El rápido avance de la
tecnología de la fibra óptica
R.
Días de la Iglesia
La tecnología de la fibra óptica ha evolucionado con
rapidez. Razones técnicas y económicas favorecen su empleo tanto en las redes
de larga distancia como en las provinciales v urbanas.
INTRODUCCIÓN
En menos de 20 años la transmisión de información
por fibras ópticas ha evolucionado desde una propuesta teórica a una realidad
comercial en expansión. Fue en 1966 cuando C. Kao y
G. Hockham proponen que la fibra óptica de sílice puede
ser un soporte viable para las telecomunicaciones. En 1970 Corning
Glass desarrolló una fibra de 20 dB/Km. y, al mismo tiempo, los laboratorios de la Bell demuestran la viabilidad de un láser de semiconductores
trabajando en onda continua a 850 nm. Estos dos avances dieron un notable soporte
de credibilidad a las previsiones de Kao y Hockham.
En 1976 se instaló (Lab. Bell) el primer enlace comercial
del mundo: trabajaba sobre fibras multimodo; a 850 nm. y a una velocidad de 45
Mbit/s. (equivalente a unos 600 canales telefónicos)
por fibra. En este mismo año se producen dos avances de importancia capital en
el futuro de las comunicaciones por fibra óptica:
‑ En Japón, la NTT logra obtener fibras con
atenuación inferior a 0.5 dB/Km. a 1.300 y 1.550 nm;
‑ En EE.UU., el M.I.T.
demuestra la viabilidad de realizar láseres que
pueden emitir entre 1.000 ,y 1.700 mm. (a base de InGaAsP‑InP).
Los avances posteriores en fibras monomodo han
posibilitado llegar al valor teórico mínimo de atenuación (Figura l), próximo a
los 0,2 dB/ Km. en 1.550 nm. Por lo que respecta a los
láseres, receptores y otros componentes pasivos (conectores,
empalmes, acopladores, multiplexores, etc.) la mayor parte de los desarrollos
e investigaciones en curso se orientan al uso con fibras monomodo operando en
1.300 y/o. 1.550 nm., (donde la fibra óptica ofrece
mejores propiedades de transmisión) para aplicaciones en las redes de enlaces,
pero fundamentalmente encaminadas al uso de la fibra monomodo en las redes de
abonado.
En estas líneas expondremos el estado de la
tecnología en los sistemas de fibra óptica empleada en la actualidad para
aplicaciones comerciales, tanto en la red de enlaces de larga distancia, redes
metropolitanas, cables submarinos y redes de abonado.
En síntesis, la tecnología de comunicaciones ópticas
esta madura (pero sigue evolucionando) para su empleo en las redes de enlaces
urbanas e interurbanas. Los cables submarinos llevan algún retraso sobre los
enlaces terrestres: en 1988 entrarán en servicio los primeros cables para uso
comercial. Las redes de abonado de banda ancha por fibra óptica no son aún
viables económicamente, pero es una cuestión de tiempo. Se han demostrado
todos los aspectos tecnológicos claves, pero son precisos aún muchos estudios,
investigaciones y desarrollos para que sea viable su realización industrial.
ENLACES TERRESTRES DE LARGA DISTANCIA Y/O
CAPACIDAD
Bajo este apartado se engloban los enlaces entre
centros de telecomunicación ubicados en áreas urbanas de una misma ciudad
(enlaces urbanos o metropolitanos) o en ciudades distintas (enlaces
provinciales y enlaces de la red nacional de larga distancia).
Los enlaces interurbanos, particularmente los de la
red nacional, precisan transportar elevados volúmenes de información (miles de
circuitos telefónicos por cada fibra) y es importante reducir el número de
regeneradores intermedios para reducir costes. En los enlaces urbanos y metropolitanos es factible suprimir casi por completo los
repetidores intermedios, gracias a las buenas propiedades de transmisión de
las fibras monomodo.
En estas aplicaciones la fibra es atractiva también
por su futura capacidad para soportar más tráfico sin añadir regeneradores
intermedios y, particularmente en las áreas urbanas, por la posibilidad de ser
intalada en zonas con poco espacio disponible en los
conductores.
La primera generación de sistemas comerciales sobre
fibra óptica apareció alrededor de 1980. Se instalaron en enlaces urbanos e
interurbanos de media distancia. Trabajaban en longitudes de onda entre 850‑920
nm., sobre fibras de índice
gradual y con detectores de silicio. Las distancias de repetición eran de 5‑10
Km. con velocidades de transmisión entre 8‑140
Mbit/s. en Europa y 6‑90 Mbit/s. en Norteamérica y Japón. El mayor problema de esta primera
generación se derivaba de las limitaciones que imponía la fibra multimodo: en
particular por lo referente a la anchura de banda.
La segunda generación de equipos comerciales
apareció alrededor de 1984. Estos sistemas operaban a 1.300 nm. sobre fibras monomodo. Las velocidades de transmisión
oscilaban entre 100 y 600 Mbit/s, y distancias de repetición de 25‑40
Km. Esto representó una mejora de 20 veces en términos del producto “velocidad
de transmisión x distancia de repetición”.
Los sistemas que se están instalando hoy para las
redes nacionales de larga distancia emplean velocidades de hasta 400‑565
Mbit/s. (y ofrecen la potencialidad de una posterior
readaptación hasta 1.2 ó 2.4 Gbit/s, sin añadir
repetidores intermedios). Las distancias de repetición son del orden de 30‑50
Km.
Para aumentar el flujo de información por la fibra
hay dos opciones de multiplexación: el multiplex en longitud de onda (WDM) o el multiplex eléctrico. Actualmente es preferible acudir al multiplex eléctrico para incrementar la capacidad de los
sistemas existentes de 140‑565 Mbit/s. x 40 Km.
En algunos casos se emplean dispositivos de protección/conmutación (usando un
par de fibras distintas) de hasta 1 x 11 (1 sistema de reserva por cada 11
activos).
La tabla 1 refleja las fechas de instalación de los
primeros estándares en sistemas comerciales. La figura 2 refleja el margen de
tiempo entre los avances en sistemas experimentales y productos de serie.
ENLACES SUBMARINOS
Los desarrollos comenzaron a finales de los 70 en
Europa, Japón y EE.UU., cuando hubo evidencias que la transmisión por cables
de fibra óptica era capaz de reducir el coste por canal y Km. Este potencial
ahorro de coste se fundaba en los siguientes hechos:
‑ La tecnología de cables metálicos submarinos
había llegado a sus límites finales. No era posible reducir ni el ruido, ni
aumentar el n.° de canales por tubo, sin aumentar el diámetro del cable y/o
acortar la separación entre regeneradores. Los sistemas por fibras ópticas
posibilitaban aumentar, al menos un orden de magnitud, el producto “n.° de
canales x distancia de repetición”.
‑ Los cables coaxiales se habían desarrollado para transmisiones analógicas. Las necesidades
futuras serían de tráfico digital, para el cual las fibras están particularmente
bien dotadas.
‑ Los cables coaxiales se constituían
a base de un único tubo coaxial. Los cables de fibra podían llevar varias
fibras por cable sin aumentar el tamaño del mismo.
‑ Además, y muy importante, los cables
de fibra posibilitan instalar bifurcadores (pasivos
y activos) situados en regeneradores sumergidos. Esto proporciona una flexibilidad
en la arquitectura de las redes submarinas que serían impensables con sistemas
de cables metálicos.
Desde el inicio de los desarrollos a finales de los
70, se han ido realizando con éxito diversos ensayos en laboratorio y en
instalaciones submarinas, en Estados Unidos, Francia, Reino Unido y Japón.
Los primeros sistemas comerciales entrarán en servicio para 1988: el TAT‑8
en el Atlántico Norte, y los HAW‑4 y TPC‑3 en el Pacífico. Los
parámetros tecnológicos más reveladores de estos primeros sistemas comerciales
son:
‑ Fibra monomodo trabajando en 1.300 nm;
‑ Atenuaciones en cable de 0.4 a 0.5 dB/Km, lo que posibilita
distancias de regeneración de 40 a 50 Km, con
sistemas a 280 Mbit/s;
‑ Tiempos de vida de 25 años, con 8 años como
objetivo de tiempo medio entre fallos.
‑ Dos pares de fibras activos, con una capacidad
de 7.560 enlaces a 64 Kbit/s.
‑ Bifurcaciones pasivos
instalados en repetidores sumergidos, que proporcionan varios puntos de amarre
del cable en tierra.
‑ Conmutadores ópticos en los regeneradores: para garantizar el servicio ante fallos de algún elemento
crítico (láser, fibra, etc. ).
‑ Diodos láser multi‑longitudinales.
Para reducir aún más los costes/Km‑circuito,
en los cables submarinos interesa aumentar más y más la separación entre
regeneradores. Por ello, la siguiente generación de cables ópticos trabajará en
la región de 1.500 nm. donde la fibra ofrece las menores
pérdidas posibles. La figura 3 pone también de manifiesto que en los enlaces
terrestres de la red nacional, a diferencia de los submarinos, resulta más
práctico aumentar la velocidad de transmisión.
En la tabla 2 se sintetizan las dos opciones
posibles para la segunda generación de cables ópticos submarinos.
ENLACES MULTISERVICIOS HASTA EL ABONADO
Para examinar las posibilidades de las fibras
ópticas en estas aplicaciones, es útil hacer una distinción entre las dos
partes que forman estos enlaces:
‑ Las redes o enlaces de alimentación (“feeder network” en terminología
anglosajona) que unen la central de telecomunicaciones con algún punto donde se
realizan funciones de concentración de circuitos, conmutación de vídeo, etc.
‑ Los propios enlaces de abonados, que unen
estos puntos de conmutación/concentración (que normalmente podrán instalarse
en centrales telefónicas ya existentes) con la propiedad del abonado.
La “feeder network” puede englobarse bajo las redes urbanas y
metropolitanas. En lo que sigue nos referimos exclusivamente al último tramo de
la red.
Desde principios de los 80 se han realizado
abundantes estudios y experiencias para explotar la viabilidad de la fibra
óptica como portador para ofrecer servicios de voz, datos y vídeo a usuarios residenciales.
Estos ensayos (realizados en USA, Japón y Europa) consideraron diversas
topologías para la red de fibra y la ubicación de los conmutadores de vídeo; y
normalmente se instalaron con lo que en su momento era tecnología punta,
basada en fibras multimodo (en 1. a y 2.1 ventana: 850 y 1.300 nm. ), con transmisión analógica y/o digital. Invariablemente el
coste de estas redes de fibra fue superior a la opción de cable metálico. En
algunos casos el coste fue 6 a 8 veces superior a proporcionar los servicios
con la red de abonado existente (red telefónica) y añadiendo otra nueva para
los servicios de vídeo.
Más recientemente (1986) en Japón (INS) y en Francia
(redes de videocomunicación) se comenzó a instalar fibra en las redes de abonado
para aplicaciones comerciales. La tecnología empleada se basa en fibras
multimodo y está orientada a minimizar costes: empalmes
multifibra, diodos LED, longitudes de onda de 850 nm. y
transmisiones de vídeo en formato analógico.
Hay que admitir que la “visión” más generalizada,
al menos hasta ahora, para instalar fibra en las redes de abonado era buscar la
solución tecnológica menos costosa. Sin embargo, es cada vez mayor el número de
entidades que están cuestionando este enfoque: la alternativa es explorar redes
con fibras monomodo hasta el abonado. Ésta es la solución tecnológica del futuro,
admitida de hecho en casi todas partes: no obstante, faltan aún muchos
estudios, investigaciones y desarrollos, para que sea económicamente viable,
pero es sólo cuestión de tiempo.
Algunas de las áreas cuyo avance condiciona la
viabilidad de las redes de abonado por fibra monomodo son:
‑ Método de encapsulado y pruebas
automáticas de los diodos LASER y LED.
‑ Integración monolítica de
dispositivos PINFET.
‑ Exploración de nuevos materiales
para abaratar los receptores ópticos.
‑ Exploración de las ventajas y
posibilidades últimas de los láseres y diodos LED.
‑ Diseños de cables que permiten
ahorrar tiempo y dinero en las tareas de instalación y empalme.
‑ Necesidad de nuevos materiales y
procesos para realizar conectores ópticos para fibra
monomodo.
‑ Mejoras en la automatización de la
producción y encapsulado de acopladores y multiplexores ópticos.
‑ Explorar nuevos materiales para
realizar multiplexores activos.
En resumen, todas estas áreas persiguen la obtención
de unidades terminales de abonado de bajo coste sobre fibra monomodo; así como
poder reducir los costes de instalación del cable óptico. Además es importante
que se llegue a un acuerdo sobre el tipo de fibra monomodo para, así,
aprovechar la reducción de costes por su fabricación a gran escala.
CONCLUSIONES Y TENDENCIAS
‑ Las consideraciones técnicas y
económicas favorecen de forma creciente el empleo de la fibra monomodo en todas
las partes de las redes públicas de telecomunicación. De hecho, es el único
portador que se instala en las redes terrestres de larga distancia y
submarinas. Y está ganando aceptación en las redes provinciales y urbanas, de
menor longitud y tráfico, y por supuesto en las redes metropolitanas. Además,
los avances en métodos de cableado, conexión y empalme han hecho que los
cables ópticos sean más fáciles de instalar que su predecesores de tipo
coaxial (metálicos). La figura 4 ofrece estadísticas
sobre los tipos de fibra en las redes de Telecomunicación en Francia, Alemania
(R. F.) y Reino Unido.
- Las fibras comercialmente disponibles
ofrecen unas prestaciones muy próximas a los límites últimos permitidos por la
física. En efecto, pocos avances cabe esperar en este
sentido durante la década de los 80. Los esfuerzos se están centrando en lograr
procesos de fabricación más baratos y que ofrezcan un producto de calidad más
uniforme.
- Los enlaces terrestres y submarinos tienden
a diferir en el modo de aprovechar la “Anchura de banda x distancia de repetición”
de las fibras monomodo. Los enlaces transoceánicos precisan distancias de repetición
cada vez mayores: esto obliga a la tecnología a moverse hacia longitudes de
onda de 1,55 micras. En los enlaces terrestres, el trazado de su instalación
condiciona la separación entre generadores a 50 Km. o
menos; en estos casos, la evolución apunta a ir
incrementando la velocidad de información, adaptando los equipos terminales
para que no sea preciso añadir nuevos puntos de regeneración (ver figura 3).
- La multiplexación
eléctrica es técnica y económicamente ventajosa frente a la multiplexación
en longitud de onda (WDM). Al menos para incrementar
hasta 1.2 o 2.4 Gbit/s. los
actuales enlaces de 140 a 565 Mbit/s.
- La transmisión por fibra y los avances en optoelectrónica está haciendo que el coste de transmisión
sea cada vez más independiente del volumen de tráfico que se envíe por una
fibra: esto es una diferencia muy notable respecto a otras vías de transmisión.
Esto posibilita que las redes urbanas y metropolitanas sean más simples y, en
efecto, menos costosas de instalar y conservar (ver figura 5).
En estas nuevas configuraciones se pretende minimizar el n.° de Km, de cable óptico, mientras que en las redes metálicas se
buscaba minimizar el n.° de “Km. de cable x n.° de
circuitos”.
- Lo progresos en optoelectrónica, fibras ópticas y circuitos integrados
están introduciendo incompatibilidades entre los tiempos de vida de los
equipos y de los componentes. Durante el período de vigencia industrial de
una generación de equipo de línea, normalmente surgirán varias generaciones
de componentes opto‑electrónicos. Por ello, la estandarización de los
parámetros ópticos y formatos de señales está siendo de relevancia capital.