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Tipos de dispersión de la fibra óptica y estrategias de compensación

26 de agosto de 2021

Proveedor de cable fibra óptica

¿Qué es la dispersión de la fibra óptica?

La dispersión de la fibra óptica describe cómo una señal de entrada se ensancha/se dispersa a medida que se propaga/viaja por la fibra. Normalmente, los cables de fibra óptica tienen dispersión modal, dispersión cromática y dispersión del modo de polarización.

Dispersión modal

La dispersión modal es un mecanismo de distorsión que se produce en las fibras multimodo y otras guías de onda: la señal se dispersa en el tiempo porque cada modo tiene una velocidad de propagación distinta. Como sabemos, los rayos de luz que entran en la fibra con diferentes ángulos de incidencia recorrerán diferentes trayectorias/modos. Algunos de estos rayos de luz viajarán directamente a través del centro de la fibra (modo axial), mientras que otros rebotarán repetidamente en el límite entre el revestimiento y el núcleo para recorrer en zigzag su camino a lo largo de la guía de ondas (véase ilustración: fibra multimodo de índice escalonado). Cada rebote provoca dispersión modal (o dispersión intermodal), por lo tanto, cuanto más largo sea el trayecto, mayor será la dispersión modal total. Por ejemplo, los modos de orden superior (la luz entra en ángulos pronunciados) tienen más dispersión modal que los modos de orden inferior (la luz entra en ángulos más pequeños).

Dispersión modal en fibra multimodo

La fibra multimodo puede soportar hasta 17 modos de luz simultáneamente, por lo que tiene mucha dispersión modal. En cambio, en la fibra monomodo no hay dispersión modal porque soporta un solo modo: la luz ingresa a través del eje de la fibra (entra en modo axial) sin rebotar en el límite del revestimiento.

El caso de la fibra multimodo de índice graduado es un poco distinto: aunque los rayos de luz también viajan en diferentes modos, la dispersión modal disminuye considerablemente a causa de las diferentes velocidades de propagación de la luz.

Dispersión cromática

La dispersión cromática es un fenómeno de propagación de la señal en el tiempo que resulta de las diferentes velocidades de los rayos de luz. La dispersión cromática es la combinación de los efectos de dispersión del material y dispersión de la guía de ondas.

Dispersión cromática en cable de fibra

«Dispersión del material» significa que la longitud de onda se ve afectada por el índice de refracción del material que compone el núcleo de la fibra. La dispersión de la guía de ondas se debe a la dependencia del coeficiente de propagación del modo de los parámetros de la fibra (radio del núcleo y diferencia entre el índice de refracción del núcleo y el del revestimiento de la fibra) y de la longitud de onda de la señal. A una frecuencia determinada, estos dos efectos pueden anularse mutuamente resultando en una longitud de onda con 0 dispersión cromática (aproximadamente).

Además, la dispersión cromática no siempre es mala. La luz viaja a diferentes velocidades en diferentes longitudes de onda o materiales. Estas velocidades diversas provocan que pulsos se extiendan o se compriman a medida que viajan por la fibra, esto permite personalizar el perfil del índice de refracción para producir fibras que se adecúen a diferentes aplicaciones. De hecho, las fibras G.652 están diseñadas de este modo.

Dispersión del modo de polarización

La dispersión del modo de polarización (PMD, polarization mode dispersion) representa la dependencia de la polarización de las características de propagación de las ondas de luz en las fibras ópticas. En las fibras ópticas, suele haber una ligera diferencia en las características de propagación de las ondas de luz con diferentes estados de polarización. Cuando la luz se define como una onda de energía o región de energía, posee 2 ejes mutuamente perpendiculares: la fuerza electromotriz y la fuerza magnetomotriz. En el momento en que la energía dentro de estos dos ejes se transfiere a diferentes velocidades en una fibra, se produce la PMD.

Dispersión del modo de polarización en cable de fibra

La PMD tiene un efecto mínimo en las redes con velocidades inferiores a 2,5 Gb/s, incluso en distancias de transmisión superiores a 1000 km. Sin embargo, a medida que aumentan las velocidades, se convierte en un parámetro más importante, especialmente en velocidades superiores a 10 Gb/s. Además de la PMD inherente causada por el proceso de fabricación del vidrio, hay otros factores que pueden afectar o causar esta dispersión, como el cableado de la fibra, la instalación y el entorno de funcionamiento del cable.

¿Cómo se compensa la dispersión de la fibra?

Si bien la dispersión de la fibra óptica no debilita la señal, si que la difumina y acorta su recorrido en el interior de una fibra. Por ejemplo, un pulso de 1 nanosegundo en el transmisor se extenderá a 10 nanosegundos en el receptor, lo que provocará que las señales no se reciban y descodifiquen correctamente. Por tanto, es importante reducir la dispersión de la fibra óptica o bien compensarla en las transmisiones de larga distancia, como los sistemas DWDM. A continuación te presentamos tres estrategias o técnicas para compensar la dispersión de la fibra.

Compensación de la dispersión con DCF

En la técnica que emplea fibra de compensación de la dispersión (DCF, dispersion compensating fiber) se utiliza una fibra con alta dispersión negativa junto a una fibra típica. La cantidad de luz distribuida por la fibra tradicional se reduce o tal vez se anula mediante el uso de una fibra de compensación de la dispersión que tiene un valor de dispersión negativo y considerablemente más alto que el de la fibra normal. Para compensar la dispersión, hay 3 esquemas principales (pre-compensación, post-compensación o compensación simétrica). La DCF se utiliza habitualmente para mejorar los enlaces de fibra óptica optimizados de 1310 nm instalados para el funcionamiento a 1550 nm.

Compensación de la dispersión con DCF

Compensación de la dispersión con FBG

La rejilla de fibra de Bragg (FBG, fiber Bragg grating) es un dispositivo reflectante compuesto por una fibra óptica tiene una modulación del índice de refracción de su núcleo en una longitud definida. Si se aplica la FBG, pueden reducirse drásticamente los efectos de la dispersión en sistemas de transmisión largos (p.ej. 100 km). La rejilla de la fibra refleja la luz cuya longitud de onda se corresponde con la regularidad de la modulación. La compensación de la dispersión con FGB es una técnica prometedora, estas rejillas son elementos ópticos pasivos que tienen baja pérdida de inserción y precios asequibles. La compensación de la dispersión no es la única función de las FGB, de hecho, también las puedes utilizar como sensores, estabilizadores de longitud de onda para láseres de bombeo y/o filtros de inserción/extracción en WDM de banda estrecha.

Compensación de la dispersión con EDC

La compensación electrónica de la dispersión (EDC, electronic dispersion compensation) es un método que utiliza el filtrado electrónico (también conocido como ecualización) para compensar la dispersión en un enlace de comunicaciones ópticas. El filtrado puede incluirse en un canal de comunicaciones para compensar la degradación de la señal causada por el medio. La EDC se implementa típicamente con un filtro transversal, cuya señal de salida es la suma ponderada de una serie de señales de entrada retardadas. Esta solución tiene la capacidad de ajustar automáticamente los pesos del filtro en función de las características de la señal recibida, lo que se conoce como adaptación. La EDC puede utilizarse tanto en sistemas de fibra monomodo como en sistemas de fibra multimodo. Además, puede combinarse con otras funciones en circuitos integrados de receptores de 10 Gb/s. Puede conseguirse una reducción significativa del coste del transmisor en los sistemas de fibra monomodo o un aumento de la distancia de transmisión en los sistemas multimodo con una pequeña penalización en el coste del receptor.

Resumen

Aunque la dispersión de la fibra óptica tiende a extender y distorsionar temporalmente las señales de muchas maneras, no siempre es mala para la transmisión de señales de telecomunicaciones en los enlaces de fibra óptica. En realidad, es mejor tener cierta cantidad de dispersión cuando se utiliza la multiplexación por división de longitudes de onda porque podría mitigar los efectos no lineales.

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