Fibra óptica Vs Cable de cobre

En la tecnología actual de fibras, el ancho de banda excede los 50.000 Gbps, aunque se está investigando para encontrar mejores. El límite actual de 1 Gbps se debe a la incapacidad para convertir las señales eléctricas en ópticas con mayor rapidez.

Un sistema de transmisión óptico tiene tres componentes:

1. Fuente de Luz
2. Medio de transmisión 
3. Detector

Un pulso de luz indica un bit "1", mientras una ausencia indica un bit "0"; el medio de transmisión es una fibra extremadamente fina. El detector genera un pulso eléctrico cada vez que recibe un haz de luz.

Cuando se conecta una fuente de luz en un extremo de la fibra y un detector en otro, se tiene un sistema de transmisión en una sola dirección. Este sistema de transmisión tendrá fugas de luz y sería prácticamente inservible, pero existe un principio físico que dice que cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, se refracta. Para ángulos de incidencia por encima de cierto valor, se refracta de regreso. De este modo, un rayo con un ángulo mayor o igual que el ángulo crítico queda atrapado dentro de la fibra, por lo que en teoría puede transportarte a través de kilómetros sin pérdidas. Pero en la práctica existirán muchos rayos rebotados en la fibra. Se dice que cada rayo tiene un modo diferente, y una fibra que tiene esta capacidad se llama fibra multimodal. 

Si se reduce el diámetro de la fibra a unas cuantas longitudes de ondas de luz, la fibra actúa como si fuese una línea de ondas y la luz se propaga solo en línea recta sin rebotar. Aunque las fibras de modo único son mas caras que las multimodales, tienen la ventaja de que cubren distancias mas grandes: las disponibles actualmente transmiten datos a varios Gbps, a una distancia de 30 kilómetros.

La longitud de los pulsos de luz transmitidos por una fibra aumenta conforme éstas se propagan; el fenómeno se llama dispersión y su magnitud depende directamente de la longitud de onda. Una forma de evitar que se solapen los pulsos de luz es aumentar la distancia entre ellos, pero esto supone una pérdida de velocidad. Para solucionar este problema, se ha descubierto que al dar los pulsos de luz de un modo muy concreto, los efectos de la dispersión se anulan y es posible así enviar pulsos a miles de kilómetros, con una distorsión inapreciable. Estos pulsos se llaman solitones. Físicamente, los cables de fibra óptica son parecidos a los coaxiales, excepto por el trenzado y el núcleo, que es de vidrio y a través de él se propaga la luz. En las fibras multimodales el diámetro es de 50 micras, mientras en las de modo único el diámetro oscila entre 8 y 10 micras (mas de 5 veces inferior a un cabello humano).

El núcleo está revestido de otro vidrio con índice de refracción menor para mantener toda la luz dentro de éste. Para proteger este conjunto, se usa una cubierta plástica delgada.

Normalmente, las fibras se agrupan en haces protegidos por una funda externa. Uno de los grandes problemas de la fibra óptica es la forma de empalmar los tramos. Existen tres modos de realizar esta tarea:

1. La primera, hacer que las fibras terminen en conectores y se inserten en enchufes de fibra. El inconveniente de este método es que se pierde entre un 10 y un 20 por ciento de la luz pero, por el contrario, facilita la reconfiguración de la red al poder enchufar y desenchufar distintos tramos.
2. La segunda, empalmar los tramos de fibra de forma mecánica; en este tipo de conexión se colocan los tramos de fibra el uno junto al otro, dentro de una manga especial. La ventaja de este sistema es que se puede maximizar la calidad de la señal, haciendo pasar una haz de luz antes de hacer el empalme y así optimizar este. La conexión tarda unos 5 minutos en realizarse, y tiene una pérdida de 10% en señal. 
3. La tercera, fusionar dos fibras. Un empalme por fusión es casi tan bueno como un solo cable continuo.

Se puede utilizar dos clases de fuentes de luz para producir señales: los diodos Led (Luminiscent Emisor Diode) y los láseres semiconductores. El extremo receptor de  la fibra óptica es un fotodiodo que emite un impulso eléctrico al recibir un haz de luz. Normalmente, el tiempo de respuesta de estos fotodiodos es un nanosegundo, lo que hace que se produzca un cuello de botella y limita la velocidad de datos a un gigabyte por segundo. Otro inconveniente: la luz debe llegar con la suficiente energía para ser detectable.

Fibra óptica vs. cable de cobre

Una de las principales ventajas de la fibra óptica es su ancho de banda, mucho más grande que la del cobre. Por tanto, es indispensable su uso para redes de amplio rendimiento. Otra ventaja es el ahorro, ya que debido a su baja atenuación solo son necesarios repetidores cada 30 kilómetros, aproximadamente, en líneas largas, frente a 5 kilómetros para el cobre.

También tiene la ventaja de no ser afectada por elevaciones de carga, como pueden ser los picos de tensión, las interferencias electromagnéticas o los cortes en los suministros de energía, ya que pueden soportar microcortes de tensión. Tampoco se ve afectada por circunstancias corrosivas del ambiente, lo que lo hace ideal para ambientes fabriles pesados. Además, las compañías de telecomunicaciones utilizan el cable de fibra óptica porque es ligero y delgado.

• Inconvenientes de la fibra óptica: Es una tecnología poco familiar que necesita habilidades que la mayoría de los ingenieros no tiene. Las interfaces de fibra cuestan mas que las de cobre. Hay otros medios de transmisión que son utilizados ocasionalmente en redes Lan: sistemas de radio terrestre como onda corta, microondas, satélites artificiales, etcétera. Limitaciones físicas en los medios de transmisión: una de las principales limitaciones físicas son las perturbaciones, siendo más significativas la atenuación y distorsión de retardo y ruido.
• Atenuación: La potencia de la señal decae con la distancia en cualquier medio de transmisión. En los medios guiados, la reducción de potencia se expresa como un número constante en decibelios por unidad de longitud. En los medios no guiados, la atenuación es una función más compleja y depende mucho de las condiciones atmosféricas. Se pueden establecer tres puntos respecto a la atenuación.

1. La señal recibida debe tener suficiente potencia para que el receptor detecte e interprete la señal.
2. Para ser recibida sin error, la señal debe conservar un nivel suficientemente mayor que el ruido.
3. La atenuación es una función creciente de la frecuencia: a mayor frecuencia, mayor atenuación.

Los dos primeros problemas se solucionan mediante amplificadores y repetidores. En un enlace punto a punto, la señal tiene que ser suficientemente elevada como para que pueda ser recibida, pero existe un límite sobre el cual la circuitería del transmisor se saturaría y daría paso a señales distorsionadas. Mas allá de cierta distancia, la atenuación es demasiado grande, por lo cual es necesario utilizar repetidores y amplificadores cada cierto tiempo. El tercer problema es especialmente importante para el caso de señales analógicas, debido a que la atenuación varía en función de la frecuencia.

La señal recibida está distorsionada, y así se reduce la inteligibilidad de la señal. Para resolver este problema, hay técnicas para ecualizar una banda de frecuencias. La distorsión por la atenuación de frecuencias es un problema mucho menor para las señales digitales, ya que la energía de la señal digital decae rápidamente con la frecuencia; la mayor parte de sus componentes (de la señal) están situados cerca de la frecuencia fundamental de la señal.

• Distorsión de retardo: Este tipo de distorsión se causa por el echo de que la velocidad de propagación de la señal varía con la frecuencia. Para una señal con una banca limitada, la señal tiende a ir a mayor velocidad cerca de las frecuencias centrales, y disminuye la velocidad al acercarse a los extremos. Este efecto se llama distorsión de retardo porque la señal recibida tiene una distorsión debido a la diferencia de velocidad con las que llega al receptor. Para solucionar este problema, también se usa la ecualización.
• Ruido: Cuando se transmite una señal, ésta, al ser recibida, consistirá en la señal transmitida y modificada por distorsiones que reciben el nombre de ruido, uno de los factores de mayor importancia a la hora de limitar las prestaciones de un sistema de comunicación.

Técnicas de transmisión

Transmisión banda base: Los códigos usados en la transmisión banda-base son los siguientes:

• Código ASCII: Es el mas utilizado en la actualidad para la representación alfanumérica. Corresponde a las siglas American Standard Code for Information Interchangue. El código ASCII también recibe el nombre de CCITT número 5. En un principio (en 1963), el código ASCII utilizó 7 bits. En la actualidad, en cambio, se utilizan 8 bits, dando cabida a los caracteres acentuados y otros especiales.
• Código EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchangue Code): Este tipo de código representa cada carácter con 8 bits.
• Código Baudot: Código utilizado en la red telefónica computada o red télex. También recibe el nombre de CCITT 2. Cada carácter se representa con 5 bits, con lo que sólo se pueden representar 32 caracteres. En la red télex, en cambio, se pueden representar hasta 60 caracteres distintos. Para realizar esto, el sistema Baudot utiliza dos tablas. Una de ellas codifica caracteres alfanuméricos y la otra las cifras y los caracteres de puntuación. Se definen dos caracteres de paso: uno para los caracteres alfanuméricos y otra para los números/caracteres de puntuación.

Transmisión banda ancha. Sistemas modulados

Sistemas de modulación lineal o de onda continua. Es un tipo de modulación que utiliza como señal portadora una onda semoidal que se caracteriza por tener frecuencias muy altas y posee algunos parámetros de esta portadora, controlados por la señal por transmitir.

Podemos distinguir distintos tipos de modulación: 

• Modulación en amplitud: Este tipo de modulación, también conocido como modulación en AM (Amplitud Modulada), se caracteriza por que la señal que se desea transmitir es la que controla la amplitud de la señal portadora. Este tipo de modulación se utiliza en transmisiones de radio, telefonía, etcétera, ya que alcanza grandes distancias. Tiene un gran inconveniente: presenta una gran permeabilidad al ruido, lo cual hace que la señal no tenga una gran calidad.
• Modulación de frecuencia: En este tipo de modulación, a diferencia de la anterior, la modulación se produce en la frecuencia de la portadora. Más sencillamente, se puede definir como el tiempo que tarda en realizarse una onda completa. Este tipo de modulación tiene una gran calidad, debido a su resistencia al ruido de la frecuencia. Es utilizada para transmisiones de radio de alta calidad. Los inconvenientes son el gran ancho de banda que necesita y que no alcanza las largas distancias de la amplitud de modulación.
• Modulación en fase: La fase es el cambio de positivo a negativo y viceversa. Este tipo de modulación se utiliza frecuentemente en transmisiones digitales y consiste en controlar la fase de la señal portadora en función de la señal por transmitir que actúa como moduladora. Esta modulación de fase también es poco alterable por las interferencias, por lo que posee una gran calidad.