Fundamentos Esenciales de Fibra Óptica y Códigos de Transmisión Digital

Introducción a la Fibra Óptica

La fibra óptica se ha consolidado como el principal medio físico de transmisión para redes locales, metropolitanas y de larga distancia, tanto a nivel nacional como internacional.

Ventajas de la Fibra Óptica

• Soporte de Alta Velocidad: Los sistemas de fibra óptica operan a velocidades de 2.5 Gbps, superando ampliamente la capacidad de los sistemas de radio. Adicionalmente, soportan multiplexación por longitud de onda (WDM), lo que incrementa significativamente su capacidad de transmisión.
• Inmunidad a la Interferencia Electromagnética: Debido a las longitudes de onda de transmisión y su naturaleza fotónica, la fibra óptica no sufre interferencia radioeléctrica ni es afectada por campos magnéticos variables.
• Baja Atenuación: La atenuación comercial actual permite enlaces de un promedio de 100 km entre regeneradores, una distancia óptima si se compara con los 40 km promedio de los sistemas de radio.
• Seguridad: Un cable de fibra óptica no puede ser interceptado o inducido sin que se active una alarma de ruptura en los extremos, lo que lo hace más seguro que los sistemas radioeléctricos.
• Bajo Costo de Materia Prima: El material básico de la fibra está constituido por silicatos, que son abundantes en todas las regiones terrestres.
• Bajo Retardo: Debido a las condiciones de propagación, casi a la velocidad de la luz, las redes de fibra óptica presentan menos retardos que las ondas electromagnéticas (EM).
• Gran Ancho de Banda: La transmisión por fibra óptica no está limitada en ancho de banda respecto a la señal eléctrica y tampoco atenúa la señal de forma proporcional a la frecuencia, lo que elimina la necesidad de ecualización.

Desventajas de la Fibra Óptica

• Mayor Complejidad en la Red: Debido a su tecnología, requiere equipos y sistemas más sofisticados que demandan un mayor conocimiento técnico por parte de los operadores.
• Mayor MTTR (Mean Time To Repair): En caso de falla, las reparaciones demandan mayor tiempo que en los sistemas de radiopropagación.
• Alto Costo de Planta Externa: Para establecer un medio guiado, es necesario realizar un tendido subterráneo, aéreo o marino, cuya infraestructura demanda una gran inversión.
• Mayor Vulnerabilidad Física: El cable de fibra óptica puede ser interrumpido (cortado) con mayor facilidad, especialmente en redes de larga distancia, y es más difícil de proteger que las redes de radiopropagación.

Conceptos Fundamentales de la Óptica

La Luz

La luz es un fenómeno óptico cuya velocidad en el vacío (c) es aproximadamente 3 x 10⁸ m/s.

Reflexión

Cuando la luz incide sobre un cuerpo, este la devuelve al medio en mayor o menor proporción, según sus propias características. Este fenómeno se denomina reflexión.

Refracción

La refracción es el fenómeno por el cual un rayo luminoso sufre una desviación al atravesar dos medios transparentes de distinta densidad.

Índice de Refracción (n)

El índice de refracción (n) de un medio se define como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en dicho medio (v_c):

n = c / vc

Donde:

• c: Velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 3 x 10⁸ m/s).
• v_c: Velocidad de la luz en el medio.

Es importante destacar que n ≥ 1.

Propagación de la Luz en la Fibra Óptica

El rayo lumínico se propaga por rebotes sucesivos dentro del núcleo de la fibra óptica, siempre y cuando no se viole el ángulo crítico.

Apertura Numérica (NA)

Considerando que la luz se introduce al núcleo de la fibra desde el aire, la Apertura Numérica (NA) define el máximo cono de aceptancia de la luz introducida desde el aire al núcleo, con la condición de que no se supere el ángulo crítico.

Según la información proporcionada:

• n₁: Índice de refracción de la envoltura (cladding).
• n₂: Índice de refracción del núcleo.

Para que se produzca la reflexión interna total, es fundamental que el índice de refracción del núcleo sea mayor que el de la envoltura: n2 > n1.

La fórmula presentada es:

NA = n1 * sen(θc)

Donde θc es el ángulo crítico. Es importante notar que, en el contexto de la aceptación de luz desde el aire, la NA se relaciona con el índice de refracción del medio externo (aire, n≈1) y el seno del ángulo de aceptación.

Códigos de Transmisión Digital

Características Deseables para Códigos de Transmisión Digital

Aunque el documento se centra en fibra óptica, estas características son fundamentales para un código de transmisión digital, aplicables también a cables de cobre:

• Transparencia: El código no debe alterar la información original.
• Alto Contenido de Temporización: El reloj (sincronismo) debe poder recuperarse de la misma línea de información, por lo que los códigos deben ser ricos en transiciones.
• Espectro de Potencia Nulo en Frecuencia Cero (DC): El código no debe tener componente de corriente continua (DC), lo que implica que debe alternar entre valores positivos y negativos.
• Espectro de Potencia Adecuado (No Nulo) en la Frecuencia de Trabajo: Se deben evitar los nulos en el espectro de potencia en la frecuencia de trabajo.

Tipos de Códigos de Línea

Algunos códigos de línea comunes incluyen:

• AMI (Alternate Mark Inversion)
• HDB3 (High Density Bipolar 3-zero substitution)
• B3ZS (Bipolar with 3-Zero Substitution)
• B6ZS (Bipolar with 6-Zero Substitution)

Código AMI (Alternate Mark Inversion)

En el código AMI, los bits '1' se alternan entre valores positivos y negativos, mientras que los bits '0' permanecen en nivel cero. Su nivel de corriente continua (DC) es nulo. Para evitar secuencias largas de ceros que dificulten la temporización, se utilizan aleatorizadores (scramblers), que desordenan la información para aumentar el contenido de transiciones y, por ende, la temporización.

Código HDB3 (High Density Bipolar 3-zero substitution)

El código HDB3 es un código de alta densidad con protección de 3 ceros, una modificación del AMI. Elimina el problema de las secuencias largas de ceros sustituyendo una secuencia de cuatro ceros consecutivos con un código de 3 bits que viola la regla AMI, asegurando así transiciones para la sincronización.