedor central es típicamente de 300 y mm, respectivamente. Figura 3.4 Esquema óptico de un repetidor submarino EDFA Topología óptica La topología óptica de una implementación típica de EDFAs usada en los repetidores submarinos se muestra en la Figura 3.4 para un par de fibras. Los diodos láser de bombeo son proporcionados en pares o cuádruplos (como se muestra) y tienen longitudes de onda de 1480 ó 980 nm. Generalmente hablando, los primeros repetidores ópticos que se crearon usaban LDs de 1480 nm. Cuando estuvieron disponibles dispositivos fiables de 980 nm, permitieron un bombeo más eficiente con una más baja salida de ruido y ahora han reemplazado la tecnología a 1480 nm. Donde ambos LDs de 980 y 1480 nm fueron usados, el primero suministraba co-bombeo de la señal y el segundo suministraba bombeo en sentido contrario. Esto permite que dos simples bombas multiplexoras de señal sean usadas a pesar de la presencia de dos longitudes de onda de bombeo. Sin importar la longitud de

68 P á g i n a 64 onda de la bomba, aunque la potencia de bombeo necesaria podría ser provista por dos LDs, se usan cuatro en una configuración redundante con el propósito de garantizar la confiabilidad. La redundancia es provista en una forma simple y fiable compartiendo las bombas para las dos direcciones usando acopladores de fibra óptica. Los LDs a 980 nm de la Figura 3.4 tienen sus longitudes de onda estabilizadas por rejillas y sus salidas son combinadas en dos pasos, antes de ser divididas e introducidas dentro de las dos fibras dopadas con erbio en el par amplificador. En cada EDFA, la radiación de la bomba es inyectada en la fibra que transporta la señal mediante un multiplexor acoplador de división de longitud de onda (WDM) que también permite el tráfico de señales de 1550 nm con un mínimo de pérdidas. La radiación de la bomba entra entonces en una espiral de 10 a 20 m de longitud de fibra dopada con erbio, cuya longitud y concentración de dopantes fueron seleccionadas con base en la red para amplificar las longitudes de onda de las señales con la ganancia y los niveles de potencia, así de la fibra se tiene un aislador con bajas pérdidas el cual es usado para evitar las reflexiones de la señal de los componentes ópticos subsecuentes que permanecen en la línea de la señal. Esto es necesario para minimizar la extracción de potencia parásita de la señal en la dirección opuesta a la transmisión del tráfico. Filtros de aplanado de ganancia (GFFs) son usados para imponer potencias iguales en cada canal de señal y su uso en cada repetidor es necesario para asegurar que la tasa de error de bit de la señal recibida alcance el mínimo requerimiento para todos los canales. La causa principal de la potencia de canal no balanceada es que la ganancia del amplificador EDF depende de la longitud de onda. Otros factores incluyen pérdidas que dependen de las longitudes de onda de otros componentes en los amplificadores y de la fibra de transmisión. Entonces también la dispersión de Raman estimulada en las fibras de transmisión transfiere energía de las longitudes de onda más cortas a las más largas, generando una inclinación lineal (en términos logarítmicos) a través del ancho de banda. Los GFFs típicamente constan de rejillas de fibra en línea, filtros de fibras de disminución gradual o elementos de multicapas dieléctricas (MDL). Los filtros deberían ajustarse a las estrictas especificaciones con respecto a las longitudes de onda (± 0.25 nm) y pérdida en la transmisión (± 0.1 db), y mostrar estabilidad de las longitudes de onda contra dobleces (pérdidas < 0.1 db/m), estiramiento, temperatura (0.01 nm/ C) y humedad. Además, deberían tener bajo exceso de inserción de pérdidas, bajas pérdidas dependientes de polarización (PDL < 0.1 db), baja dispersión por modo de polarización (PMD < 0.05 ps) y una pequeña reflexión (< -35 db) Las características típicas son mostradas en la Tabla 3.1:

69 P á g i n a 65 Tabla 3.1 Características típicas de un amplificador submarino en banda C. Rango de longitud de onda Núm. de canales (espaciamiento 50/33 GHz) Ganancia Potencia óptica de salida (por amplificador) Figura de ruido de amplificación Pérdidas dependientes de polarización Dispersión por modo de polarización nm 82/120 canales Hasta de 18 db Hasta +15 dbm (32 mw) 4-5 db db ps Electrónica de manejo y control La circuitería de manejo y control del LD requiere de una fuente de voltaje estable, usualmente provista por una serie de diodos Zener manejados directamente desde un puente rectificador para habilitar la potencia en ambas direcciones. Varios tipos de control de retroalimentación pueden ser usados para estabilizar las características del amplificador. Con un control de potencia media (MPC), la salida de potencia del LD está fija en un nivel. Los láseres frecuentemente tienen integrados diodos PIN para monitorear sus potencias y para proporcionar una señal de retroalimentación. El control de nivel automático (ALC) provee estabilización de la potencia de la señal. Figura 3.5 Circuito de control de láser

70 P á g i n a 66 Supervisión de funcionalidad El circuito supervisor en un repetidor habilita que el estado de cada amplificador sea monitoreado y proporciona algún control externo sobre su funcionamiento. La información del nivel de entrada y salida para cada repetidor permite también localizar fallas en el cable. El circuito de supervisión puede ser usado también como parte de una instalación de COTDR (Reflectometría óptica coherente en el dominio del tiempo) que permite que las fallas del cable de fibra óptica sean localizadas con una alta precisión Ecualizadores El equipo de ecualización que se encuentra sumergido es incluido en las redes para asegurar que la potencia de la señal sea distribuida igualmente entre los canales de modo que los mínimos requerimientos de la tasa de error de bits se cumplan por todos los canales. Los filtros de aplanado de ganancia (GFFs) son usados en cada repetidor para corregir la distorsión impuesta en el espectro de la potencia de salida del espectro por la curva de ganancia del amplificador EDF y debido a las pérdidas que dependen de longitudes de onda en las fibras de transmisión. La corrección produce un espectro de energía plano a través de todos los canales pero ésta no es una solución completa. Ecualizadores pasivos El principal medio para corregir errores residuales acumulativos debidos a variaciones de fabricación en cada repetidor es el uso de ecualizadores pasivos, cuyas características son establecidas en la fábrica. Los ecualizadores pasivos contienen filtros de transmisión fijos que son empalmados con las fibras ópticas que pasan a través del compartimento. Los TEQs pasivos difieren de los SEQs pasivos sólo en la dependencia de las longitudes de onda de los filtros que son usados. Usualmente, las pérdidas de inserción son de 3 7 db en el promedio del rango de ecualización y el rango de ecualización típico es de 1 6 db. Los ecualizadores pasivos no requieren energía y tienen resistencia de CD < 0.5 ohms. Ecualizadores de inclinación activos El envejecimiento de las fibras ópticas en un cable y las longitudes adicionales de cable sumadas cuando es reparado llevan a un incremento en las pérdidas de transmisión comparadas con el comienzo de vida de la red. Para repetidores con control automático del nivel de potencia de salida, una caída en la potencia de la señal de entrada debería conducir a un incremento de la ganancia del EDFA para longitudes de onda cortas comparadas con longitudes de onda más grandes de esta forma resultando una inclinación negativa, esto es, una que lleva más energía en la longitud de onda más corta del ancho de banda.

71 P á g i n a Unidades ramificadotas (BU) Las unidades ramificadoras permiten enrutar fibras o canales ópticos individuales en los nodos de la red submarina donde tres cables se unen. Hay similitudes en sus dimensiones con las de los repetidores pero la BU tiene dos conexiones de cable como se muestra en la Figura 3.6. Las unidades que proveen rutas para fibras ópticas son conocidas como fullfiber-drop BUs, de extracción de fibras completas mientras que las que permiten preseleccionar individualmente los canales para ser insertados o extraídos, son llamadas BUs de inserción/extracción de longitud de onda. Cualquier tipo de BU puede ser configurado con amplificación en uno o más pares de fibras usando EDFAs basados en aquellos usados en los repetidores. Diferentes diseños de redes cableadas requieren diferentes funciones de conmutación de las divisiones BU. Por ejemplo, una troncal o backbone con varias ramificaciones regionales o divisiones puede requerir una instalación de enlace troncal para mantener la disponibilidad de la troncal, sin importar la necesidad de que deba haber reparaciones en alguna de las ramificaciones. Figura 3.6 Vista exterior de una unidad ramificadora. La unidad central cilíndrica de color blanco contiene los componentes electrónicos y ópticos y mide típicamente 300 mm de diámetro y mm de longitud. 3.3 CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN [5] En los sistemas de comunicaciones por medio de fibra óptica submarina se utiliza un medio de multiplexión particular, esto debido a que presenta diversas pero contundentes ventajas sobre los demás métodos de multiplexión: en la actualidad la forma más eficiente de aprovechar el gran ancho de banda que ofrecen las fibras ópticas es por medio de multiplexión por longitud de onda Denso (DWDM). En la siguiente figura se muestra el avance referido al tiempo en las capacidades de transmisión hasta épocas recientes.

72 P á g i n a 68 Figura 3.7 Evolución de la capacidad de transmisión de los sistemas de cable trasatlánticos junto con el tipo de tecnología utilizada. En la figura 3.7 se muestra el gran salto que se ha presentado en las comunicaciones por medio de este tipo de tecnología la cual puede presentar tasas de transferencia de datos del orden de los 1000 Gbps, esto tiene una gran ventaja sobre los Amplificadores ópticos, que, dicho sea de paso, también forman una parte muy importante en los sistemas de comunicación por medio de fibra óptica submarina. Uno de los problemas a los que se ha visto sujeta la transmisión de información por cable submarino es la necesidad de utilizar lásers emisores que transmitan la señal con mayor potencia, que sea capaz de alcanzar grandes distancias sin atenuación, por lo que M. Nakazagua en 1989, con sus colaboradores fue capaz de obtener un amplificador eficiente de fibra óptica dopada con erbio utilizando los diodos láser de alta potencia de 1.48 µm desarrollados previamente para los amplificadores Raman de fibra. De esta manera se empezaron a utilizar los amplificadores de este tipo por su bidirecionalidad, alta eficiencia, pequeña figura de ruido, altas ganancias (hasta 50 db), insensibilidad a la polarización, poca distorsión en frecuencias superiores a los MHz o su ancho de banda de unos 40 nm. Aunque la gran capacidad y ancho de banda que poseen dichos sistemas está dada en el orden de los Terabits, presentan una gran limitante que es que el ancho de banda se degrada demasiado y la señal se distorsiona por dispersión cromática y efectos ópticos no lineales. Sin embargo ya existen varias tecnologías que prometen minimizar estas limitantes: Supresión de dispersión utilizando repetidores de bajo ruido, como los que utilizan láser de 980 nm. Longitud de onda espaciada que se logra mediante una precisa ecualización en ganancia por explotación de la banda L de los amplificadores ópticos.

73 P á g i n a 69 Reducción de la densidad de energía de la dispersión cromática, lograda por el uso de nuevos tipos de fibras ópticas. El ruido que eliminan los amplificadores ópticos experimentales es de 4.9 db con +13 db de potencia de salida, lo cual genera una eficiencia de emisión de 1.48 µm. Compensar un perfil de ganancia asimétrica utilizando diferentes rangos del espectro libre, resulta en un ancho de banda de 26 nm después de la transmisión de alrededor de 2,000 km. Estas tecnologías combinadas con las nuevas características de la fibra óptica con áreas efectivas grandes, con un orden alto de compensación de la dispersión (hasta un tercer orden), serán capaces de realizar la transmisión práctica de Terabits en redes de distancias transoceánicas de manera óptima involucrando datos de la red, con voz y video, IP y otros servicios de telecomunicación. Solamente una red submarina puede satisfacer este tipo de requerimientos que van evolucionando día a día y también hace que los costos por todos estos servicios disminuyan debido a la velocidad de transmisión y recepción, a las protecciones a que está sujeta la información y gracias al gran ancho de banda el volumen es suficiente para satisfacer los requerimientos más sofisticados, ya que en este tipo de equipos se puede bajar desde un canal de bajo nivel de 64 kbps hasta 16 de 2.5 Mbps. 3.4 MODULACIÓN Y ESQUEMA DE MULTIPLEXAJE [15] La gestión de una red es una de las funciones más importantes que se emplean en una red óptica con tecnología WDM (multiplexación por longitud de onda). Tiene importancia conocer las funciones y dispositivos con los que se administrará dicha red. Cuando se gestiona la red se deben de llevar a cabo varios tipos de gestiones como son la gestión de funcionamiento, de averías, de conexión, de adaptación, de seguridad y de estimaciones. También se debe de tener en cuenta el método utilizado para la gestión de una red que podrá ser centralizado o descentralizado, siendo más eficaz y rápido el descentralizado ya que son más de un elemento, comunicados entre sí, los que se encargan de controlar la red al completo. Este método se utiliza con frecuencia en redes de gran cobertura. Los EMS son sistemas que gestionan un solo elemento y se comunican con el resto de EMS existentes en la red. Hay veces en las que interesa poder gestionar varios elementos a la vez o tener una visión de la red al completo por lo que se tendrá que establecer comunicación con el sistema de gestión NMS o sistema de apoyo a las operaciones OSS. Los sistemas de gestión, tanto de la red como de los elementos en particular, se basan en una programación Orientada a Objetos, lo cual hace que la Herencia (las características de una función especifica son transferidas o otra función simplemente al vincularlas) tome un papel importante en este tipo de redes.

74 P á g i n a 70 Uno de los protocolos más utilizados en una red óptica en las últimas décadas es TMN, el cual definió una jerarquía de sistemas de gestión para modelar la información que se manejará así como los protocolos utilizados para establecer la comunicación entre maestro y esclavo (un programa de mayor jerarquía hace que otro le sirva y realice parte de sus funciones). La capa óptica proporciona caminos ópticos a otras capas tales como SONET, IP o ATM. La capa óptica puede ser vista como una capa servidor y como la capa más alta que hace uso de los servicios proporcionados por la capa óptica cliente por lo que necesitamos especificar claramente un servicio interfaz entre la capa óptica y sus capas clientes. LA CAPA ÓPTICA. INTEROPERABILIDAD Y SEGURIDAD Con el objetivo de definir funciones de control y proveer de límites convenientes entre diferentes tipos de equipos, es de gran utilidad subdividir la capa óptica en distintas subcapas. Éstas son: -Capa de Canal óptico (OCh): Encaminamiento extremo a extremo. -Capa de Sección de Multiplexación Óptica (OMS): Cada enlace entre OLTs o OADMs es una sección de multiplexación óptica y transporta múltiples longitudes de onda. -Capa de Sección de Transmisión Óptica (OTS): Una sección de transmisión es una porción o segmento de un enlace entre dos amplificadores ópticos. La estandarización se hace necesaria para reducir la dependencia de estos proveedores de un solo vendedor y para abaratar los costos de implantación de la red. En el caso de WDM, lograr la interoperabilidad en el nivel óptico es particularmente difícil por el hecho de que la interfaz es una interfaz analógica bastante compleja, más que una simple interfaz digital. Además debería haber acuerdo relativo a una gran cantidad de parámetros (BER, tasa de bit, etc.). Una solución más práctica para esto es usar transpondedores o regeneradores para interconectar subredes ópticas dispares. Mientras esta alternativa puede resultar en un incremento del costo en equipos, provee límites claros y aislados entre subredes ópticas, haciendo más fácil localizar e identificar averías. En cuanto a los sistemas se seguridad, para impedir radiaciones peligrosas, existen mecanismos preventivos y reactivos. Los primeros representan límites a la potencia máxima en los sistemas de comunicaciones ópticas definiendo clases asociadas a cada sistema según la peligrosidad de las posibles radiaciones. Por su parte, los mecanismos reactivos actúan una vez producido un fallo o corte de fibra. Así, cuando un nodo detecta pérdida de luz, apaga sus láseres y amplificadores automáticamente. El otro nodo detectará una pérdida de luz y hará lo propio apagando sus láseres. Para reanudar el sistema de comunicaciones, se puede hacer manualmente o automáticamente (protocolo OFC).

75 P á g i n a 71 Gestión del Rendimiento y de Fallos en WDM La gestión del rendimiento hace referencia a la calidad del servicio de la red. La gestión de fallos se encarga de detectar y alertar sobre problemas concretos a la forma de multiplexación y los problemas generados con la longitud de onda en la red, desembocando en la generación de alarmas. Importancia de la transparencia. Se entiende la transparencia de una red como la flexibilidad que ésta presenta en términos de naturaleza de la señal que soporta (analógica o digital), tasas de bits bajo las que puede funcionar y protocolos implementables. Una red 100% transparente admitirá cualquier configuración. Medida de la BER. La BER es un indicador clave del rendimiento de la red. La opción más empleada para su medición es la de emplear bits de paridad adicionales que nos dan una medida directa. Camino Óptico. En las redes ópticas es necesario emplear un identificador de canal que nos permita realizar labores de identificación, verificación y gestión sobre la misma. Recibe el nombre de Optical Path Trace y se desglosa en tres tipos en función de la configuración de la red: Optical Channel-Path Trace en redes punto a punto, Optical Channel-Section Trace entre parejas de regeneradores de señal y Optical Channel-Transparent Section Trace dentro de subredes ópticas. Gestión de Alarmas. Cuando se produce un fallo en una red los nodos desconocen de qué se trata y lanzan una alarma por cada posible causa del fallo. Para evitar esta saturación de alarmas se emplea un mecanismo de supresión, el cual consigue localizar el error mediante el empleo de dos señales (FDI y BDI). El primer nodo que detecta el fallo lanza un time out, verifica si se trata de un fallo y en caso positivo lanza las alarmas. Entonces lanza una señal FDI hacia los nodos de su derecha y estos neutralizan sus alarmas. De forma análoga, sólo que hacia los nodos de la izquierda, se lanza una señal BDI. El resultado es que se llega a una sola alarma en la red. Redes de Comunicación de Datos. La gestión de elementos del sistema llevada a cabo por el EMS requiere de una red propia y dedicada. Existen tres configuraciones básicas para ello: emplear una red externa a la capa óptica y en una distinta banda de transmisión, emplear un OSC con un canal dedicado o emplear un canal óptico dentro de la banda que añada overhead (encabezado) a la capa óptica. Overheads de la capa óptica. El empleo de overheads es necesario para el soporte de trazas del camino óptico, el indicador de defecto y la medida de la BER. Existen cuatro tipos básicos: tono piloto y OSC, que se emplean en subredes ópticas limitadas por generadores, y el Rate Preserving y el Digital Wrapper, que se emplean en redes todo ópticas conectadas por regeneradores.

76 P á g i n a 72 Gestión de la configuración La gestión de la configuración de una red WDM se puede dividir en tres tareas básicas: gestión del equipamiento de la red, del conexionado y adaptación entre subredes. Gestión del equipamiento La gestión del equipamiento tiene como objetivo llevar un control sobre todos los componentes físicos y lógicos (por ejemplo las longitudes de onda) que forman parte del sistema. Además, se pueden enunciar tres consideraciones de diseño de la red que afectan directamente a la gestión del equipamiento: Sistema modular, flexible en cuanto a topología y la repercusión de los tipos de dispositivos de la red sobre un posible inventario de seguridad (por ejemplo usar dispositivos multi-longitud de onda o uno para cada longitud de onda). Gestión del conexionado La gestión del conexionado de cualquier red óptica caracterizada por una topología física, que se podrá describir como una red conmutada mediante conexiones entre nodos, tratará sobre la configuración de estas conexiones, su mantenimiento y la eliminación de alguna cuando ya no sea necesaria en el sistema. Existen dos formas de abordar esta gestión: de forma centralizada (un nodo central conoce todos los detalles de la red) o de forma distribuida (similar a las redes IP cableadas). Además de las conexiones internas de la red óptica, habrá que tratar la conexión con redes externas que en general no serán ópticas y donde se distinguen cuatro modelos de interacción entre redes: Overlay (Plano de control independiente para capa óptica y capa externa del cliente). Overlay+ (se añade un control externo entre capas con información sobre topología) Peer (Plano de control único) y Modelo aumentado (Hay un intercambio de información entre planos diferenciados sobre topología, enrutado). Adaptación entre redes La adaptación entre redes trata la adecuación de las señales que provienen del cliente a la capa óptica de nuestra red WDM. Algunas funciones que se incluyen aquí son: Conversión de la señal a la longitud de onda y nivel de potencia óptica adecuados a la capa óptica destino, adición y extracción de cabeceras necesarias en la gestión óptica. Finalmente, a la hora de abordar una red WDM se pueden dar tres casos de adaptación de la señal del cliente: sin conversión (la señal ya se encuentra en la longitud de onda adecuada), con conversión (la señal recibida no es compatible con el sistema y se debe realizar una conversión opto-electro-óptica) y multiplexación (se reciben varias señales de baja tasa de transmisión y se realiza una multiplexación TDM previa a la WDM).

77 P á g i n a 73 En la figura siguiente se muestra un sistema básico de multiplexión de un STM-64, en una estructura SDH. Figura 3.8 Multiplexión de diferentes tributarias en la estructura SDH a nivel STM EQUIPO TERMINAL EN TIERRA [3] El equipo terminal consta de un Equipo Terminal de Línea Submarina (SLTE), un Equipo de Alimentación de Potencia (PFE), un sistema de administración de elementos (EMS) y una Caja de Terminación de Cable (CTB). El SLTE se encarga de realizar la modulación entre la señal de tráfico terrestre y una apropiada señal para la línea de transmisión submarina. Por su parte, el PFE provee de corriente eléctrica de CD, con una corriente regulada al equipo sumergido. El EMS supervisa y administra de forma completa la red y todos los elementos en ella, de manera que se puedan proveer mucho más fácilmente operaciones de mantenimiento y servicio. También ofrece la interfaz al Sistema de Administración de Red (NMS), el cual se encarga de operar un gran número de redes, incluyendo redes terrestres. El CTB da terminación al cable submarino y separa el cable físicamente en fibras ópticas y la línea de alimentación de potencia en la estación terminal.

78 P á g i n a 74 Figura 3.9 Configuración básica de terminal Equipo Terminal de Línea Submarina (SLTE) Para los sistemas de tercera generación, el desarrollo de los SLTEs para los amplificadores ópticos de los sistemas de comunicación submarina comenzó en Un primer producto de esta generación fue para una sola longitud de onda con una tasa de 5 Gbps. Este sistema tenía la capacidad de transmitir dos señales, cada una de 2.5 Gbps y la tecnología de redundancia FEC (Corrección de Error Anticipado) fue la primera en aplicarse para mejorar la Relación Señal-Ruido Óptica (OSNR) equivalente en la línea de transmisión. La FEC permitió a la expansión del espaciamiento de repetidor y la obtención de distancias de transmisión ultra largas requeridas para enlaces transoceánicos. Con la demanda de un mayor ancho de banda y el desarrollo de sistemas WDM, los SLTEs se basaron en señales de 2.5 Gbps y el número de los canales variaba de los 8 a 16, es decir, que los sistemas contaban con una capacidad de transmisión de 20 a 40 Gbps. En la actualidad, los SLTEs son hechos basados en señales de 10 Gbps, con más de 100 canales, lo que proporciona una capacidad de transmisión superior a 1 Tbps por par de fibra.

79 P á g i n a 75 Respecto al sistema de redundancia en estos sistemas, como en el caso del Sistema WDM de 10 Gbps, un sistema redundante N+1 es aplicado como la solución más adecuada dado el gran número de canales que es introducido, como ya se ha mencionado. Este sistema de redundancia trabaja mediante la conmutación a un circuito de respaldo cuando alguno de los N circuitos en operación se encuentra en el modo de falla (Fault Mode). Los sistemas SLTEs de 10 Gbps incluyen tecnología de compensación de dispersión, multiplexaje óptico, desmultiplexaje, control de preénfasis automático y amplificadores de tipo EDFA de banda ancha. Además, ofrecen un mejor desempeño de transmisión dada su codificación S-FEC (Super FEC). Entre algunas de las características que el sistema ofrece, además de las anteriormente comentadas, se encuentran: 1.- Realiza funciones de multicanalización y desmulticanalización WDM. Las señales entrantes y salientes serán de tipo STM La confiabilidad de la red se dará por medio de un mecanismo de redundancia o protección N+n. Una longitud de onda extra será agregada para cada 16 en operación (de manera opcional, se podrán tener por 20 longitudes de onda). 3.- Ofrece mayor flexibilidad de actualización de acuerdo a mayores capacidades de ancho de banda, según los requerimientos del cliente. 4.- Provee mejor desempeño de transmisión óptica mediante la compensación de dispersión cromática positiva y negativa con Fibras de Dispersión Compensada (DCF). 5.- Provee indicadores de alarma visibles y audibles que avisan sobre cualquier mal funcionamiento del equipo, y sus condiciones de operación y mantenimiento. Adicionalmente, será conveniente atender a las siguientes especificaciones: 1.- El número de canales tributarios multipleaxados será superior a los 80, con posibilidad de 105, incluyendo 5 canales de protección. 2.- El espaciamiento de longitud de onda entre cada canal será de alredor de 0.3 nm. Para ello, la estabilidad de longitud de onda deberá ser de ± 0.02 nm. 3.- El intervalo de transmisión de longitud de onda deberá estar de nm. 4.- La tasa de bits para cada canal deberá ser de Gbps con S-FEC. 5.- El código de transmisión para cada canal deberá ser NRZ, con posiblidad de RZ.

80 P á g i n a 76 Del lado del transmisor, la señal STM-64 es dividida por un acoplador óptico (COUP) hacia las trayectorias de trabajo y protección. Para la trayectoria de trabajo, la señal es convertida en una señal eléctrica y multiplexada con una señal de encabezado y bits redundantes para S-FEC dentro de una señal de Gbps, y luego convertida en una señal de canal óptico con una longitud de onda apropiada. Después de la compensación de predispersión, la potencia óptica de cada señal de canal es controlada para preénfasis. Luego, un máximo de 105 canales pueden ser multiplexados dentro de una señal de línea óptica con dos pasos por acopladores WDM. Figura Diagrama a bloques funcional de un SLTE WDM de 10 Gbps.

81 P á g i n a 77 Por el lado del receptor, la señal de línea óptica es amplificada y demultiplexada dentro de cada señal de canal con dos pasos por los acopladores WDM. Cada señal de canal es alimentada a un bloque de tributaria después de la compensación postdispersión y el filtrado. Entonces, cada señal de canal es convertida a una señal STM-64. El proceso de conversión en el lado receptor será a la inversa del lado del transmisor. La salida de la señal STM-64 de la trayectoria de trabajo es comúnmente elegida en el Switch Óptico (SW). Equipo de Alimentación (PFE) Los repetidores submarinos, los ecualizadores (TEQ) y las unidades de derivación (BU) son alimentadas por los Equipos de Alimentación o PFEs, los cuales se encuentran localizados en las estaciones terminales. Un PFE debe ser compacto, eficiente, fiable, poseer alarmas que indiquen la presencia de problemas en la red donde salgan de la ventana de operación por periodos largos o cortos, además de ofrecer información del sistema de alimentación y potencia para la administración de la red. Procedimientos de subidas y bajadas de potencia, deben llevarse a cabo en secuencias muy estrictas y requieren de un alto grado de coordinación entre estaciones terminales. Hoy día, suele usarse una computadora como coordinador central que permita realizar esos procedimientos de control y monitorear el estatus y configuración de todo el sistema. La planta submarina deberá operar en su totalidad a la misma corriente, entonces el PFE deberá proveer suficiente voltaje a todos los dispositivos sobre la misma línea. Las corrientes y voltajes típicos son: De hasta 2000 ma y 15 kv, respectivamente. El PFE deberá ser capaz de proveer voltajes de 1 a 2 kv mayores que el voltaje nominal de la red para permitir transientes debidos a tormentas solares (donde los potenciales entre tierras en diferentes partes de la red pueden variar dependiendo del diseño y distribución de la red). Cuando las BU están desplegadas en la red, cada una requiere de un PFE dedicado y localizado en la correspondiente estación base de ramal, adicional al PFE principal. De manera que se prevenga la corrosión en la BU tierra-mar, el PFE de ramal estará normalmente operando con polaridad de voltaje negativo. Por otro lado, en caso de tormentas magnéticas o de daño directo por un rayo en o cerca de la estación terminal, el personal y el resto de la planta sumergida están protegidos por circuitos que aseguran que el sistema de tierra no varíe a más de ~60 V de la estación terrestre. Un exceso en el voltaje es bloqueado por un protector de línea para prevenir algún tipo de sobrecarga en el voltaje. El propio sistema, deberá ser capaz de compensar en tiempo real diferencias potenciales inducidas por tormentas magnéticas arriba de los 0.3 V/km a lo largo de un segmento de red. Un recurso en la localización de los cables, que es totalmente independiente de las caracteríticas ópticas de la red, es el que se conoce como electroding.

82 P á g i n a 78 El electroding puede llevarse acabo dentro o fuera de servicio modulando la corriente de salida alrededor de ± 100 ma a frecuencias entre 5 y 50 Hz. Esto permite a los cables ser rastreados y localizados de forma precisa mediante el uso de equipo sensor de campo electromagnético de baja frecuencia, y así realizar las reparaciones que se requieran. Sistema de administración de elementos (EMS) El EMS para un sistema submarino consiste básicamente de una computadora de cliente (PC), la cual está conectada a un servidor (lo que da forma a la red EMS) y de software de aplicación. El servidor incluye un CPU con memoria, un disco de respaldo, una interfaz con el equipo o la red externa. La PC del cliente contendrá un disco duro de memoria y la interfaz con el servidor. En el EMS, la red entre el servidor y el cliente se extiende hasta la estación del otro extremo, de modo que se tiene un DCC (Canal de Comunicación de Datos) de 2 Mbps para intercambio de la información de administración entre las estaciones, tal y como se muestra en la Figura Normalmente, los DCC's son provistos en los SLTE y duplicados para continuar la comunicación cuando uno de ellos está en modo de falla. Además, la red puede ser extendida a una ubicación remota como un Centro de Operaciones de Red o NOC de manera que pueda habilitarse la administración remota. Es estos casos, tanto el la terminal del cliente y el ruteador se encontrarán instalados en ubicaciones remotas. El EMS conduce la función de administración de elementos para el equipo terminal (por ejemplo, los SLTE y PFE) y el equipo sumergible ( Repetidores y TEQ), y también la administración de subred y funciones auxiliares. De acuerdo a la configuración del software de aplicación, estas funciones se clasifican como sigue: 1.- Control de Subred (SNC). 2.- Administrador de Elemento Submarino (SEM). 3.- Equipo de Monitoreo de Repetición (RME). 4.- Mantenimiento del EMS. 5.- Interfaz Hombre-Máquina (Es decir, entre el operador y el sistema EMS). Tradicionalmente, los sistemas submarinos terrestres eran administrados y operados de forma separada. Recientemente, sin embargo, la operación a la par entre ambos ha sido requerida para lograr trayectorias de enlace fin a fin. Equipos como los PFE son necesarios para integrar las redes submarinas con las terrestres. Esto debido a que tanto los repetidores como los TEQ son alimentados eléctricamente por los PFE.

83 P á g i n a 79 Figura 3.11 Configuración de un EMS La integración del administrador de elementos submarinos con el administrador de elementos terrestres, puede darse mediante la implementación de una interfaz común entre los Elementos de Red (NE) y la Administración de Elementos (EM) para integrar el EMS. Esta integración ocurre en la capa de administración de elementos. Si una interfaz NE-EM es usada (como un Q3 o un TL1) el método se puede aplicar. Integración de la interfaz de administración de red de los EMS's submarino y terrestre. Esta aproximación requiere implementar una interfaz común usando algo como CORBA (Common Object Request Broker Architecture, una nueva tecnología para construir un ambiente de objetos distribuidos). Esta integración ocurre en la capa de Administración de Red. Si la interfaz NE-EM está en un formato apropiado, la aproximación es muy eficiente. Con respecto a la Red de Comunicación de Datos (DNC), ésta se volverá mucho más grande cuando ambas redes estén integradas geográfica y lógicamente. Por lo tanto, un diseño apropiado y una eficiente administración del DNC serán requeridos. 3.6 SEGURIDAD Y REDUNDANCIA Super Corrección de Error Anticipado (S-FEC). El código Reed-Solomon que obedece a la recomendación G.975 de la UIT-T ha sido usado para el FEC convencional en los circuitos de tributaria de 10 Gbps WDM SLTE en su etapa inicial. Sin embargo, hoy día un código Reed-Solomon concatenado se adapta para dar forma al S-FEC en la última versión de SLTE. La anchura de bit para el código de concatenación está basado en 2 n para lograr la

84 P á g i n a 80 intercalación de bit para el proceso de concatenación fácilmente. Esto minimizará la configuración de circuito. Para la aplicación de S-FEC, se requiere un tamaño de compuerta muy grande y una velocidad alta de procesamiento. En la gráfica de abajo, es posible observar una comparación de desempeño entre el código FEC convencional y el S-FEC. Es posible lograr una ganancia de 2 db de mejora en S-FEC sobre el FEC convencional. Configuración de Redundancia Figura 3.12 Comparación del Desempeño del FEC Aunque la redundancia fue aplicada al SLTE de 2.5 Gbps, se esperaba que para el sistema SLTE WDM de 10 Gbps, con gran número de tributarias, se pudiera tener cierta limitación en los requerimientos de espacio de piso, potencia de fuente y costo. Además, muchos de los sistemas de 10 Gbps están instalados bajo un esquema de protección de anillo de red, y entonces la redundancia ya no es obligatoria para lograr la disponibilidad del sistema requerida. Dado que se requiere de una solución más efectiva, el esquema de protección de redundancia N + n es el adoptado por los sistemas de 10 Gbps. El SLTE provee una mayor fiabilidad de desempeño en la transmisión bajo el esquema N + n, donde N oscila en un valor de hasta 100 y n equivale a 5. Una longitud de onda extra para protección es usada para proveer una trayectoria o señal de protección por cada 20 longitudes de onda que se encuentran en operación.

85 P á g i n a 81 Si alguna falla ocurre en cualquiera de las longitudes de onda que se están trabajando, la señal afectada podrá cambiarse a la longitud de onda de la señal de protección. El mecanismo de protección tiene una terminación única y modos de conmutación. Además, el SLTE realiza la protección con un modo independiente de selección de tributaria, en donde el Subsistema de Protección (PSS) controla por separado cada una de las longitudes de onda de switcheo. 3.7 EFECTOS NO LINEALES [2] Comienzan a surgir o a presentarse cuando se aumenta la potencia, por tanto se debe establecer entonces una potencia máxima, esto a su vez limitará la S/N dando lugar a un límite para la capacidad máxima de transmisión así como para las tasas de bits. Además de esto dichos efectos crecen con las reducciones en los espaciados de los canales (DWDM), además del aumento de las frecuencias, lo que implica mayores energías. A dichos efectos también les afectan: Características de dispersión de la fibra. Área efectiva del núcleo de la fibra. Número y espaciado de canales ópticos en sistemas multicanal. Longitud general del sistema sin regeneración. Intensidad de la señal. Ancho de línea de la fuente. Los efectos no lineales se pueden clasificar en dos áreas: Efectos de scattering: Debidos a la presencia de inhomogeneidades en la trayectoria óptica. Efectos relacionados al efecto Kerr: Cambio en el índice de refracción de un material debido a la influencia del campo eléctrico. Las principales formas en las cuales dichos efectos provocan problemas en la transmisión de la información son las siguientes: Dispersión de Brillouin estimulada (SBS). Dispersión de Raman estimulada (SRS). Automodulación de Fase (SPM). Mezclado de Cuatro Ondas (FWM). Inestabilidad de Modulación (MI). Formación de Solitones. Modulación de Fase Cruzada (CPM). Dispersión de Brillouin estimulada Surge cuando una onda incidente es dispersada (por un mecanismo cualquiera), es entonces cuando la luz es desplazada a longitudes de onda mayores en todos los casos.

86 P á g i n a 82 Tiene el umbral de potencia más bajo (se presenta con niveles no tan altos de potencia), varía según el tipo de fibra y aún entre fibras individuales. El umbral de dispersión de Brillouin es sensible al Ancho de la fuente y al Nivel de potencia transmitida por la misma. Problemas que ocasiona Altera la transmisión en el aspecto que limita la cantidad de luz que se puede transmitir en una ruta y esto hace que el nivel de información transmitida sea menor a la esperada. Cómo se soluciona No surge en sistemas donde el ancho de línea de la fuente excede significativamente el ancho de banda de Brillouin No surge donde el nivel de potencia no rebasa el umbral. Dispersión de Raman estimulada (SRS) Sólo afecta al sistema de comunicaciones cuando los niveles de transmisión de luz son altos, presenta efectos similares a la dispersión de Brillouin. La luz es desplazada a mucho menores frecuencias (entre 10 y 15 THz para 1550 nm), otro efecto significativo es que aumenta el ancho de banda alrededor de 7 Thz. En sistemas WDM: Transfiere potencia de los canales en las longitudes más cortas a los de las más largas, esto quiere decir que se comporta como un amplificador de Raman. Los canales con λ grande son amplificados por los de λ menor (bajo ciertas condiciones), esto depende del patrón de bits ya que sólo amplifica cuando hay unos en ambos canales simultáneamente, tal amplificación dependiente de la señal lleva a mayores fluctuaciones de potencia, lo cual junto con el ruido, degrada el desempeño del receptor. El canal con la λ más corta es el que presenta más los efectos de estos efectos. Puede bombear energía a muchos canales simultáneamente, esto da como resultado una descompensación de energía que en muchos casos puede ser no deseable. Cómo altera la transmisión Ocurre en sistemas uni- y multicanal: 1 Unicanal: Solo se presenta para potencias de +30 dbm o más altas. 2 Multicanal: WDM con gran espaciado, λ más corta, esto depende del número de canales WDM, espaciado, longitud total del sistema y potencia promedio de entrada. Degrada la S/N en el receptor de extremo lejano.

87 P á g i n a 83 Cómo se soluciona: El crosstalk de Raman puede evitarse disminuyendo las potencias de transmisión de la señal o señales, es un efecto que está siempre presente cuando haya amplificadores en tándem. En sistemas unicanal, el espectro no deseado puede filtrarse evitando así dicho efecto, pero en WDM aun no se encuentran técnicas para mitigarlo, de tal manera que solo se pueden disminuir sus efectos. Automodulación de Fase (SPM) Ocurre cuando el nivel de salida acoplado de una fuente de luz es demasiado alto. La señal puede modular su propia fase, como se muestra en la Figura Figura 3.13 Automodulación de fase SPM Ensancha o comprime el pulso transmitido, esto depende del signo de la dispersión cromática. Desplaza a λs grandes el inicio del pulso y hacia λs cortas el final. Cómo altera la transmisión En las tasas de transmisión de datos SPM aumenta con la potencia transmitida, además de ser más destructivo para tasas de bits altas (tiempos de subida del pulso más cortos). También aumenta con la dispersión cromática negativa. No le afectan significativamente reducciones en el espaciado entre canales ni el aumento en el número de éstos. Sus niveles de afectación aumentan cuando se presenta en sistemas con alta dispersión acumulativa y que sean muy largos. Si se presenta en sistemas WDM afecta cuando estos tienen espaciados muy pequeños entre canales además de crear interferencias entre canales adyacentes.

88 P á g i n a 84 Cómo se soluciona: Disminuye cuando la dispersión cromática es cero o pequeña, incrementando el área efectiva de la fibra, esto hace que sus efectos no sean de importancia Con G.653: eligiendo una λ cercana a λ ZD. Con G.652 menores a 1000 km: controlada con dispositivos de compensación de la dispersión a ciertos intervalos. Con G.655: reduciendo la potencia de la señal u operando sobre la λ ZD. Mezclado de Cuatro Ondas (FWM) Aparece cuando la intensidad del láser alcanza un nivel crítico de potencia, al llegar a este punto se manifiesta con señales fantasmas de las cuales algunas caen justo en los canales a transmitir, esto puede generar interferencia constructiva o destructiva. Se presenta con mucha mayor frecuencia en sistemas WDM y más aún a DWDM. No solo se presenta para cuatro ondas, esto es común a partir de dos, pero sus efectos se aprecian en mayor intensidad cuando existen tres o más, pero son más y más fuertes en el caso de tres a tal grado que generan una cuarta: ω ijk = ω i + ω j ω k Afectan particularmente a sistemas con espaciados constantes. El número de señales (o canales) fantasmas generados se calcula con la siguiente ecuación: N 2 (N 1) / 2. Figura 3.14 Mezclados de cuatro ondas a partir de dos señales ópticas y después con tres. (Tomado de la figura /G.663, página 12, ITU-T Rec. G663. Ref, 10) Es sensible a incrementos en las potencias de los canales, al número de canales y menor espaciado entre canales. Disminuye con el valor absoluto de la dispersión cromática

89 P á g i n a 85 Cómo altera la transmisión Es particularmente serio para sistemas con G.653 (fibras de dispersión desplazada). La colocación de un canal óptico en o cerca de la zona de dispersión cero da lugar a una significativa generación de productos de FWM en distancias cortas (decenas de km). Es menos importante para G.655 NZ DSF (especialmente aquéllas con áreas efectivas grandes) y para fibras de dispersión no desplazada, G.652, porque su dispersión es plana. Cómo se soluciona: Con espaciamientos de canales no uniformes, aunque la energía sigue perdiéndose, solo se puede mitigar. Reduciendo potencia de entrada (en G.653). Amplificando en regiones con NZD y alternando segmentos con características de dispersión opuestas. Inestabilidad de Modulación (MI) Rompe una señal de CW o pulso en una estructura modulada. Una señal cuasimonocromática empieza a generar dos bandas espectrales laterales simétricas, esto se aprecia en la siguiente figura: Figura 3.15 Espectro de un pulso después de propagarse 1km sobre la fibra El pulso a la entrada es de 100 ps con un pico de 7 W. (Tomado de la figura /G.663, page 15, ITU-T Rec. G.663, Ref. 10) Depende de la intensidad de la onda, de la dispersión y coeficientes no lineales de la fibra.

90 P á g i n a 86 Puede verse como un caso particular de FWM donde dos fotones de la intensa señal de entrada se convierten en dos fotones con distintas frecuencias. Cómo altera la transmisión Puede disminuir la S/N por la generación de las bandas laterales, esto puede ser espontáneamente o alimentada por la ASE. Se debe tener muy presente dicho efecto cuando se usan boosters muy potentes en enlaces con fibras de dispersión desplazada con lásers modulados directamente. En sistemas de larga distancia sin repetidores, a potencias más bajas, puede amplificar el ruido y hace que se pierda energía. Cómo se soluciona Disminuyendo la potencia de la señal u operando a λs por debajo de la λzd del enlace Filtrando el ruido aunque al hacer esto se debe tener en cuenta el poner regeneradores. Con modulación externa de los láseres que dé un espectro más angosto. Formación de Solitones Un solitón es un pulso que no cambia de forma conforme viaja por una fibra ya sea unimodo o multimodo. Representa un balance o punto medio entre no linealidad y dispersión, o la dispersión de velocidad de grupo y la modulación de autofase. Por separado, ambos degradan el desempeño de la transmisión, pero juntos, permiten la generación de solitones Las no linealidades de la fibra contrarrestan la dispersión acumulativa. Modulación de Fase Cruzada (CPM) Surge de la dependencia del índice de refracción con la intensidad que presenta la señal y ocurre para transmisiones multicanal ya que el desplazamiento de fase no lineal de un canal no sólo depende de su potencia, sino de la potencia del otro canal. XPM es dos veces tan efectivo como SPM para la misma potencia aunque es menor para canales más alejados pero para canales cercanos será mayor y acumulativo. Depende de la potencia en todos los canales y ya que varía bit a bit, según los patrones de los canales vecinos su impacto es difícil de estimar pero puede disminuirse aumentando el área efectiva del núcleo de la fibra.

91 P á g i n a 87 CAPÍTULO 4 DISEÑO DE UN SISTEMA ÓPTICO SUBMARINO 4.1 ASPECTOS CLAVE DE LOS SISTEMAS DE LARGO ALCANCE [3] El diseño de los sistemas de transmisión submarina de largo alcance está dirigido a proveer al cliente de canales de datos a bajo costo, de manera que permita a los proveedores del sistema ofrecer gran capacidad por fibra. El primer objetivo en el diseño de la línea será el obtener una alta Relación Señal a Ruido (SNR) por longitud de onda, mientras se evita una fuerte distorsión de pulso. Además, ya que el sistema de transmisión submarina está diseñado para una vida de 25 años, la degradación de la SNR debido a reparaciones del cable y envejecimiento y/o mantenimiento de los componentes debe ser tomada en cuenta también. La SNR es diferente durante las condiciones de Inicio de Vida (SOL) y el Final de Vida (EOL) del sistema debido al envejecimiento del repetidor y a los componentes de fibra y reparaciones del cable. El cálculo para esta reducción sobre 25 años, está basado en lo siguiente: 5% de los repetidores presentan fallas en la bomba. El valor típico de potencia arrojado por una falla en la bomba del repetidor es igual a 3 db. El incremento en la atenuación de la fibra es de db/km durante los 25 años. Las pérdidas extra debido a las reparaciones del cable se dan como sigue: 3 db para reparación del cable en aguas profundas (profundidad > 1000 m), con una reparación por cada 1000 km; así mismo, de 0.5 db para una reparación de cable en aguas someras (profundidad < 1000 m), y se requerirá una reparación por cada 20 km para este caso. Debe suponerse que las reparaciones de cable y las fallas en las bombas ocurrirán en secciones separadas del repetidor. Es importante mencionar que la degradación de la SNR no depende de la localización de las reparaciones del cable ni de las fallas en las bombas, sino que depende de la longitud del sistema. La salida de la potencia de repetidor será la misma para todos los repetidores en ambos sistemas (su valor no tendrá impacto sobre el resultado y deberá ser normalizado a 1 mw).

92 P á g i n a 88 La SNR se deduce de la siguiente ecuación: SNR SNR donde: k = número de amplificadores ópticos. P in = Potencia de entrada SOL. P in,j = Potencia de entrada EOL. k P P k SOL in 1 EOL j 1 in, j Reducción por el Deterioro de Propagación La calidad de señal en los sistemas de largo alcance suele degradarse debido a lo siguiente: Distorsión el debida a la interacción entre los efectos no lineales y la dispersión cromática de la fibra. Las fluctuaciones de nivel óptico y la distorsión de pulso, debido a los efectos de polarización ocurridos en la línea de la fibra y los amplificadores ópticos Deterioro en la transmisión debido a los efectos no lineales Este deterioro se debe a la interacción entre la dispersión cromática de la fibra y los efectos no lineales. La propagación del deterioro para los sistemas de largo alcance se encuentra normalmente alrededor de los 2 y 3 db. Los principales efectos no lineales que afectan a los sistemas de transmisión de largo alcance son la Dispersión de Raman Estimulada (SRS) y los efectos relacionados con el efecto Kerr. Por otro lado, los efectos de polarización, que son la principal fuente para las fluctuaciones del Factor Q, son: Pérdida Dependiente de Polarización (PDL): corresponde a la dependencia de la pérdida de inserción de los componentes pasivos del estado de la señal de polarización (SOP). Polarización de Hueco Incandescente (PHB): ésta corresponde a la dependencia de la ganancia del amplificador óptico a la señal SOP. Ganancia Dependiente de Polarización (PDG): corresponde a la dependencia de ganancia de EDFA al bombeo de SOP. La PDG puede ser considerada por el EDFA como equivalente a la PDL para componentes pasivos y el impacto en la calidad de transmisión es el mismo que en PDL.

93 P á g i n a 89 Polarización por Modo de Dispersión (PDM): ésta corresponde a la dependencia del índice de refracción de la fibra en la señal SOP. La PHB es un efecto que es significativo en una trasmisión de una única longitud de onda desde el grado de polarización de la fuente láser cercana al 100%, a menos que un mezclador de polarización sea utilizado. En sistemas de transmisión WDM incluyen un gran número de longitudes de onda, sin embargo, el Grado de Polarización de la trama óptica es cercano al 0% debido de la distribución de diferentes longitudes de onda de SOP. Este efecto se vuelve por consiguiente despreciable en sistemas WDM. La PDL (incluyendo su equivalencia para EFDA, es decir, PDG) tiene un impacto despreciable en sistemas de tipo WDM. Ésta induce una fluctuación de la SNR aleatoria caracterizada por su valor significativo y su desviación estándar. Cálculos previos, demuestran que la penalización significante es mucho más baja que la penalización por la desviación estándar. En lo concerniente a PDM, el fenómeno es diferente: la PDM se levanta desde una distribución no uniforme del índice de refracción de la fibra, dando un resultado tal que en primer orden es una polarización de velocidad dependiente de grupo. En cualquier momento, dos SOPs ortogonales, correspondientes respectivamente a la más rápida y la más lenta del enlace, pueden ser definidas y son llamadas SOP Principales (PSOPs). Estas dos PSOPs, así como su respectivo retardo de grupo diferencial (DGD) varían aleatoriamente durante la vida del sistema. La PMD es, de primera mano, igual al valor promedio del DGD. La PMD varía como la raíz cuadrada de la longitud de la fibra. El impacto de la PMD de primer orden no depende del número de longitudes de onda transmitidas a partir de que éste impacta a cada longitud de onda de manera independiente. A menos que la SOP del pulso óptico sea igual a una de las dos PSOPs del enlace, la PMD resulta en una distorsión del pulso Tabla de Presupuesto de Q y Cálculo Típico de Espaciamiento entre Repetidores Presupuesto de Q Cada transmisión punto a punto o Sección de Línea Digital (DLS) de un sistema submarino, es caracterizada por una tabla de presupuesto de Q que apunta a un listado de diferentes efectos que alteran a la calidad de transmisión. En al tabla 4.1, se muestra un presupuesto típico de Q. Dicha tabla, consiste en dos columnas. La primera está dedicada a condiciones SOL (Start Of Live) y la segunda a condiciones EOL (End Of Live). Es importante hacer notar que los deterioros son los mimos en ambos casos y la principal diferencia es que la SNR basada en Q que es reducida en condiciones EOL debido a las reparaciones del cable y al envejecimiento de los componentes. Para tomar en cuenta el envejecimiento de la terminal, la Q del SLTE es también reducida un poco en condiciones EOL. El margen del sistema esta dado por la diferencia entre el segmento Q y el Q limitante requerido antes de la corrección de errores.

94 P á g i n a 90 Tabla 4.1 Tabla de valores típicos para un presupuesto de Q para un sistema submarino de transmisión DSL. 1 SNR basada en el factor Q 2.1 Deterioro de Propagación. Inicio de Vida (SOL) (db) Final de Vida (EOL) (db) Preénfasis de Potencia Deterioros Supervisorios 2.4 Disfunciones de Manufactura y Ambientales 2.5 Desempeño del sistema con el tiempo (TVSP) Valor Q Valor Q de SLTE Valor Segmento Q Q mínima Márgen de segmento A continuación se definen cada una de las líneas de la tabla. 1.- SNR basada en el factor Q Deterioro de Propagación. Corresponde al deterioro debido a la interacción entre la dispersión cromática y los efectos no lineales Preénfasis de Potencia. La potencia de inicio de cada longitud de onda dentro del enlace, debe ser ajustada de manera que pueda asegurarse la misma calidad de transmisión para todas las longitudes de onda a la salida. No es óptimo, cuando uno o varios canales muestran una degradación del desempeño comparado con otros canales. El valor de 0.4 db es el permitido para este tipo de ecualización de la calidad de transmisión Disfunciones o Deterioros Supervisorios. Estas son debidas a una sobremodulación requerida por la supervisoria del repetidor. Si el índice de modulación es menor al 10%, el deterioro de supervisoria se mantiene por debajo de los 0.2 db Disfunciones de Manufactura y Ambientales. Esta línea cubre la diferencia de desempeño entre el equipo especificado y manufacturado, incluyendo el desempeño de degradación inducido por efectos ambientales como la temperatura, golpes, etc.

95 P á g i n a Desempeño del sistema con el tiempo (TVSP). Esto corresponde a fluctuaciones del factor Q, en su mayoría debido a los efectos de polarización. 3.- Valor Q. Se obtiene de la siguiente forma: Q = 1) 2.1) 2.2) 2.3) 2.4) 2.5) 4.- Valor Q del SLTE. Debido al valor no infinito de la SNR y la electrónica no perfecta del SLTE, el factor Q obtenido cuando la terminal transmisora es directamente conectada a la terminal receptora es no infinito y es a lo que se le conoce como Q del SLTE. 5.- Valor Q del Segmento. Puesto que tanto el valor Q y el valor Q del SLTE contribuyen al desempeño de todo el sistema, el factor Q del segmento es deducido por la siguiente fórmula: Q 1 2 segmento 1 Q 2 Line 1 Q 2 SLTE Puede ser entendido entonces como: Ruido de segmento = ruido de línea + Ruido de SLTE 6.- Q mínima requerida antes de la corrección de errores (Q mín ). Corresponde al factor mínimo Q requerido para lograr una transmisión de calidad después de la corrección. Este valor depende del tipo de FEC usado. 7.- Margen de segmento o sistema. El margen de sistema en EOL es usualmente igual a 1 db. Se calcula de la siguiente forma: Margen = Segmento Q Q mín. 4.2 CÁLCULO TÍPICO DE ESPACIAMIENTO ENTRE REPETIDORES El cálculo para el espaciamiento entre repetidores se puede llevar acabo mediante el siguiente procedimiento: Estimar el máximo de potencia de salida del repetidor por longitud de onda y el deterioro de propagación asociada. En sistemas de transmisión de largo alcance, la potencia lanzada está limitada por la distorsión del pulso debida a efectos no lineales y dispersión cromática. La distorsión del pulso dependerá de la longitud del sistema, del número de longitudes de onda, espaciamiento de longitud de onda, del tipo de fibra y del formato de modulación. En sistemas de corto alcance, el envío de potencia está principalmente limitado por la potencia de bombeo disponible en el repetidor. Se debe calcular el valor de SNR en condiciones SOL Finalmente, a partir del valor de SNR del punto 3), se obtendrá el número k de repetidores que se requerirán o tendrán en el enlace.

96 P á g i n a INGENIERÍA DE ENLACE EN LOS SISTEMAS DE ONDAS LUMINOSAS Presupuesto de Enlace Un presupuesto de enlace para un enlace de fibra óptica suele ser muy similar al realizado para enlaces de microondas y/o enlaces satelitales. Dicha tarea es de gran ayuda para determinar parámetros del enlace, tales como: Potencia de la fuente de luz. Pérdidas de la Fibra. Conectores, empalmes, líneas de parcheo y sus respectivas pérdidas. Penalizaciones de Potencia. Margen de Enlace. El valor del umbral de detección en dbm estará basado en la tasa de error de bits (BER) deseada. Además, se podrán obtener: Ganancias Netas de Amplificador. Pérdidas por Filtrado. Pérdidas Pasivas de WDM. Pérdidas por Divisores. Pérdidas por Aisladores. Es posible decir entonces, que el diseño de un enlace estará basado precisamente en un presupuesto de enlace, el cual se realizará atendiendo a los puntos anteriores mediante la asignación de valores a los mismos, o el cálculo específico de ellos, de manera que permita cumplir con el objetivo de obtener un menor costo en el diseño y cumpliendo a la par con los objetivos del mismo. Es importante decir que la principal diferencia entre un presupuesto de enlace óptico y un presupuesto de enlace de radio/inalámbrico es el presupuesto de tiempo de subida (RTB) Penalizaciones de Potencia Se trata de cinco fenómenos físicos, que en combinación con la dispersión de la fibra, degradan la SNR en el receptor final en sistemas de fibra óptica con tasas de bits altas (por ejemplo, mayores a los 500 Mb/s). Dichas fuentes de degradación son: Ruido Modal. Ensanchamiento por dispersión. Ruido de la partición de modo (MPN). Variación u oscilación de frecuencia de la fuente (Chirp). Ruido y/o retroalimentación por reflexión. Tasa de extinción. a) El ruido modal, es un deterioro típico de los sistemas que usan fibra multimodo. Es causada por lo interferencia entre los diversos modos de propagación en las fibras multimodo.

97 P á g i n a 93 Se manifiesta así mismo al degradar la SNR en el receptor debido a la fluctuación de la amplitud de la señal recibida. Por eso, suele preferirse el uso de LEDs en vez de LDs, dado su espectro de banda mucho más ancho. b) El ensanchamiento por dispersión, puede limitar el producto de tasa de bits por distancia (BL). Este ensanchamiento del pulso afecta al receptor de dos maneras: El primero, se refiere al hecho de que el ensanchamiento puede vertir energía dentro de la subsecuente ranura de bit, lo que causará interferencia intersímbolo (ISI). El segundo, trata de que el pico de energía del pulso se reduzca por el ensanchamiento, por lo que se tiene que incrementar el nivel de la señal entrante en el receptor para compensar este factor. Para calcular la penalización de potencia, se tiene la siguiente ecuación: donde: f b, factor de ensanchamiento de pulso. B, tasa de bits. L, longitud del enlace (km). D, factor de dispersión (ps/nm-km). σ, anchura rms del espectro de fuente, el cual se asume tendrá forma Gaussiana. c) El MPN, ocurre en sistemas de fibras multimodo y es causado por la fuente láser de semiconductor. El fenómeno sucede debido a la anticorrelación entre pares de modos longitudinales. Habrá muchos modos presentes y los modos individuales exhiben una notable fluctuación de potencia aunque la potencia total se mantenga constante. Dichos modos distintos, mientras viajan por la fibra se desincronizan debido a que se mantienen viajando a distintas velocidades. Esto causará fluctuaciones en la corriente de la señal en el receptor, degradando así la SNR. El cálculo de esta penalización suele ser un poco complejo, involucrando al coeficiente de modo de partición (k) cuyos valores se encuentran en el rango de 0 a 1. La penalización σ mpn es entonces una penalización de potencia en db para MPN. Esta penalización puede reducirse a un nivel insignificante, aproximadamente σ mpn < 0.5 db, diseñando el sistema de forma que el factor BLD σ l< 1. d) Variación de la frecuencia. Se tiene que con transmisores modulados directamente existe una situación óptima de influenciar la corriente con lo que se logrará una mínima variación (chirp). Éste es precisamente el ajuste necesario para obtener un cierto valor de r ex, tasa de extinción, que habrá de darse en cuanto a la diferencia de una amplitud de de bits (nivel on a nivel off).

98 P á g i n a 94 Se tiene que: La ecuación se refiere a la relación de potencia de salida del láser en el estado lógico 1, y su potencia de salida en el estado lógico 0. Así, esa diferencia en el umbral incrementará la extinción y decrecerá la sensibilidad del receptor. Sin embargo, es posible que esta penalización pueda reducirse por debajo de los 2 db, si el sistema es operado con una tasa de extinción r ex σ 0.1. e) La retroalimentación o ruido por reflexión, provoca que la luz se refleje de regreso hacia la fuente láser. Esta luz reflejada, aún en niveles bajos, puede ser motivo para dañar el sistema o causar mayor degradación en el desempeño del mismo. Incluso la degradación del sistema puede llegar al punto tal que el mismo no pueda alcanzar la BER a pesar de un incremento infinito en la potencia del receptor. En general, muchos sistemas de ondas luminosas operan satisfactoriamente cuando la retroalimentación de reflexión está por debajo de los 30 db. En la práctica, el problema puede ser casi solucionado usando un aislador óptico en el transmisor montando bien la guía de fibra usando un conector pigtail. Es importante decir que este problema también se puede presentar en el receptor. f) La tasa de extinción, es un efecto asociado a la variación de frecuencia o chirp. Sin embargo, aquí será importante tener en cuenta los niveles lógicos. El nivel 1 se asigna al estado on, y el nivel 0 se asigna al estado off. El problema radica en que en el estado off el transmisor no está completamente en el estado off. La razón para hacer esto, es el reducir bastante el tiempo inicial de subida del transmisor, permitiendo así que el transmisor tenga una tasa de bits más grande que la que pudiera tener si estuviera completamente en el estado apagado. Por tanto, si se permitiera que P 0 esté en el estado off de potencia de salida, y P 1 en el estado on de potencia de salida del transmisor, entonces la tasa de extinción estará definida como en la ecuación 4.3. Otra forma de expresarla, usando db, será como sigue: donde: A, es la potencia promedio en el nivel lógico 1. B, es la potencia promedio en el nivel lógico 0.

99 P á g i n a Margen de Enlace Este parámetro estará definido como aquellos decibeles extras de potencia que son añadidos en el presupuesto de enlace. Estos serán con el fin de tener un margen seguro que permita proteger o compensar niveles de potencia ante la posibilidad de no haber realizado una estimación de las penalizaciones de forma correcta. Algunos componentes tienden a sufrir de deterioro en su desempeño con el paso del tiempo, por ejemplo es muy común que suceda con los LEDs. Por otro lado, no todos los empalmes por fusión tendrán pérdidas bajas de forma extrema. Por eso, un margen de enlace se encargará de compensar ese pequeño déficit de potencia. Se recomienda un margen de 6 db en sistemas muy largos. Es importante tener en mente que cada db de margen representa dinero y por ello suele bajarse ese valor a 3 y 4.8 db. La ITU-T, en su recomendación G.957, asigna valores de 2 a 4 db a la cuenta del enlace al Final de Vida (EOL End Of Live) del equipo (es decir, al final de los 25 años en promedio de tiempo de vida). Es importante hacer notar que algunos especialistas clasifican en tres etapas dicho periodo de vida: 1.- Infantil.- En la que se puede esperar que el enlace sufra de mortalidad prematura. 2.- Operacional.- El enlace alcanza máximos niveles de desempeño y confiabilidad. Puede decirse que es la etapa ideal de funcionamiento. 3.- Final de Vida (EOL).- El equipo comienza a manifestar fallas y ya no es posible obtener niveles óptimos de desempeño. Es probable que antes de llegar a esta etapa, el equipo deba ser reemplazado dado que ha comenzado a ser obsoleto Presupuesto de Tiempo de Subida El presupuesto de Tiempo de Subida del Enlace (RTB, Rise-Time Budget), es calculado para asegurarse que el enlace de fibra óptica en cuestión pueda manejar determinada tasa de bits. Tanto el tiempo subida, como el tiempo de bajada son definidas por el Diccionario de Términos Eléctricos y Electrónicos de la IEEE como sigue: El tiempo de subida es el tiempo de que le toma a la intensidad luminosa para incrementar su intensidad de un 10 a un 90%. El tiempo de bajada, es el tiempo que toma a dicha intensidad luminosa para decrecer de un 90 a un 10% su intensidad. La siguiente ecuación relaciona el tiempo de subida del sistema luminoso T con los tiempos de subida de los demás componentes que forman al sistema:

100 P á g i n a 96 donde: T tr T fibra respectivamente. y T rec ; son los tiempos de subida del transmisor, fibra y receptor, Es posible relacionar el ancho de banda f, con el con el tiempo de subida T con la siguiente ecuación: La relación entre la tasa de bits B, y el ancho de banda f, dependerá del formato del flujo de bits, el cual puede ser RZ o NRZ. Por tanto, T r deberá ser: Para RZ: T r = 0.35/B. Para NRZ: T r = 0.70/B. Se estima que los tiempos T r, dependiendo del tipo de fuente que se emplee, usando la ecuación 4.6 serán como sigue: LED ~ 2ns LD ~ 0.1ns. En el caso de diseños prácticos, es posible calcular el tiempo de subida del sistema, previendo un factor de degradación del 10%, quedando la ecuación como sigue: donde: GVD: Dispersión de Velocidad de Grupo. λ = ancho FWHM (Full Width at Half Maximum) de la fuente. L, longitud del enlace (km). D, valor real de dispersión (ps/nm-km). Cuando se usa fibra monomodo, T modal = 0. Por lo tanto, T fibra = T GVD, la cual puede calcularse mediante la ecuación 4.9.

101 P á g i n a Cálculo del tiempo de subida del enlace Para el presupuesto del tiempo de subida del sistema se necesita de la siguiente información: Datos del sistema Longitud Tiempo de subida para un transmisor de LD Ancho completo a medio máximo Ancho de banda a la entrada del receptor Valores 620 km 0.03 nseg 0.2 nm 10 GHz Por medio de la ecuación 4.7 se procede a hacer el cálculo: Tr = 1.1 [ (0.03)² + ( nseg/km*nm x 75 km x 0.2 nm)² + ( 0.35/10 GHz)² ] Tr = 1.1 ( 0.09E nseg E-3)½ Tr = 1.1 (0.0791) ½ Tr = 1.1 (0.2812) Tr = nseg. Como se ve el tiempo de subida para NRZ es mucho mayor a los 0.07 establecidos, por lo tanto se supondrá un caso donde el tiempo de subida sea de 0.07 y también se considerará la distancia que existe entre cada segmento, de esta forma se buscará el valor requerido A para la dispersión: Despejando a A: 0.07 =1.1 [ 0.9E-3 + ( A x 75 km x 0.2 nm)² + (0.35/10 GHz)² ]. A

102 P á g i n a 98 A x A x10 6 ns km nm Por último, lo que se hará es considerar una dispersión igual a cero: Este valor ya cumple con la condición de ser menor que 0.07, pero para lograrlo, dado que requerimos una dispersión cero, se hace uso de fibra DCF, la cual se construye de la siguiente manera: Figura 4.1 Segmento entre repetidores de 75 km donde se aprecian los segmentos de fibra normal y DCF y sus respectivos valores de dispersión Figura 4.2 Espaciado típico entre repetidores con una transmisión en el sistema de 64x10-Gbps

103 P á g i n a 99 Las longitudes necesarias m y n de cada fibra para tener la dispersión requerida se obtienen resolviendo el siguiente sistema de ecuaciones: Se tiene que: m 0.037n m n n n km m km n 0.037n n 0.037n Así que para los tramos de 75 km que se están planteando, éstos estarán formados como sigue: 50km 25km ns fibras _ con_ dispersión km nm ns fibras _ con _ dispersión km nm Tiempo de vida útil del proyecto El tiempo de vida del sistema reside principalmente en el mismo tiempo de vida que presentan las fibras que en él forman la estructura medular, esto se debe a que una vez tiradas al lecho marino es significativamente complicado o más costoso el sacarlas que hacer un nuevo enlace. Esto ocasiona que se tengan medidas extremas en el cuidado de calidad de todas las partes que conforman el tendido al lecho marino y la misma fabricación del enlace, el equipo terrestre no presenta mayor dificultad, puesto que, como en cualquier sistema, son partes que se pueden ir adaptando o cambiando conforme su vida útil termine o se apliquen nuevas tecnologías. El tiempo estimado promedio de las fibras es de 25 años (esto por cuestiones del fabricante), esto por tanto es el tiempo de vida promedio estimado para todo el sistema de comunicaciones. Después de este tiempo el mismo fabricante no se hace responsable de lo que pueda suceder en el tiempo siguiente que el sistema siga funcionando.

104 P á g i n a DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO Este proyecto consiste en la instalación de un cable de fibra óptica con capacidad para 12 pares de fibra (4 libres, 4 ascendentes, 4 descendentes) el cual va a enlazar Puerto Vallarta con Los Cabos. El diseñar un proyecto de tendido de fibra óptica, va acorde con las necesidades de la población y a las características de los ecosistemas y recursos naturales de la zona. Uno de los objetivos es implementar un proyecto para que trabaje en óptimas condiciones Ubicación del proyecto El proyecto se presenta entre Los Cabos y Puerto Vallarta. Los Cabos es uno de los destinos más bellos y exclusivos de México. Se localiza en el extremo sur de la Península de Baja California, a 220 km al sur de La Paz, De San José del Cabo a Cabo San Lucas, se extiende el lujoso Corredor Turístico de 33 km de distancia, donde se encontrará uno de los desarrollos más importantes del país debido a sus maravillosos hoteles. Puerto Vallarta cuenta con más de 42 km de playas, bañadas por las tranquilas aguas del Océano Pacífico. En las siguientes figuras podemos apreciar la ubicación de cada uno de los puertos a donde llegaría el enlace de fibra. Ver figura 4.1 y 4.2 Figura 4.3 Se puede apreciar uno de los puntos terminales del enlace de fibra óptica, San José del Cabo.

105 P á g i n a 101 Figura 4.4 Se observa el segundo punto del enlace. Zona Hotelera de Puerto Vallarta SELECCIÓN DE LA RUTA A continuación se describen los criterios utilizados para la selección de cada una de las secciones expuestas: Sección de playa Sitios con infraestructura de red telefónica de fácil acceso. Esta consideración permite la baja generación de infraestructura nueva, al aprovechar la infraestructura existente en la zona, que permita una fácil instalación de los medios necesarios para la canalización. Playas de composición principalmente arenosa. Esta consideración incrementa la seguridad del cable al poder ser enterrado, evita el riesgo de ser afectado por embarcaciones y minimiza el riesgo de afectación de la fauna y el paisaje, además, el cable enterrado no interfiere con actividades de playa, recreativas y otras. Existencia de accesos públicos a las playas. Permite una rápida instalación sin afectación de terceros, en combinación con la óptima elección de red telefónica existente, decrece los costos de inversión y genera un menor daño al entorno.

106 P á g i n a Sección marina Una vez determinados los mejores sitios de conexión de la parte terrestre, se lleva a cabo la selección de la ruta de tendido e instalación del cable en la zona marina. Los criterios utilizados, llevan a dividir la selección en zonas de acuerdo a la profundidad y estructura marina en: a) Zona somera, considerada desde la línea de costa hasta el escalón que caracteriza el final de la plataforma continental. Éstas son profundidades menores a 1000 mts. b) Zona profunda, la región comprendida entre los dos taludes continentales. La selección también se hace considerando las aguas someras y por medio de estudios batimétricos. Así se definió la ruta óptima por la que el cable debe ser instalado. La longitud máxima del enlace es de 620 km considerando un 5% de cable extra, esto se debe a diversos factores que afectan la distancia total del enlace, como pueden ser: el trayecto no es simplemente un tramo horizontal, si no que presenta diversos tipos de curvaturas presentes en el lecho marino, las cuales afectan de manera considerable la distancia del recorrido. El trayecto presenta algunos kilómetros de tolerancia, esto se debe a que no es completamente recto o rígido y se consideran los posteriores o subsecuentes arreglos o modificaciones que sean necesarios.. La ruta seleccionada para el desarrollo del proyecto, se ubica en la zona marina comprendida entre San José del Cabo y la zona hotelera de Puerto Vallarta. La selección del sitio se fundamentó en criterios técnicos, ambientales y socioeconómicos; que fueron de índole diversa, pero, al mismo tiempo integrados, de acuerdo a los diferentes perfiles del proyecto, abarca zonas de playa y zonas marinas someras y profundas. El enlace pone de manifiesto la cercanía que se tiene con otro enlace existente (el sistema al cual se puede hacer alguna derivación es el PAC (Panamerican Crossing) así como acercarse a diversos puntos de interés de la costa en los cuales se pueden presentar futuras ramificaciones. La ruta se escogió de forma no directa (no en línea recta), pues el hecho de que pasara por varios puntos de mayor profundidad implicaría más gastos en cuanto a la longitud de la fibra que la ruta que se plantea, la cual está dividida en tres secciones las cuales están ubicadas en zonas de mucho menor profundidad que las que se consideraron en un principio con una ruta directa.

107 P á g i n a 103 Figura 4.5 Ruta propuesta para el enlace TIPO DE FIBRA A UTILIZAR Por los propios requerimientos y características de este proyecto se incluirán dos tipos de cable de fibra óptica. Existen varias empresas dedicadas a la fabricación de fibra óptica para aplicaciones submarinas, se decidió usar fibras de Corning pues las características y parámetros que presentan frente a otras son mucho más altas tanto en rendimiento como en factores adyacentes. Sin embargo pueden usarse otras fibras con características iguales o mejores. Las fibras a utilizar son la Vascade L1000 y Vascade S1000. Ambas pueden ser utilizadas ya sea para enlaces con repetidores o sin ellos.(ver anexo 5)

108 P á g i n a 104 En la siguiente tabla se muestran los parámetros a utilizar en los cálculos de los tipos de fibra presente en el enlace así como los valores que se han escogido y las distintas pérdidas ocasionadas por los diversos elementos presentes en el enlace. Estos valores pueden verificarse en los anexos correspondientes al final de este trabajo. Una vez establecidos los valores típicos o característicos a utilizar en el enlace se presentan los cálculos para el manejo de dispersión y atenuación: Cálculo del enlace por manejo de atenuación El enlace se plantea para una longitud de 620 km, la cual consiste en 6 pares de fibras (12 fibras): 2 pares libres (los cuales pueden ser utilizados en futuras aplicaciones o amplificaciones del sistema y como respaldo), 2 pares ascendentes (transmisión) y 2 pares descendentes (recepción). La parte inicial del enlace está diseñada para soportar tasas de bits de STM-16 (2.5 Gbps), pero se ha previsto su posterior mudanza a STM-64 (10 Gbps). Potencia a la salida del Tx Este factor se toma en cuenta debido al valor que presenta la fuente a la salida de información el cual se encuentra presente en el anexo 1, este valor fue escogido por ser valores típicos de la fuente emisora que se encuentra presente en la ventana de 1550 nm, esta ventana es para la cual el sistema esta diseñado puesto que se utiliza fibra monomodo.

109 P á g i n a 105 Fibra amplificadora (EDFA) como pre-amplificador El valor típico presente en los amplificadores ópticos dopados de erbio (EDFAs) es de 17 db lo cual se suma al valor inicial de la fuente de emisión de información, por lo tanto se cuenta con una pre- amplificación como se muestra a continuación: 17dB 3dBm 20dBm Nivel de umbral para una BER de 1 x Este valor está presente en la tabla 3, originalmente este valor es de 1 x y tiene un valor de 26 db pero para sistemas submarinos se exige un margen mayor, esto debido al poco acceso que se tiene al sistema posterior a su puesta en marcha. Lo que se hace es agregar un porcentaje mayor para una BER mayor a la tasa de bits de 1 x esto naturalmente afecta el valor en dbs por lo tanto el nivel de umbral queda: 1x dB Decibeles asignables al presupuesto del enlace Este valor es el producto de la resta algebraica entre la potencia de salida sumada al preamplificador y restando el nivel de umbral. Esto es la potencia total que el sistema entrega para su subsecuente transmisión al receptor y debe de tomarse en cuenta que dicha potencia es la que debe hacerse llegar al receptor, con un nivel no menor a 42 db, si se llega a rebasar dicho umbral o valor de Potencia la señal no podrá ser recuperada y por tanto el sistema no funciona. 3dBm 17dB 20dBm 20dBm ( 25dB) 45dB Pérdidas del enlace Incluye los diversos factores que influyen para la degradación de la señal, que pueden ser desde la inserción de amplificadores, hasta la distancia que abarca el sistema. Al final del cálculo y diseño del enlace se debe tener presente que se deben sumar a los decibeles asignables al presupuesto de enlace y que el valor resultante de Potencia no debe ser menor a 42 db, entre los aspectos más importantes a considerar se encuentran: Inserción de conectores El sistema se ha diseñado para utilizar sólo dos conectores por fibra, los cuales se encuentran al inicio del sistema y a la recepción del mismo. Se escogieron conectores con un valor promedio de inserción de 0.4 db por cada uno (ver anexo 2), este valor es uno de los más bajos que hay en el mercado actualmente.

110 P á g i n a 106 La ecuación siguiente se muestran las pérdidas ocasionadas en el sistema por ambos conectores: 0.4 dbx2 0.8 db. Empalmes La longitud del sistema está estimada en 590 km, pero debido a diversos factores ya mencionados en esta misma unidad se agrega un 5% extra, lo que da como resultado 620 km (con una correspondiente aproximación).se consideran carretes de fibra que contienen 25 km de fibra cada uno, esto quiere decir que cada 25 km habrá un empalme. El valor que se utiliza por cada empalme es de 0.02 db. Las perdidas se presentan en las siguientes ecuaciones km km empalmes empalmes empalmes Se agregan dos empalmes más, debido a que los extremos se terminan por medio de pigtails, los cuales se empalman Fibra a 1550 nm El tipo de fibra presenta atenuaciones por diversos factores, dichas atenuaciones están contempladas en db/km. El enlace tiene dos tipos de fibras Ex 1000 y S 1000 (esta fibra es DCF), la última para compensar la dispersión excesiva en el sistema (véase la tabla 5). A continuación se muestran dichos cálculos. La relación de las fibras se encontró que debe ser dos a uno para que la compensación se realice correctamente:

111 P á g i n a km 206 km (206 km) x(2) 412 km (412 db km)(0.174 ) km db Este valor de atenuación sólo es para la fibra EX El valor de atenuación para la fibra S 1000 es: km 206 km (206 km) x(1) 206 km (206 db km)(0.24 ) km db La suma de ambas atenuaciones da como resultado la atenuación por inserción de la fibra: db db db Penalización por dispersión Es ocasionada por diversos factores que hacen que el sistema pierda de una u otra forma potencia, es un valor típico, el cual se presenta en la tabla 4, y es un valor que se da como un margen de los efectos no lineales. Se tomó un valor máximo de 2 db. Margen Dicho margen está ubicado en el rango de db a 6 db como máximo, es un factor constante en cualquier sistema y abarca diversos problemas no tomados en cuenta, como puede ser malos acoplamientos o que los valores en la realidad superen el margen estimado. El valor tomado en cuenta en este cálculo de diseño es el menor 4.8 db

112 P á g i n a 108 Filtros Valor Estimado para los diversos filtros que se pueden encontrar en el sistema, su valor promedio es de 1.5 db. Inserción Este valor se presenta al añadir WDM al sistema de comunicaciones, el valor promedio por el multiplexaje es de 9.59 db y 9.59 db por el demultiplexaje db 9.59 db db Pérdidas totales del enlace La suma algebraica de todos los factores que representan pérdidas en el sistema de comunicaciones: P T ( 0.8dB 0.52dB dB 2dB 4.8dB 1.5dB 19.18dB) dB Margen resultante Es el valor obtenido de la suma de los decibeles asignados al presupuesto del enlace y las pérdidas totales del mismo: 45 db ( db) db Puesto que el enlace está limitado por las atenuaciones ocasionadas en el trayecto, se agregan repetidores cada 75 km, valor que se determino mediante cálculos los cuales agregan una ganancia de 18 db, pero tomando en cuenta el ruido que también introducen de 5 db aproximadamente se agregan solamente 13 db de información útil. 620 km 75km empalmes (8) x(13 db) 104 db Este valor es añadido al margen resultante y el nivel de Potencia resultante es: dB 104dB 1. 39dB Este valor por si mismo puede ser detectado en el extremo receptor del sistema, se puede o no añadir un último amplificador EDFA para que el margen recibido sea: 1.39dB 17dB dB

113 P á g i n a 109 TABLA 4.2 Enlace por manejo de atenuación. ELEMENTO O PARÁMETRO Potencia a la salida del Tx (transmisor) acoplada a la fibra Fibra amplificadora (EDFA) preamplificador Nivel de umbral para una BER de 1 x Decibeles asignados al presupuesto del enlace PÉRDIDAS DEL ENLACE Inserción de conectores Empalmes Fibra a 1550 nm Penalización por dispersión Margen Filtros Pérdidas de inserción de multiplexores Pérdidas totales del enlace Margen resultante Repetidores Margen acoplado con repetidores Fibra amplificadora (EDFA) postamplificador Salida hacia el receptor VALOR 3 dbm 17 db 25 dbm (20) ( 25) = 45 dbm 0.8 dbm 0.52 db db 2 db 4.8 db 1.5 db db db 45 + ( ) = db 104 db (104) + ( ) = 1.29 db 17 db (17) + ( 1.29) = db

114 P á g i n a PÉRDIDAS POR ENVEJECIMIENTO La siguiente tabla proporciona los datos correspondientes al enlace para realizar el cálculo correspondiente al envejecimiento estimado de 25 años. Para calcular el número de repetidores lo que se hace es segmentar el cable en tramos. Se sabe que el espaciado entre repetidores debe ser entre 70 y 75 km por lo que se obtienen 9 segmentos y 8 repetidores. Figura 4.6 Segmentos del enlace La atenuación de las fibras se puede apreciar mejor en la tabla 1. Se están utilizando dos tipos de fibras ya que para el cálculo del enlace resulta más conveniente tener una fibra con la menor atenuación y otra con dispersión negativa. Esto ayuda a que las perdidas de dispersión en el enlace sean menores por lo tanto se consideran los valores de atenuación de ambas fibras Potencia de entrada por cada amplificador La potencia de entrada en cada amplificador originalmente es de 18 dbm este valor se obtiene por medio de tablas pero a ese valor se tienen que quitar 5 dbm que se ve afectado por ruido, por lo tanto resultan solo 13 dbm Amplificadores en aguas someras Para el cálculo de los amplificadores se hace una relación entre la distancia total del enlace y la distancia total que se tiene considerando solamente aguas someras, es decir profundidades máximas a 1000 m, tenemos que: Como se tiene 1 repetidor por cada amplificador, en total se tienen 3 amplificadores para aguas someras.

115 P á g i n a Amplificadores en aguas profundas. Se sabe que existen 8 amplificadores y 3 de ellos serán para aguas someras, entonces 5 de estos amplificadores corresponderán a aguas profundas Amplificadores con fallo Todos los amplificadores están expuestos a fallas por lo tanto para asegurar el sistema se está considerando un 5 % de pérdidas lo cual implicaría que se presentará algún fallo en la bomba. Potencia a la entrada de los 2 amplificadores (aguas someras) Para este cálculo se están considerando tres parámetros que son: la potencia entre repetidores, el número de reparaciones por cada 75 km y el envejecimiento de la fibra por los 25 años de vida. 75km 20km / repetidor 3.75 Rep rep x 0.5 db/rep = db x 75 = db envejecimiento a 25 años Cada que se haga una reparación en 1000 km, las pérdidas en aguas profundas serán de 3 db. Cada que se haga una reparación a 20 km, las pérdidas en aguas someras serán de 0.5 db. Por lo tanto la potencia a la entrada de los dos amplificadores en aguas someras resulta ser: -(13 dbm dBm dbm) = dbm. Potencia a la entrada de los 4 amplificadores (aguas profundas) Se considerará la potencia que hay en cada repetidor (-13 dbm) y el fallo del envejecimiento de la fibra. -(13 dbm dbm ) = dbm Potencia a la entrada del amplificador con fallo en la bomba. Tanto en aguas someras como en aguas profundas se está considerando que habrá un fallo en la bomba en cada repetidor, y este será de 3 dbm, también se está considerando la potencia de entrada de cada repetidor y el envejecimiento de la fibra.

116 P á g i n a 112 Para aguas someras: - (13 dbm dbm dbm) = dbm Para aguas profundas: - (13 dbm + 3 dbm dbm) = dbm Total de degradación del sistema después de 25 años. Para terminar el cálculo se utiliza la ecuación de la relación señal a ruido que se describió anteriormente, por lo tanto se tiene: SNR SNR SOL EOL K = Pin kpin J 1, j SNR SNR SOL EOL = log (1.7635) = db

117 P á g i n a 113 Parámetros Longitud del enlace Longitud en aguas someras Longitud en aguas profundas Valor 620 km 235 km 385 km INICIO DEL SISTEMA Numero de repetidores 8 Espaciado entre repetidores Atenuación por fibra (EX1000) Atenuación por fibra (S1000) Potencia de entrada por cada amplificador 75 km db/km 0.24 db/km 13 db Amplificadores en aguas someras 3 Amplificadores en aguas someras con fallo en la bomba 1 Amplificadores en aguas profundas 5 Amplificadores en aguas profundas con fallo en la bomba FINAL DEL SISTEMA Potencia a la entrada de los 2 amplificadores (aguas someras) Potencia a la entrada de los 4 amplificadores (aguas profundas) Potencia a la entrada del amplificador con fallo en la bomba (aguas someras) Potencia a la entrada del amplificador con fallo en la bomba (aguas profundas) Total de degradación del sistema después de 25 años dbm dbm dbm dbm 2.5 db

118 P á g i n a ANÁLISIS DE COSTOS [3] En un sistema de transmisión amplificado, el cable puede incluir sólo hasta 8 pares de fibra, lo cual es mucho menor en número en comparación a los sistemas terrestres, dadas las restricciones mecánicas concernientes a los repetidores y al cable, así como por los aspectos eléctricos alcanzados debidos a los requisitos de alimentación de alta potencia. Por lo tanto, con una capacidad de transmisión de 1Tbps por fibra, el máximo de capacidad total que se tendría en el cable submarino de largo alcance es de 8Tbps. Es importante decir, que para entender porqué el mercado ha impulsado tanto el desarrollo de los sistemas de transmisión capaces de transmitir enormes cantidades de información por fibra, resulta interesante revisar una simple evaluación de costo para tres diferentes configuraciones: Suponiendo una capacidad de transmisión de 5 Tbps y una distancia de 6000 km. Configuración 1: 1 cable de 4 pares de fibra, y 8410 Gbps por fibra. Configuración 2: 1 cable de 8 pares de fibra, y 4210 Gbps por fibra. Configuración 3: 2 cables, cada cable compuesto de 4 pares de fibra con 4210 Gbps por fibra. El costo relativo de la terminal, los repetidores, el cable y la instalación marina, se muestra en la figura de abajo: Figura 4.7 Costo relativo del equipo de un sistema submarino en tres diferentes configuraciones.

119 P á g i n a 115 La figura demuestra que la configuración más barata es en la que se ofrece la capacidad de transmisión por fibra más alta, es decir la Configuración 1. En cualquier caso, resalta que la terminal representa la parte más grande en cuanto al costo se refiere. Esto significa, que el incremento en la capacidad por arriba de los 8 Tbps por cable, podría aumentar el aspecto del costo de la terminal, lo cual es un concepto nuevo en los sistemas de transmisión submarina. De hecho, en generaciones previas de sistemas submarinos, la mayor parte del costo ha venido representada por la instalación marina y el equipo de planta sumergida. Así pues, se puede decir que el diseño de los sistemas de transmisión de largo alcance depende de la administración adecuada de los siguientes aspectos, ya antes mencionados: a) El espaciamiento entre repetidores, ruido y potencia de salida. b) Dispersión cromática de la fibra y los efectos no lineales. c) Parámetros de la terminal como: formatos de modulación y la eficiencia del código FEC empleado. Cotización de precio de una fibra Tal y como es posible ver entonces en la figura de costo relativo presentada con anterioridad, el cable jugará un papel fundamental en el costo de todo el sistema de transmisión. Esto es, dependiendo de las características requeridas para ello, por lo que el número de fibras por cable es lo que definirá en gran parte el costo del mismo. A continuación, se presenta una cotización realizada por la empresa Mexfo Fibras Ópticas de México S.A. de C.V., el 16 de mayo de 2008, en la que es posible tener a la mano precios de algunas de las variedades de la familia de la fibra CampusLink-Dieléctrico Unitubo de Prysmian. Es importante mencionar que dicha fibra no es para aplicaciones submarinas como lo serían las fibras OALC4 y URC2 de Alcatel-Lucent, la DeepLight de Prysmian, o las S1000 y EX1000 de la familia Vascade de Corning, que de hecho estas últimas son las empleadas para el desarrollo del presente trabajo. Desafortunadamente, a lo largo del tiempo que se requirió para la investigación, análisis y desarrollo del diseño del sistema de transmisión submarina que se está planteado, no fue posible obtener información de este tipo por parte de algunos de los fabricantes de forma directa, especialmente de Alcatel-Lucent y Corning, ya que, dicho por ellos mismos y por políticas de las empresas, dicha información suelen reservarla sólo para empresas dedicadas a la instalación de estos sistemas de comunicación. Es por ello que la obtención de precios, al menos para el mercado mexicano, fue una tarea sumamente difícil y que al final evidenció que en México, aún una distribuidora importante y especializada en material y equipo para sistemas de comunicaciones ópticas, no maneja el tipo de fibra requerida para la aplicación que se está proponiendo, es decir, un sistema submarino de comunicaciones.

120 P á g i n a 116 Aún así, la cotización que se presenta, y que corresponde a una fibra para aplicación de planta externa, tiene ciertas semejanzas con las fibras Vascade, en el sentido que son también fibras de tipo monomodo (SM) y cuentan con 12 hilos, tal y como se está manejando en el presente trabajo. Entre las consideraciones que se manejaron con el proveedor en cuanto a las condiciones de venta por tramo de fibra, las siguientes fueron las más importantes y que aplicarían a cualquier tipo de fibra, aún siendo para aplicación submarina: El mínimo de cantidad de fibra que es posible comprar, es de 1000 m. Esto es, siempre y cuando no exista material en inventario. En caso contrario, es posible adquirir fibras de longitudes menores, aproximadamente de entre 300 a 400 m en adelante. Las bobinas de fibra, comúnmente contienen alrededor de 6000 m de fibra por cada una de ellas, sin embargo según las necesidades del cliente, dicha cantidad por bobina puede ampliarse, solicitándose directamente con el fabricante. La cotización se solicitó, se realizó en base a la cantidad mínima de venta, y suponiendo que se adquirían fibras de 6 y 12 hilos.