En la comunicación por fibra óptica, la luz viaja a través del cristal a una velocidad increíble, transportando miles de millones de bits de información cada segundo. Es una de las tecnologías más extraordinarias jamás creadas, que permite la existencia de Internet, la computación en la nube y la comunicación moderna.
Pero incluso algo tan rápido y puro como la luz puede encontrarse con problemas por el camino.
ÍNDICE
¿Qué es la dispersión en fibra óptica?
En mi artículo anterior, “Cómo funciona la fibra óptica: la ciencia sencilla detrás de la luz,...”, he explicado cómo la luz viaja por el interior de la fibra reflejándose constantemente en el núcleo de vidrio. Cuando la luz viaja por una fibra óptica, no siempre permanece perfectamente sincronizada.
Aunque todas las señales se mueven casi a la velocidad de la luz, algunas partes de la señal llegan un poco antes o después que otras. Por ejemplo, la luz azul (de longitud de onda corta) se transmite más rápido que la luz roja (de longitud de onda larga). Este pequeño retardo entre los distintos componentes de la luz es lo que llamamos dispersión.
En términos sencillos, dispersión se refiere al dispersión de impulsos ópticos a medida que se propagan por una fibra. En lugar de permanecer cortos y nítidos, cada pulso de luz se ensancha gradualmente en el tiempo. Cuando esto ocurre, el receptor ya no puede distinguir claramente entre “0” y “1”, lo que puede provocar errores en los bits.
Puedes imaginarte la dispersión como un grupo de corredores de maratón que empiezan juntos pero no llegan todos a la meta al mismo tiempo. Cuanto más larga sea la carrera (distancia), más dispersos estarán y, en fibra óptica, esa “dispersión” hace que las señales de datos se difuminen.
Por qué importa la dispersión
La dispersión no reduce la potencia de la señal óptica como lo hace la atenuación, pero distorsiona la forma de los pulsos transmitidos. Cuando los pulsos se ensanchan demasiado, empiezan a solaparse, fenómeno conocido como interferencia entre símbolos (ISI).
Esto limita tanto la ancho de banda y distancia máxima de transmisión de un enlace de fibra óptica.
Una ecuación simplificada utilizada a menudo para describir el ensanchamiento del pulso es:
ΔT=D×Δλ×L
Dónde:
- ΔT = Ensanchamiento del pulso (ps)
- D = Coeficiente de dispersión (ps/nm-km)
- Δλ = Anchura espectral de la fuente luminosa (nm)
- L = Longitud de la fibra (km)
Por ejemplo, si un láser tiene una anchura espectral de 1 nm y la dispersión de la fibra es de 17 ps/nm-km, después de 50 km el pulso se dispersará 850 ps, suficiente para distorsionar gravemente las señales de alta velocidad.
La dispersión es uno de los parámetros más críticos en el diseño de sistemas de comunicación óptica de alta velocidad, tal y como se define en UIT-T G.650.3, que proporciona métodos de medición normalizados para la dispersión cromática.
Tipos de dispersión en fibras ópticas
Existen varios mecanismos que provocan la propagación de los impulsos luminosos en las fibras.
Los cuatro tipos principales son:
- Dispersión del material
- Dispersión de la guía de ondas
- Dispersión en modo de polarización (PMD)
- Dispersión intermodal
Cada uno de ellos afecta a la señal de una forma diferente. Empecemos por los dos primeros, que son los más comunes en las fibras monomodo.
Dispersión del material (dispersión cromática)
Dispersión del material se produce porque diferentes longitudes de onda (colores) de la luz viajan a diferentes velocidades en el mismo material.
El índice de refracción del vidrio cambia ligeramente con la longitud de onda: la luz azul se curva más que la roja, y esta pequeña variación significa que las longitudes de onda más cortas y más largas llegan al extremo de la fibra en momentos diferentes.
En la fibra monomodo, incluso una diferencia mínima en el índice de refracción (n) a lo largo del espectro de longitudes de onda puede provocar una dispersión de impulsos medible.
Matemáticamente, el coeficiente de dispersión debido a los efectos del material puede expresarse como:
(Fuente: Govind P. Agrawal, “Fiber-Optic Communication Systems”, Wiley, 2012)
Alrededor de 1310 nm, la curva del índice de refracción del vidrio de sílice se aplana, lo que significa que la dispersión del material es casi nula. Por eso, los primeros sistemas ópticos se optimizaron para esta longitud de onda.
Sin embargo, en 1550 nm (donde la atenuación es menor), la dispersión del material aumenta significativamente, lo que requirió otras soluciones de ingeniería, como fibras con desplazamiento de dispersión.
Ejemplo de analogía:
Piensa en un prisma que divide la luz blanca en un arco iris: cada color viaja de forma diferente porque cada longitud de onda interactúa con el cristal a su manera. Dentro de una fibra, esto no crea colores, pero sí diferencias de tiempo.
Dispersión de la guía de ondas
Mientras que la dispersión del material depende de las propiedades del vidrio, dispersión de la guía de ondas depende del geometría y estructura de la propia fibra óptica.
La luz no permanece perfectamente dentro del núcleo; parte de ella viaja a través del revestimiento. Como estas regiones tienen índices de refracción diferentes, la velocidad de propagación global de la luz depende de cuánta energía permanece en el núcleo y cuánta se escapa al revestimiento.
La dispersión de la guía de ondas surge de esta distribución de la energía luminosa entre las dos capas.
La fórmula para la dispersión de la guía de ondas se puede escribir como:
donde β es la constante de propagación, relacionada con la forma y la estructura del modo de la fibra.
Al diseñar cuidadosamente el diámetro del núcleo y diferencia de índice de refracción, los ingenieros pueden hacer que la dispersión de la guía de ondas anular la dispersión del material, creando lo que se conoce como fibra de dispersión desplazada (DSF), estandarizado bajo UIT-T G.653.
Estas fibras “desplazan” la longitud de onda de dispersión cero de 1310 nm a unos 1550 nm, lo que permite un funcionamiento con bajas pérdidas y baja dispersión en la misma ventana, ideal para transmisiones de larga distancia.
Dispersión en modo de polarización (PMD)
Incluso en una fibra monomodo -donde sólo debería existir una trayectoria de la luz- no toda la luz viaja exactamente igual.
La luz puede tener diferentes polarizaciones, lo que significa que su campo eléctrico puede vibrar en direcciones ligeramente diferentes.
En una fibra ideal, todas las polarizaciones se moverían a la misma velocidad.
Pero en el mundo real, las pequeñas imperfecciones en la forma de la fibra o las tensiones externas (como la flexión o la torsión) pueden hacer que las distintas polarizaciones viajen a una velocidad diferente. velocidades ligeramente diferentes.
Este fenómeno se denomina Dispersión en modo de polarización (PMD).
La diferencia en el tiempo de llegada entre los dos estados de polarización se denomina Retardo diferencial de grupo (DGD), que suele medirse en picosegundos (ps).
Matemáticamente, se puede aproximar como:
Dónde:
- τPMD = Retardo total del modo de polarización
- DPMD = coeficiente PMD (ps/√km)
- L = Longitud de la fibra (km)
Los valores típicos de PMD para las fibras monomodo modernas se sitúan en torno a 0,1 ps/√km.
Esto puede parecer poco, pero en los sistemas de larga distancia o de alta velocidad (40 Gbps y superiores), incluso pequeños retrasos de polarización pueden causar solapamiento de impulsos y errores de bits.
Se puede pensar en ello como dos corredores en pistas paralelas, uno ligeramente más rápido que el otro. En una distancia larga, incluso una pequeña diferencia de velocidad puede hacer que uno se quede muy atrás.
Dispersión intermodal (Dispersión modal)
Mientras que la PMD se produce en fibras monomodo, dispersión intermodal sólo se produce en fibras multimodo.
Las fibras multimodo tienen un núcleo mucho más grande (normalmente de 50-62,5 µm), lo que permite que múltiples trayectorias de luz -o “modos”- viajen simultáneamente.
Cada modo toma una ruta ligeramente diferente a través del núcleo: algunos van en línea recta por el centro, mientras que otros rebotan en las paredes en ángulos más pronunciados.
Como estas trayectorias tienen longitudes diferentes, la luz que viaja en cada modo llega en momentos distintos. Esta diferencia en el tiempo de llegada es lo que provoca dispersión intermodal (o modal).
Fórmula de aproximación:
donde:
- n₁ = índice de refracción del núcleo
- Δ = diferencia de índice de refracción relativo entre el núcleo y el revestimiento
- c = velocidad de la luz en el vacío
- L = longitud de la fibra
Esta forma de dispersión es la principal limitación de los sistemas de fibra multimodo.
Cuantos más modos haya, mayor será la dispersión, lo que limita la distancia de transmisión y el ancho de banda.
Para mitigarlo, los ingenieros desarrollaron fibras multimodo de índice graduado, donde el índice de refracción disminuye gradualmente desde el centro hacia el borde.
Este perfil suave ayuda a igualar el tiempo de viaje de los distintos modos, de modo que los rayos de luz que recorren trayectos más largos se mueven más rápido, equilibrando el retraso.
Como resultado, las modernas fibras multimodo OM3 y OM4 pueden transportar señales de alta velocidad (10-40 Gbps) a cientos de metros con un rendimiento de dispersión aceptable.
Cómo gestionar y compensar la dispersión
La dispersión no puede eliminarse por completo, pero puede gestionado y compensado.
He aquí varias técnicas utilizadas en los sistemas ópticos modernos:
- Fibra de compensación de dispersión (DCF)
Un tipo especial de fibra diseñada con dispersión negativa, utilizado en serie con la fibra de transmisión para compensar la dispersión cromática total.
Común en los sistemas de larga distancia antes de la era de la compensación digital. - Módulos de compensación de la dispersión (DCM)
Dispositivos ópticos compactos (mediante rejillas de fibra o lentes) que invierten la dispersión acumulada a grandes distancias.
Suelen instalarse en repetidores o amplificadores. - Procesado electrónico y digital de señales (DSP)
Los transceptores modernos pueden detectar y corregir digitalmente los efectos de la dispersión en tiempo real, lo que mejora enormemente el rendimiento de los sistemas de alta velocidad (100G y superiores). - Optimización del diseño de la fibra
Combinando material y dispersión de la guía de ondas, los diseñadores de fibras pueden crear fibras de “longitud de onda de dispersión cero”, tales como G.653 (Fibra de dispersión desplazada) y G.655 (Fibra de dispersión desplazada no cero).
Estas fibras minimizan la dispersión en longitudes de onda clave, lo que permite DWDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa) transmisión.
Efectos de la dispersión en el rendimiento de la red
La dispersión influye directamente en la distancia y la velocidad a la que pueden viajar los datos en las redes de fibra óptica.
Algunos de los efectos más comunes son:
- Ampliación del pulso - Los impulsos luminosos se solapan, lo que dificulta distinguir los bits.
- Ancho de banda reducido - La velocidad de transmisión de datos debe reducirse para evitar errores.
- Mayor tasa de errores de bits (BER) - La superposición de impulsos provoca una interpretación incorrecta de los datos.
- Problemas de sincronización del sistema - Las diferencias de retardo entre canales reducen la precisión de la temporización.
Por ejemplo, en un sistema de 10 Gbps, una dispersión cromática de 17 ps/nm-km a más de 80 km puede provocar un ensanchamiento del pulso de más de 1,3 ns -aproximadamente la duración de 13 bits-, suficiente para causar una importante distorsión de la señal.
Por eso, la gestión de la dispersión es esencial en todas las fases del diseño de la red, desde la elección de los tipos de fibra hasta la selección de conectores, adaptadores y métodos de empalme compatibles.
PREGUNTAS FRECUENTES: Dispersión en fibra óptica
¿Qué causa la dispersión en las fibras ópticas?
Las distintas longitudes de onda y modos de la luz viajan a velocidades diferentes debido al material y la geometría de la fibra, lo que provoca la dispersión de los impulsos.
¿Qué tipo de dispersión afecta más a la fibra monomodo?
En fibras monomodo, dispersión cromática (material + guía de ondas) y dispersión por modo de polarización (PMD) son los principales contribuyentes.
¿Cuál es la causa principal de la dispersión intermodal?
Múltiples modos de luz que toman diferentes trayectorias a través del núcleo de una fibra multimodo
¿Cómo reducir la dispersión?
Utilizando fibras o módulos que compensen la dispersión, eligiendo el tipo de fibra adecuado (por ejemplo, G.652D, G.655 o G.657) y empleando láseres de espectro estrecho.
¿Por qué es importante la dispersión en las redes de larga distancia?
Como el ensanchamiento del pulso se acumula con la distancia, sin control, las señales de alta velocidad se distorsionan y se vuelven ilegibles tras una transmisión prolongada.
En resumen
La dispersión no es un error: es una propiedad natural de la luz en el cristal.
Pero si no se gestiona, puede desdibujar las señales, limitar el ancho de banda y degradar el rendimiento de la red.
Comprendiendo los cuatro tipos principales - material, guía de ondas, modo de polarización y dispersión intermodal - Los ingenieros pueden diseñar sistemas de comunicación más fiables y eficaces.
Con el tipo de fibra adecuado, prácticas de instalación optimizadas y modernas tecnologías de compensación, la dispersión puede controlarse eficazmente, permitiendo que la luz transmita la información de forma limpia y precisa, incluso a miles de kilómetros de distancia.
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