Fibra óptica hasta el hogar.

Componentes: Cristina Salinas Gómez, Cristina Paniagua Gómez, Marco Calderón Coria, Antonio Gómez Gallardo (Coordinador)

24/05/2011

1.-Breve historia de la fibra óptica

Las ondas de luz son una forma de energía electromagnética y la idea de transmitir información por medio de luz, como portadora, tiene más de un siglo de antigüedad. Hacia 1880, Alexander G. Bell construyó el fotófono que enviaba mensajes vocales a corta distancia por medio de la luz. Sin embargo, resultaba inviable por la falta de fuentes de luz adecuadas.Con la invención y construcción del láser en la década de los 60 volvió a tomar idea la posibilidad de utilizar la luz como soporte de comunicaciones fiables y de alto potencial de información, debido a su elevada frecuencia portadora 1014 Hz. Por entonces, empezaron los estudios básicos sobre modulación y detección óptica. Los primeros experimentos sobre transmisión atmosférica pusieron de manifiesto diversos obstáculos como la escasa fiabilidad debida a precipitaciones, contaminación o turbulencias atmosféricas.El empleo de fibras de vidrio como medio guía no tardó en resultar atractivo: tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y coste. En concreto, las fibras de vidrio permitían guiar la luz mediante múltiples reflexiones internas de los rayos luminosos, sin embargo, en un principio presentaban elevadas atenuaciones.En 1966 se produce un gran hito para los que serán las futuras comunicaciones por fibra óptica, y es la publicación por Kao y Hockman de un artículo en el cual se señalaba que la atenuación observada hasta entonces en las fibras de vidrio, no se debía a mecanismos intrínsecos sino a impurezas originadas en el proceso de fabricación. A partir de esta fecha empiezan a producirse eventos que darán como resultado final la implantación y utilización cada vez mayor de la Fibra Óptica como alternativa a los cables de cobre:

• 1970 Corning obtiene fibras con atenuación 20 dB/km.

• 1971 C.A. Burrus desarrolla un nuevo tipo de emisor de luz, el LED, de pequeña superficie radiante, idóneo para el acoplamiento en F.O. Por lo que se refiere a los foto-detectores, los diodos PIN y los de avalancha a base de Si, fueron desarrollados sin dificultades y ofrecían buenas características. Sin embargo, no podían aplicarse en longitud de onda > 1100 nm. El Ge era un buen candidato a ser utilizado para trabajar entre 1100 y 1600 nm, y ya en 1966 se disponía de ellos con elevadas prestaciones eléctricas. Sin embargo, la corriente de oscuridad (ruido) del Ge es elevada y da motivo a ensayos con fotodiodos con materiales como InGaAsP. El primer PIN de InGaAs se realiza en 1977.

• 1972 Fibra Óptica con núcleo líquido con atenuación 8 dB/km.

• 1973 Corning obtiene Fibra Óptica de SiO2 de alta pureza con atenuación 4dB/km y deja obsoletas a las de núcleo líquido.

Composición de las fibras ópticas

El conductor de fibra óptica está compuesto por dos elementos básicos:El núcleo (core) y el recubrimiento (cladding), ver Figura 1, cada uno de ellos formando por material con distinto índice de refracción, para conformar así un guía-

ondas propagador de las ondas luminosas. Así cuando hablamos de fibras de 50/125, 62.5/125 o 10/125 mm, nos estamos refiriendo a la relación entre el diámetro del núcleo y el del recubrimiento.Otro parámetro importante en una fibra es su apertura numérica. En los conductores de fibra óptica se utiliza el efecto de la reflexión total para conducir el rayo luminoso por su interior. El ángulo necesario para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior recibe el nombre de ángulo de aceptación. Pues bien, el seno de este ángulo se llama, apertura numérica.

Figura 1. Gráfico del corte axial de un cable de Fibra óptica

Tipos de fibra óptica

Se pueden realizar diferentes clasificaciones acerca de las fibras ópticas, pero básicamente existendos tipos: fibra multimodo y monomodo.

Fibras multimodo. El término multimodo indica que pueden ser guiados muchos modos o rayos luminosos, cada uno de los cuales sigue un camino diferente dentro de la fibra óptica. Este efecto hace que su ancho de banda sea inferior al de las fibras monomodo. Por el contrario los dispositivos utilizados con las multimodo tienen un coste inferior (LED). Este tipo de fibras son las preferidas para comunicaciones en pequeñas distancias, hasta 10 Km.

Fibras monomodo. El diámetro del núcleo de la fibra es muy pequeño y sólo permite lapropagación de un único modo o rayo (fundamental), el cual se propaga directamente sin reflexión. Este efecto causa que su ancho de banda sea muy elevado, por lo que su utilización se suele reservar a grandes distancias, superiores a 10 Km, junto con dispositivos de elevado coste (LÁSER). (ver figura 2 y 3)

Figura 2. Tipos de Fibra óptica

FIBRA MULTIMODO

FIBRA MONOMODO

Figura 3. Índice de refracción en tipos de fibra

FIBRA OPTICA FRENTE AL COBRE

En la actualidad las conexiones de cobre están quedando un poco obsoletas debido a la aparición de la fibra óptica. Han pasado ya muchos años desde que se crearon las primeras redes de telecomunicación utilizando como materia prima el cobre (hacia el siglo XIX).Lo cierto es que serán necesarios también otros muchos para integrar completamente la fibra en nuestras vidas y reciclar el cobre para otros usos.Cabe destacar que el cobre, si sigue presente en nuestras vidas es porque aún nos es útil y su uso está muy extendido.

Obviamente la tecnología avanza con pasos de gigante y la fibra óptica ofrece muchas ventajas frente al actual cobre, algunas de las cuales cabe destacar:

- La fibra, al contrario que el cobre no sufre de interferencias (ruido), por lo tanto es propicia para instalarla en lugares con altos índices de ruido.

- Al estar fabricados de vidrio a partir de la arena (dióxido de silicio), la materia prima es muy abundante y los procesos de elaboración son más económicos que los del cobre, en los que hay que extraer el material, analizarlo mediante procesos químicos para poder obtenerlo lo más puro posible.

- Cabe destacar que la banda de ancha es muchísimo más mayor que la del cobre. Se transmiten más datos por un único cable de fibra que por uno coaxial. En la práctica se han llegado a conseguir hasta 1 Gb de velocidad de transmisión.

- No puede ser intervenida como los cables de cobre, los cuales pueden ser “pinchados”, con lo que es muy utilizada en aplicaciones militares.

- Las dimensiones son mucho más reducidas que las del cobre; 1000 kg/km de cobre equivalen a 37kg/km en fibra

- Como nada es perfecto, la luz se va perdiendo en el camino, por lo que es preferible utilizar repetidores (elementos que una vez llega la luz a ellos la vuelvan a lanzar para que no se produzcan pérdidas). Se suelen colocar cada 30 km, mientras que en el cobre se colocan a los 5 km.

Como desventajas podríamos citar:

- La contratación de este servicio solo puede realizarse por ciudadanos que residan en zonas en las que se hayan instalado centralitas distribuidoras de este servicio. Por otro lado el cobre es mucho más fácil de instalar en viviendas, pues está generalizado y se dispone de este material ya instalado en las ciudades.

- Las fibras son como el cabello humano, por lo que son muy sensibles y se rompen con facilidad. El arreglo de partes estropeadas es un proceso delicado.

Respecto al cobre son pocas las ventajas frente a este gigante, pero se podría decir que el presupuesto de contratación es barato y los problemas relacionados con roturas o desgastes son fáciles de solucionar.

Sin embargo, las altas tasas de error a altas velocidades, el ancho de banda limitado o la vulnerabilidad frente al ruido hacen que en un futuro sea completamente sustituido por la fibra.

Se recomienda utilizar fibra óptica cuando:- Se conectan edificios diferentes- Se pretenden utilizar velocidades de conexión muy altas- Se quiere estar seguro frente a intrusos, puesto que la fibra no puede ser

intervenida tan fácil como el cobreSi no se dan estas características, es aconsejable el uso del cobre, ya que la contratación de equipos de emisión y recepción son más baratos.

NUEVOS AVANCES A TRAVES DE LA FIBRA ÓPTICA

Las redes de nueva generación llamadas NGN (Next Generation Network), ofrecen anchos de banda cercanos a los 100 Mbps por abonado a través de fibra óptica, estas nuevas redes están revolucionando los servicios de comunicación y ocio hoy por hoy.

Por lo que el cobre, deja paso a la fibra óptica, que es un medio mucho más eficaz para el transporte de información y el único capaz de soportar los servicios de nueva generación denominados Triple Play.

Aunque muchos han oído hablar de estas redes que ya están siendo desplegadas por diversas operadoras de todo el mundo, pocos conocen qué tecnologías están detrás de estas. Por ello vamos a comentar como se transmiten las señales de manera exitosa a través de la fibra óptica utilizando la tecnología de DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) o  lo que es lo mismo multiplexación por división en longitud de onda. Esta tecnología permite acoplar las salidas de diferentes fuentes emisoras de luz, cada una a una longitud de onda diferente sobre una misma fibra óptica. Después de ser transmitida la señal a través de la fibra, las señales pueden ser separadas entre sí hacia diferentes detectores como se puede ver en la Figura1.

Figura1: Concepto de multiplicación por división de onda.

Con esta tecnología obtenemos velocidades de hasta 1Gbps en distancias aproximadas

de 1000Km de manera simétrica, es decir la misma velocidad tanto de subida como de bajada.

DESPLIEGUE DE LA FIBRA OPTICA

Para poder entender un poco la tecnología se va a presentar los distintos grados que hay de conexión, porque la novedad no es solo la conexión de fibra óptica, ya que lleva años en el mercado, sino el despliegue que se realiza desde la central al cliente.

Dependiendo del grado de conexión de la fibra, que se denomina con el acrónimo FTTx, es decir, Fiber- to-the-x, donde x puede denotar distintos destinos, como se presenta a continuación:

FTTN (Fiber- to-the- node o fibra hasta el nodo), en este caso la fibra se encuentra a una distancia superior a los 300 metros del domicilio. En este caso la conexión es del tipo ADSL, aunque sí que se van a poder conseguir mayores velocidades y limpieza de la señal, sobre todo para aquellos que tengan la central a mayor distancia que el nodo. Este sistema ha sido utilizado en muchos países porque supone una alternativa relativamente económica.

FTTC (Fiber-to- the- curb o fibra hasta la acera), la conexión se encuentra a una distancia inferior de 300 metros del punto final. Este caso es muy similar al anterior, aunque FTTC tiene la gran ventaja ya que existe una mayor proximidad entre el nodo y el usuario final, lo que se obtendrá una mayor calidad y velocidad. Es una opción más cara pero, pero ofrece un mejor servicio.

FTTB (Fiber-to- the- building o fibra hasta el edificio), en este nivel el nodo de conexión se encuentra en nuestro mismo edificio. Fue la opción que se eligió en un principio antes de desarrollar FTTH. La acometida desde el edificio hasta el domicilio es a través de cable coaxial o par de cobre.

FTTH (Fiber-to-the-home, es decir, Fibra hasta el hogar), la conexión de fibra en este caso se realiza hasta nuestro domicilio, siendo la instalación de cable de red solo la interna. Esta opción implica un gasto bastante elevado en infraestructuras, ya que hay que llevar la conexión (el cable de fibra) hasta el mismo domicilio donde se va a hacer la instalación. Esto permite mayores velocidades y una conexión simétrica, es decir, la misma velocidad de subida que de bajada.

En la figura 2 se puede observar los distintos tipos de conexiones

Figura 2: Despliegue de la fibra

Centrándonos en la tecnología de telecomunicaciones FTTH, también conocida como fibra hasta el hogar, se basa en la utilización de cables de fibra óptica y sistemas de distribución ópticos adaptados a esta tecnología para la distribución de servicios avanzados tales como: VOIP (Voz sobre IP), HDTV (Televisión digital de alta definición), VOD (Vídeo bajo demanda), Internet de banda ancha sin restricciones de distancias y velocidad, Juegos en red y videollamada.

Para poder dar este tipo de servicio de nueva generación, previamente hay que realizar en el edificio del cliente una serie de instalaciones que se describen a continuación:

Partiendo del cuarto de contadores o técnicamente hablando el RITI (recinto de instalaciones de telecomunicaciones inferior), donde se encuentran ubicadas las conexiones de los operadores de Cable, ADSL y en este caso de fibra óptica. Existen una serie de cajetines que permiten conexiones de fibra para 64 clientes, con un alcance en cobertura de hasta 20 kilómetros. De aquí parte la fibra óptica mediante cajas de distribución a cada una de las plantas. En cada una de las plantas se reparten las fibras hasta cada uno de los clientes. Una vez en la casa del cliente se instala una roseta única de fibra óptica, que deberá estar ubicada la más cerca posible a los equipos dependientes de esta, como el decodificador, televisión, etc.…Será necesario disponer de un conversor óptico eléctrico que nos convierta la señal que proviene por la fibra en forma de luz, en impulsos eléctricos. A partir de aquí se

conectaría un router específico FTTH y se podría propagar la señal a otros puntos de la casa, mediante WIFI o cable fijo RJ-45. Véase en la figura 3:

Figura3: Distribución en el domicilio del cliente

BENEFICIOS DE LA FIBRA OPTICA.

Como se ha comentado la fibra óptica proporciona grandes beneficios para los usuarios del hogar digital. Además de accesos a más y mejores servicios como juegos en red, compartición de contenidos, control remoto de los dispositivos del hogar, videoconferencia IP..., favorece el que haya varios dispositivos interconectados entre sí y conectados simultáneamente a Internet, sin disminución del ancho de banda o calidad.

El considerable incremento del ancho de subida respecto a las tecnologías de cobre, permite por ejemplo, acceder a los videos grabados por una cámara IP con alta definición a una velocidad mucho mayor que con otras tecnologías.

CONCLUSIONES

Antes de enunciar las conclusiones obtenidas durante la realización de este trabajo es recomendable tener presente algunos puntos del mismo, a modo de resumen.

La fibra óptica es un revolucionario medio de transmisión que consiste en un cable generalmente de vidrio, hecho de materiales capaces de reproducir los principios básicos de propagación de luz, mediante impulsos luminosos.

Existen principalmente dos tipos: Fibras multimodo (con impulsos luminosos LED) y fibras monomodo (con impulsos luminosos láser).

El principal sistema de transmisión en competencia con la fibra óptica es el cable de cobre.

El proceso de instalación de la fibra óptica hasta nuestros hogares parte de una central y a través de diversas canalizaciones llega al edificio de destino, donde está la caja central óptica. Desde allí, cada hilo de fibra llega hasta cada casa. Ya dentro del hogar se transforma la señal luminosa en digital.

En función del despliegue de instalación, según la distancia a la que se encuentran central y destino encontramos los siguientes tipos de fibra óptica: FTTN (hasta el nodo), FTTC (hasta la acera), FTTB (hasta el edificio) y FTTH (hasta el hogar).

Teniendo todo esto en cuenta, el grupo ha obtenido las siguientes conclusiones:

La fibra óptica ofrece indudables ventajas de servicios con respecto a los sistemas de transmisión precedentes (cable de cobre), recalcando la importancia en el sector de Internet con gran calidad en sistemas como por ejemplo, la televisión digital de alta definición, entretenimiento multimedia…destacando entorno a esto, el ancho de banda de hasta 40 Mbps que puede ofrecer.

Tiene también ventajas técnicas: como la inmunidad ante ruido e interferencias, las dimensiones y peso de los materiales, así como la compatibilidad con la tecnología digital, que constata el gran avance que supone este sistema.

Por otro lado podemos destacar algunos aspectos importantes de por qué la fibra óptica; y más concretamente, la banda ancha es importante en el entorno social:

Crecimiento industrial.

La banda ancha ayuda a los países a crecer tanto en PIB como en puestos de trabajo, generando procesos más eficientes y nuevas oportunidades de negocio.

-Sostenibilidad.

Con banda ancha, las personas pueden trabajar y realizar tareas habituales (hacer la compra, transacciones bancarias, etc.) desde cualquier lugar, reduciendo la necesidad de viajar y concentrarse en ciudades, con un impacto positivo en el control del efecto invernadero y la reducción de la contaminación atmosférica. También se reducirán las necesidades de papel, cuya fabricación tiene un gran impacto ambiental (tala de árboles, consumo energético, consumo de agua, vertidos contaminantes, residuos, etc.).

-Eficiencia de las Administraciones.

Una telemedicina universal más barata y accesible, mejor educación, pago remoto de impuestos y declaraciones de la renta, etc. Todo ello es positivo para los presupuestos públicos y para el medio ambiente.

Eficiencia de las empresas.

Las empresas emplean la banda ancha para mejorar su productividad gracias al acceso instantáneo a información actualizada, son capaces de compartir información, optimizar los viajes, acceder desde cualquier lugar a la Intranet de la empresa, usar el correo electrónico en cualquier momento, realizar videoconferencias.

Sin embargo, hay que mencionar que no todo es bueno, y que la fibra óptica puede llegar únicamente a poblaciones que posean instalaciones que permitan su implantación; instalaciones que por lo general son de un elevado coste.

Su fragilidad y la dificultad para reparar los cables de fibra en el campo también suponen una desventaja, que está presente en las tendencias de estudio. La mejora con coberturas más resistentes, mejores aislamientos contra humedad y un empaquetado de alta densidad son algunas medidas utilizadas para solventar este problema.

Para finalizar queremos exponer el motivo de la elección de este tema: “fibra óptica hasta el hogar”. Consideramos que la fibra óptica es un avance muy importante en el mundo de las tecnologías digitales; mundo que para todos los alumnos pertenecientes a la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica de Telecomunicación (EUITT) suponemos es de interés. Hemos decidido centrarnos en la fibra hasta nuestras casas, intentando acercar la idea de esta nueva tecnología a todo lector u oyente del trabajo, pues creemos que no hay nada más cercano y accesible que el propio hogar.

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