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.
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