ESCOLA UNIVERSITÀRIA D’ENGINYERIA TÈCNICA DE TELECOMUNICACIÓ LA SALLE
TREBALL FINAL DE GRAU
GRAU EN ENGINYERIA DE SISTEMES DE TELECOMUNICACIÓ
Diseño de un sistema de
comunicaciones ópticas
submarino en Guinea
Ecuatorial
ALUMNE PROFESSOR PONENT
Sarah Lopera Dahlberg David Badia Folguera
ACTA DE L'EXAMEN DEL TREBALL FINAL DE GRAU
Reunit el Tribunal qualificador en el dia de la data, l'alumne
D. Sarah Lopera Dahlberg va exposar el seu Treball de Final de Grau, el qual va tractar sobre el tema següent:
Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial.
Acabada l'exposició i contestades per part de l'alumne les objeccions formulades pels Srs. membres del tribunal, aquest valorà l'esmentat Treball amb la qualificació de
Barcelona,
VOCAL DEL TRIBUNAL VOCAL DEL TRIBUNAL
PRESIDENT DEL TRIBUNAL
"No entiendes realmente algo a menos que seas capaz de explicárselo a tu abuela."
Albert Einstein
Abstract
En este proyecto se diseña un sistema de comunicaciones ópticas submarino entre la capital de Guinea Ecuatorial, Malabo, situada en la isla de Bioko y una de las principales ciudades del país, Bata, situada en el continente africano. Se realiza el diseño teniendo en cuenta los efectos limitadores clásicos (atenuación y dispersión) y las no-linealidades que pueden afectar al sistema. El diseño se complementa con la elección de componentes que se pueden encontrar en el mercado y que cumplen con los requisitos, haciendo de éste un diseño completo desde un punto de vista óptico.
En aquest projecte es dissenya un sistema de comunicacions òptiques submarí entre la capital de Guinea Equatorial, Malabo, situada a l'illa de Bioko i una de les principals ciutats del país, Bata, situada al continent africà. Es realitza el disseny tenint en compte els efectes limitadors clàssics (atenuació i dispersió) i les no-linealitats que poden afectar al sistema. El disseny es complementa amb l'elecció de components que es poden trobar al mercat i que compleixen els requisits, fent d'aquest un disseny complet des d'un punt de vista òptic.
This Project designs a submarine optical communication system between the capital of Equatorial Guinea, Malabo, located on the island of Bioko and one of the main cities, Bata, located on the African continent. The design is done considering the classical limiting effect (attenuation and dispersion) and the nonlinearities that may affect to the system. It is explained also the choice of the components that can be found on the market and pass successfully the requirements. So this is a complete design only considering the optical part of a submarine communication system.
i Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
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Agradecimientos
A Mamá y papá, por todo el apoyo y cariño que me han dado durante los 6 años que ha durado esta experiencia. Gracias por haber compartido mis llantos y mis alegrías, por haber estado al otro lado del teléfono escuchando mis preocupaciones y haber intentado aconsejarme siempre de la mejor manera posible. Muchas gracias por haberme propuesto estudiar esta carrera, me habéis abierto las puertas a un mundo que jamás pensé que me gustaría tanto como lo hace ahora.
A mi hermana Rosa, que junto con mis padres, se ha sacrificado durante estos años para que yo pudiera estudiar fuera de casa. Os estaré siempre agradecida.
A mi abuela Rosita, por apoyarme día a día en la distancia y confiar plenamente en mí. No conozco a persona más buena y generosa que tu, te quiero.
A Simó, por toda la ayuda que me ha proporcionado y por haber querido continuar con esto pese a las circunstancias.
A David, porque siempre que he necesitado ayuda él ha estado ahí.
A Martí, Marta, Laura, Raquel, Roger y Antonio por compartir conmigo estos últimos años de carrera. Gracias, todos habéis aportado algo para que hoy esté donde estoy y espero que esto no se acabe aquí.
A mis compañeros de piso y sobretodo amigos, Marta y Gonzalo, que sin nunca entender lo que hacía han estado a mi lado.
Jordi, sabes que podría escribir un libro con todos los motivos por los que te estaré eternamente agradecida. Gracias por el apoyo moral que me has proporcionado, por hacerme reír en los buenos y malos momentos y por ser tan bueno y natural conmigo. Aunque tu opines lo contrario, sé que sin ti no habría llegado tan lejos.
iii Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
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Contenido
1 Introducción ...... 1 2 Evolución de los sistemas de comunicación submarino ...... 3 3 Equipamiento ...... 15 3.1 Planta sumergida ...... 15 3.1.1 Repetidores ...... 16 3.1.2 Ecualizadores ...... 24 3.1.3 Derivadores ...... 26 3.1.4 Alimentación ...... 28 3.2 Planta terminal ...... 29 3.3 Cable submarino ...... 31 3.3.1 Fibra óptica ...... 31 3.3.2 Recubrimiento del cable ...... 32 4 Proceso de instalación ...... 35 4.1 Estudio del terreno marino y selección de la ruta ...... 35 4.2 Buques ...... 37 4.3 Instalación del cable ...... 38 5 Limitaciones del sistema ...... 41 5.1 Efectos lineales ...... 41 5.1.1 Atenuación ...... 42 5.1.2 Dispersión cromática ...... 43 5.1.3 PMD ...... 46 5.2 Efectos no lineales ...... 47 5.2.1 Efecto Raman ...... 48 5.2.2 Efecto Brillouin ...... 50 5.2.3 Effecto Kerr ...... 51 5.3 BER y penalización de potencia ...... 57 6 Diseño de un enlace óptico submarino ...... 59 6.1 Especificaciones del proyecto ...... 59 6.2 Diseño del sistema ...... 62 6.2.1 Elección de los componentes ...... 62 6.2.2 Cálculo de las limitaciones del sistema ...... 68 6.2.3 Resumen del diseño ...... 88
v Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
7 Conclusiones...... 91 8 Referencias ...... 93
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Acrónimos
ACE: African Coast to Europe.
AT&T: American Telephone and Telegraph.
BER: Bit Error Rate.
BU: Branching Unit
CNET: Centre National d'Etudes des Telecommunications.
CTB: Cable Termination Box.
DC: Direct Current.
DGD: Differencial Group Delay.
DSF: Dispersion Shifted Fiber.
DWDM: Dense Wavelength-Division Multiplexing.
EDFA: Erbium-Doped Fiber Amplifier.
EMS: Element Management System
FBG: Fiber Bragg Grating.
FEC: Forward Error Correction.
FFD: Full Fiber-Drop.
FWM: Four Wave Mixing.
GFF: Gain Flatterning Flter.
ILA: In-Line Optical Amplifier.
ITU: International Telecommunications Union.
KDD: Kokusai Denshin Denwa.
LEAF: Large-Effective Area dispersion-shifted Fiber.
NMS: Network Management System.
NRZ: Non Return to Zero.
NZDF: Non-Zero Dispersion Fiber.
OADM: Optical Add/Drop Multiplexer.
OBA: Optical Booster Amplifier.
vii Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
OPA: Optical Pre-amplifier.
PDL: Polarization Dependent Loss.
PFE: Power-feed equipment.
PMD: Polarization Mode Dispersion.
PMF: Polarization Maintain Fiber.
RLL: Received Light Level.
ROV: Remotely Operated Vehicle.
RZ: Return to Zero.
SBS: Stimulated Brillouin Scattering.
SLL: Sent Light Level.
SLTE: Submarine Line Terminal Equipment.
SMF: Single Mode Fiber.
SPM: Self Phase Modulation.
SRS: Stimulated Raman Scattering.
STL: Standard Telecommunications Laboratories.
TAT: Trans-Atlantic Telephone cable.
TCS: Trans Caribbean System.
TPC: Trans-Pacific Cable.
UAE: United Arab Emirates.
WDM: Wavelength-Division Multiplexing.
XPM: Cross Phase Modulation.
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1 Introducción
A lo largo del tiempo las comunicaciones han tomado un papel fundamental. La necesidad de poder comunicarse a grandes distancias no es algo nuevo: Los imperios Romano y Griego fueron los primeros en inventar sistemas, como son las señales de fuego y humo. A lo largo de los siglos las técnicas se han ido perfeccionando, pasando de utilizar sistemas básicos como el telégrafo, a la aparición de las comunicaciones más avanzadas. En 1969 nació Internet y a partir de ese momento las telecomunicaciones han experimentado un crecimiento sin precedentes, esto se traduce en una mayor necesidad de ancho de banda. Este hecho ha provocado que las comunicaciones modernas presenten continuamente retos para lograr abastecer a toda la demanda mundial.
Las comunicaciones ópticas son en este momento una de las tecnologías más avanzadas, ofreciendo gran capacidad y altas velocidades. Son el medio de transmisión más utilizado para interconectar las diferentes regiones del planeta, tanto de forma terrestre como submarina.
Un cable submarino es aquel instalado sobre el lecho marino o suspendido en el agua, destinado fundamentalmente a servicios de telecomunicación. Este tipo de cables se encargan de unir los cinco continentes y cruzan mares y océanos formando grandes autopistas de información. Actualmente, se estima que los cables submarinos de fibra óptica soportan el 95% del tráfico mundial de Internet.
El principal objetivo de este proyecto es el diseño de un enlace de fibra óptica submarino, así como la explicación de los diferentes dispositivos que intervienen y los parámetros que se han de tener en cuenta para asegurar su correcto funcionamiento.
Este diseño, en concreto, se basa en la elección de componentes, que se encuentran en la actualidad en el mercado, que aseguren la viabilidad del sistema desde un punto de vista técnico.
El emplazamiento del sistema de comunicaciones ópticas submarino se realiza entre la isla de Bioko, donde está situada la capital de Guinea Ecuatorial, Malabo, y la región continental del país, donde está situada una de las ciudades más pobladas, Bata.
La memoria de este proyecto está organizada de la siguiente manera:
En primer lugar, en el capítulo 2, se describe la evolución histórica de los sistemas de comunicaciones submarinos, que comprende desde el primer enlace transoceánico mediante telégrafo, pasando por los sistemas de fibra óptica actuales, hasta llegar a los enlaces que se van a llevar a cabo en un futuro próximo.
A continuación, en el capítulo 3, se explican los diferentes componentes que forman un sistema de comunicaciones ópticas submarino actual. Se han clasificado los diferentes dispositivos en tres tipos, según su ubicación en el sistema (si están sumergidos o en tierra) y si éstos van o no alimentados.
1 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Una vez detallados los dispositivos que intervienen en un este tipo de enlaces, en el capítulo 4 se detalla cómo se lleva a cabo el proceso de instalación del sistema, desde el estudio del terreno y la selección de la ruta, hasta las diferentes técnicas para instalar el cable según la profundidad y terreno marino.
En el capítulo 5 se explican los fundamentos teóricos de las limitaciones que padecen los sistemas de comunicaciones ópticas submarinos, diferenciadas en dos tipos: Las limitaciones lineales y las no lineales.
Una vez asumidos los conocimientos teóricos descritos en los capítulos anteriores, en el capítulo 6 se realiza el diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino. En este apartado se realiza la elección de los componentes que se utilizan en el diseño del enlace submarino entre la ciudades comentadas anteriormente. Este apartado concluye con el cálculo de las posibles limitaciones que puede padecer el sistema y se determina la viabilidad de éste desde un punto de vista técnico.
Finalmente, en el capítulo 7, se presentan como conclusiones del proyecto los principales hitos que se han conseguido y las líneas futuras que se podrían llevar a cabo para ampliar este proyecto.
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2 Evolución de los sistemas de comunicación submarino
En el año 1866 se marcó un hito en la historia de las telecomunicaciones. El buque británico SS Great Eastern llegó al puerto de Heart's Content al este de Terranova en Canadá, realizando con éxito el primer enlace de cable submarino transatlántico para el telégrafo [1] . Por primera vez, Europa y América del Norte estaban unidas por un cable de 4.260 kilómetros. El mensaje que antes tardaba por lo menos diez días en llegar a su destino, a partir de ese momento lo hizo en minutos. La Figura 1 muestra un plano del SS Great Eastern.
Figura 1. Sección longitudinal y planta del SS Great Eastern. [2] (Fuente: History of the Atlantic Cable & Undersea Communications)
Durante los siguientes años, se tendieron nuevos cables en la misma ruta y a finales del siglo XIX Gran Bretaña, Francia, Alemania, Estados Unidos y Canadá contaban con una red muy completa de comunicaciones por telégrafo. En la Figura 2 se representa la instalación del primer sistema de cableado submarino Intercontinental.
Figura 2. Primer intento de cableado submarino Intercontinental. [2] (Fuente: History of the Atlantic Cable & Undersea Communications)
3 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Menos de un siglo después de que el telégrafo cruzara el Atlántico, se instaló el primer cable telefónico submarino. Se inauguró en septiembre de 1956, con la primera llamada transatlántica entre el director general de Correos del Reino Unido y el presidente de AT&T.
Esta conexión, conocida como TAT-1, fue de las primeras en utilizar el polietileno como aislante, con lo que se introdujo la nueva generación de cables, los coaxiales, más resistentes y fiables que los anteriores. Estaban dotados de repetidores-amplificadores sumergidos, con suministro de energía a través de los propios conductores por los que se transmitía la conversación. Inicialmente tenía capacidad para 36 llamadas simultáneas, que pronto se incrementaron a 48. Después de éste se tendieron hasta catorce TAT nuevos y el primero fue retirado en 1978. A continuación, en la Figura 3 se observa una parte del proceso de tendido del enlace TAT-1.
Figura 3. Instalación en tierra del TAT-1.[2] (Fuente: History of the Atlantic Cable & Undersea Communications)
En 1976 se produjo un estancamiento de la tecnología coaxial con el TAT-6, eso provocó el desarrollo de nuevas tecnologías. En todos los países desarrollados la transmisión digital sobre el cobre y el cable coaxial terrestre era generalizada, a ese dato hay que añadirle que en 1982 se empezaban a instalar sistemas de fibra óptica terrestre. Esto creó la necesidad de desarrollar interfaces entre el sistema analógico de los cables coaxiales submarinos y los sistemas digitales terrestres, aunque no fue una solución a largo plazo ya que esto reducía la capacidad del sistema.
La fibra óptica parecía ser la solución más adecuada para una nueva etapa en las telecomunicaciones submarinas, y el primer reto, una vez más, fue el de cruzar el Océano Atlántico.
Antes de poder llevar a cabo esta proeza de la ingeniería, en 1977 se llevó a cabo la instalación de un tramo de 4 kilómetros entre Hitchin y Stevenage, al norte de Londres, por STL. El sistema funcionaba, al igual que los sistemas de fibra óptica terrestres de la época, a 140 Mbps con una longitud de onda de 850nm, mediante una fibra multimodo de índice gradual con pérdidas de 20 dB/km.
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Cuatro grandes centros de investigación [STL (Reino Unido), Laboratorios Bell (Estados Unidos), CNET (Francia) y KDD I+D (Japón)] decidieron usar en el proyecto transoceánico un nuevo tipo de fibra que mejoraba las prestaciones de la anterior con el objetivo de proporcionar una oportunidad para diferenciarse de las tecnologías de satélite y cable coaxial. La fibra monomodo funcionaba en la segunda ventana a 1300nm, obteniendo un cero en dispersión y menos pérdidas (0'4 dB/km). En consecuencia, se tuvieron que refinar los componentes de los repetidores sumergidos a fin de que pudieran trabajar con esta nueva tecnología, incluyendo el diseño de diodos láser y fotodiodos.
El TAT-8, el primer enlace transatlántico, funcionaba a 280 Mbps por par de fibra [3] , trabajaba a 1300 nm, y ofrecía una capacidad de 7.680 canales a una velocidad de 64Kbps cada uno. Este sistema cumplió dos objetivos: Ofrecer la posibilidad de implementar unidades de ramificación (Había tres estaciones terminales, una en Estados unidos de 280 Mbps y dos en Europa de 140Mbps cada una) y permitir la integración de las partes construidas por diferentes proveedores [Se formó un consorcio entre AT&T (Estados Unidos), Alcatel (Francia) y STC (Reino Unido)]. Al mismo tiempo, en 1989, AT&T y KDD desarrollaron el enlace transpacífico TPC3. La estructura del cable y la fiabilidad de los componentes (láseres, circuitos integrados, y foto-detectores) fueron los elementos clave del éxito del sistema.
Durante el desarrollo del TAT-8, la comunidad científica descubrió una tercera ventana operativa a 1550nm. La ventaja de ésta frente a la de 1300nm es que las pérdidas son aún menores (0'18 dB/km frente a los 0'4 dB/km), esto hizo posible la reducción del número de repetidores y por lo tanto el coste de los sistemas. También se aumentaron las capacidades a 560 Mbps por par de fibra.
En 1994, la Comisión Estadounidense Federal de Comunicaciones inició una revolución decidiendo romper el monopolio de AT&T, para así crear competencia. Mientras al otro lado del Atlántico el gobierno conservador de Margaret Thatcher introdujo nuevas normas sobre la competencia y privatizó British Telecom. Los siguientes pasos fueron la liberación de las telecomunicaciones en la Comunidad Económica Europea y la desregularización del comercio y los servicios de telecomunicaciones de la Organización Mundial del Comercio. En ese momento, la competencia no sólo se abrió a los proveedores, sino también entre los operadores. Sin embargo, el modelo de consorcio siguió gestionando los principales sistemas de cable submarino a pesar de las nuevas reglas.
Una importante red de fibra óptica fue instalada entre 1988 y 1995 por todo el planeta, quedan resumidos los enlaces más relevantes de la época en la Tabla 1.
5 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Tabla 1. Enlaces relevantes entre 1988 y 1995.
Año Enlace Proveedores Localización estaciones terrestres Estados Unidos - Francia y Reino 1988 TAT-8 AT&T, STC y Alcatel Unido 1990 TCS AT&T Estados Unidos - Venezuela 1990 EMOS Alcatel y Pirelli Italia - Grecia - Turquía - Israel 1990 TASMAN Alcatel Australia - Nueva Zelanda Estados Unidos - Francia, Reino 1991 TAT-9 AT&T, STC y Alcatel Unido y España Estados Unidos - Alemania y 1992 TAT-10 AT&T, STC y Alcatel Holanda Estados Unidos - Francia y Reino 1993 TAT-11 AT&T, STC y Alcatel Unido France Telecom y China 1994 Sea - Me - We 2 Francia - Singapur Telecom Canadá - Islandia - Reino Unido - 1994 CANTAT3 AT&T, Alcatel y STC Dinamarca - Alemania Estados Unidos y México - España, 1995 Colombus 2 AT&T, Pirelli y Alcatel Portugal e Italia
El siguiente paso en las comunicaciones ópticas submarinas fue el de incorporar sistemas de amplificación óptica, el objetivo era lograr un mayor espaciamiento entre repetidores y aumentar la capacidad ofrecida. La gran ventaja de la amplificación óptica es no tener que pasar a dominio eléctrico la señal para compensar las pérdidas producidas por la fibra.
En 1990, se exploraron dos direcciones para producir amplificadores ópticos, el amplificador láser semiconductor y el amplificador EDFA. El segundo tipo de amplificadores ópticos cumplía ciertos requisitos que lo hicieron el candidato perfecto para llevar a cabo este nuevo avance. Las principales características del EDFA son: generación de un menor nivel de ruido, inmunidad al cross-talk, potencia de salida elevada, poca sensibilidad a la polarización, bombeo eficiente, perdidas de inserción bajas y baja distorsión.
La nueva era comenzó en 1995 con el tendido del TAT-12/TAT-13 y el TCP-5 [3] . Estos enlaces ofrecían una capacidad de 5Gbps por cada par de fibra, duplicando la capacidad de sistemas con regeneración opto-eléctrica. También se propuso e implementó la corrección de errores (FEC) de Alcatel para mejorar el rendimiento del sistema y reducir los costos.
Durante la realización de estos nuevos sistemas amplificados, los laboratorios de investigación demostraron que la tecnología se podía mejorar mediante la multiplexación de varias longitudes de onda en el ancho de banda de 1550nm. SEA-ME-WE 3 fue el primer sistema que incorporaba la tecnología WDM. Otorgaba conectividad digital a 33 países, en 39 estaciones terminales del norte de Europa (Alemania, Bélgica, Reino Unido, Francia) a Singapur y de Singapur a Japón, Corea y Australia. El consorcio de 92 inversores logró 40.000 kilómetros de
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cables y el uso de repetidores con 8 longitudes de onda. Este proyecto contó con la participación de todos los proveedores y su construcción finalizó en 1999.
La tecnología WDM ofreció nuevas oportunidades para mejorar los sistemas mediante la adición de longitudes de onda. Así como la posibilidad de transportar señales de diferente naturaleza con independencia de su origen. El enlace entre Estados Unidos y Japón fue el primer sistema WDM con 10Gbps con 16 longitudes de onda, y pronto el TAT-14 obtuvo la misma capacidad por fibra.
Entrados en el nuevo milenio se desarrollaron diferentes sistemas dentro de la familia WDM, fue de especial interés el sistema DWDM, específicamente diseñado para largas distancias y ultra-largas distancias. Esta tecnología de multiplexación por división de longitud de onda densa, se caracteriza por un espaciamiento de canales igual o inferior a 50GHz, permite transportar hasta 160 longitudes de onda, trabajando en la bandas C y L, en una sola fibra monomodo. Este incremento de la capacidad supuso un gran avance al aumentar en gran medida la capacidad de la red de transporte sin necesidad de hacer nuevos tendidos de fibra.
El objetivo era conseguir implementar enlaces con una gran capacidad y velocidad para poder abastecer las crecientes necesidades de la población mundial y conseguir interconectar todas las regiones del planeta. En el año 1999 se puso en servicio el sistema PanAm, éste recorre una distancia de 4.410 kilómetros uniendo Panamá, Ecuador, Perú y Chile con una capacidad de 70Gbps. Un año más tarde el enlace MAYA-1 con una capacidad de 95Gbps, une Estados Unidos, México, las Islas Caimán, Honduras, Costa Rica, Panamá y Colombia. En el 2005 fue instalado el sistema SEA-ME-WE 4, con una capacidad de 1'28Tbit/s y un trazado de 18.800 kilómetros, que une Francia, Italia, Argelia, Túnez, Singapur, Malasia, Tailandia, Bangladesh, India, Sri Lanka, Pakistán, Emiratos Árabes Unidos, Arabia Saudí y Egipto. El tráfico mundial que viajaba por todos los enlaces en esta época era aproximadamente de 75Gbps. Por lo tanto, se puede observar que la capacidad de estos enlaces estaba claramente sobredimensionada para, como se ha comentado anteriormente, poder soportar la creciente demanda de tráfico[4] .
En la actualidad existen más de 300 cables submarinos en todo el planeta, representados mediante la Figura 4. Las comunicaciones que se producen en todo el mundo, tanto voz como datos (el 95% del tráfico de Internet viaja por ellos), se realizan mediante los cables desplegados debajo del mar. Los expertos aseguran que la demanda de tráfico por parte de la población mundial está aumentando a un ritmo vertiginoso y esto conlleva a la necesidad de ir tendiendo de forma continuada más cables submarinos.
La costa este del Reino Unido cuenta con una docena de cables por donde pasa la mayor parte de la información que viaja entre Estados Unidos y Europa. La mayoría de estos cables converge en las proximidades del centro financiero de Nueva York. De la misma manera que la mayor parte de la información que viaja entre Estados Unidos y Asía, tiene como punto neurálgico Japón.
Los cables, en muchos casos, imitan las rutas utilizadas por los buques de carga que transportan mercancía. En el Mediterráneo existe una autopista de cables que va desde España hasta Israel y Egipto. Estas autopistas de banda ancha reaparecen en el estrecho de Suez y a lo largo de todo el Mar Rojo y, posteriormente, en el golfo de Adén. En este punto
7 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial dichas autopistas se dividen en dos. Una parte sigue hacia India y de ahí hacia toda la zona de Tailandia y Singapur (uno de los mayores puertos del mundo). La otra parte se dirige a la zona de Kuwait, Arabia Saudí, Emiratos Árabes Unidos (UAE) y Qatar, los principales productores de petróleo del mundo.
Otra ruta significativa es la que interconecta América del Norte con la del Sur, pasando por Centro América y el Caribe.
Figura 4: Mapa de los cables submarinos a nivel mundial. (Fuente: Greg's Cable Map)
Mediante la Tabla 2 se pueden observar los cables submarinos instalados desde el 2002. La tabla está estructurada por orden cronológico y dentro de cada año por orden alfabético. Ésta proporciona información sobre la capacidad, longitud y los países donde tiene estaciones terminales el cable submarino [5] :
Tabla 2. Características de los cables submarinos (2002-2013).
Capacidad Distancia Nombre Ruta Año (Tbps) (km) ALPAL -2 0.16 312 Argelia - España 2002 Japón - Corea del Sur - China - APCN2 2.56 19000 Taiwán - Filipinas - Singapur - 2002 Malasia Japón - Corea del Sur - Taiwán - FNAL 0.32 10000 2002 China I2i 8.40 3200 India - Singapur KJCN 2.88 500 Japón - Corea del Sur 2002 Japón - Corea del Sur - China - RNAL 1.92 10000 2002 Taiwán
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Portugal - España - Senegal - Costa de Marfil - Ghana - Benín - SAT-3 0.34 12000 2002 Nigeria - Camerún - Gabón - Angola - Sudáfrica TGN Northen 3.84 1407 Reino Unido - Holanda 2002 Europe Apollo 3.20 13000 Reino Unido - EEUU - Francia 2003 SAS-1 1.28 333 Arabia Saudí - Sudan 2003 Telstra Bass 2.50 238 Australia 2003 Strait 2 TIS 0.32 1100 Indonesia - Singapur - Tailandia 2003 APX West 20.00 4600 Singapur - Indonesia - Australia 2004 Corfu- Bar 0.25 350 Montenegro - Grecia 2004 FARICE-1 0.72 1407 Reino Unido - Islandia 2004 Fibralink 0.32 1000 Jamaica - República Dominicana 2004 SMPR-1 0.02 375 Puerto Rico - Antillas 2004 Svalbard 5.00 2609 Noruega 2004 TIISCS 5.12 3175 Singapur - India 2004 VMSCS 0.06 250 Malta - Italia 2004 Ventspils- Farosund- 0.24 310 Suecia - Letonia 2004 Stockholm Basslink Telecom 0.64 298 Australia 2005 Dumai-Melaka 0.32 150 Malasia - Indonesia 2005 Kuwait-Iran 0.48 2005 Kuwait - Irán 2005 Med Cable 1.28 1215 Argelia - Francia 2005 Qatar-UAE 0.02 200 Qatar - Emiratos Árabes Unidos 2005 Francia - Argelia - Túnez - Italia - Egipto - Arabia Saudí - UAE - SEA-ME-WE-4 1.28 18800 Paquistán - India - Sri Lanka - 2005 Bangladés - Tailandia - Malasia - Singapur TGN Transpacific 6 - EEUU - Japón 2005 APNG-2 0.001 1800 Papua Nueva Guinea - Australia 2006 Barbados - Isla Virginia-Santa Antilles Crossing 0.02 938 2006 Lucia BDNSi 1.2 2784 EEUU - Bahamas 2006 BICS 1.2 2784 Bahamas 2006 Baharat Lanka 0.16 - India - Sri Lanka 2006 Egipto -Jordania - Sudan - Yemen- FALCON 1.25 10300 Oman -UAE - Qatar -Arabia Saudi 2006 -Kuwait -Irán - India - Sri Lanka TWA-1 1.28 1274 UAE - Oman - Paquistán 2006 Atlas Offshore 0.32 1630 Francia - Marruecos 2007 Singapur - China - Taiwán - Japón EAC 2.5 19500 2007 - Corea del Sur - Filipinas GCN 2.1 1200 Islas del Caribe 2007 HUGO 0.06 425 Reino Unido - Francia 2007 Kodiak Kenai 0.64 971 EEUU 2007
9 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
MINERVA 0.08 - Italia - Chipre 2007 Venezuela - Panamá - Brasil - SAC 3.84 20000 2007 Argentina - Perú - Chile - EEUU WARF - 680 India - Sri Lanka - Maldivas 2007 Alaska United E 0.05 3100 EEUU 2008 Alaska United W 0.64 2500 EEUU 2008 BP 0.01 1216 EEUU 2008 CFX-1 0.15 2470 EEUU - Colombia - Jamaica 2008 Caucasus 1.92 - Georgia - Bulgaria 2008 Gondwana-1 0.64 2150 Australia 2008 HSCS 0.64 570 Rusia - Japón 2008 MIC-1 0.01 70 Singapur - Indonesia 2008 RJCN 0.64 1800 Rusia - Japón 2008 SEAK 0.22 1214 EEUU 2008 SHEFA-2 0.57 1000 Reino Unido - Islandia 2008 Telstra 1.28 9125 Hawái - Australia 2008 Endeavour Corea del Sur - Japón - Taiwán - TP Express 5.12 17700 2008 EEUU Trinidad-Curaco 1.92 1240 Curazao - Trinidad y Tobago 2008 AKORN 2.56 4800 EEUU 2009 ASH 0.001 4680 Hawái - Samoa 2009 CBUS 0.48 1600 Isla Virginia - Bermudas 2009 Challenger 0.32 1200 EEUU - Bermuda 2009 Danice 5.10 2250 Dinamarca - Islandia 2009 Greenland 2.56 4598 Canadá - Groenlandia - Islandia 2009 Connect HANNIBAL 3.2 170 Italia - Túnez 2009 JAKABARE 1.28 1330 Singapur - Indonesia 2009 Melita-1 - 100 Malta - Italia 2009 PPC-1 1.92 6900 Guam - Australia 2009 SAS 0.001 252 Samoa 2009 TEAMs 0.04 4500 UAE- Kenia 2009 Filipinas - Vietnam - Japón - Guam TGN-IA 3.84 6700 2009 - China - Singapur EEUU - Hawái - Japón - China - AAG 2.88 20000 2010 Malasia - Vietnam - Tailandia Sudan - República de Djibouti - Somalia - Kenia - Tanzania - EASSY 4.72 10500 2010 Madagascar - Mozambique - Sudáfrica Reino Unido - España - Portugal - Marruecos - Mauritania - Cabo Verde - Senegal - Gambia - GLO1 2.5 9800 2010 Guinea Bissau - Guinea - Costa de Marfil - Gana - Togo - Benín- Nigeria HANTRU-1 0.16 2917 Micronesia 2010 HONOTUA Dom 0.08 320 Polinesia 2010
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HONOTUA Inter 0.32 4520 Hawái - Polinesia 2010 Francia - Italia - Líbano - Egipto - I-ME-WE 3.84 13000 Arabia Saudí - UAE - Paquistán - 2010 India Madagascar - Isla Reunión - Isla LION 1.28 1000 2010 Mauricio Portugal - Marruecos - España - MainOne 1.92 14000 Senegal - Costa de Marfil - Gana - 2010 Nigeria MBDC 0.96 380 Indonesia 2010 Sudáfrica - Mozambique - Tanzania - Ruanda - Kenia - SEACOM 1.28 15000 2010 República de Djibouti - India - Arabia Saudí - Egipto - Francia Guayana - Trinidad y Tobago - SG-SCS - 520 2010 Surinam TE North 1.28 3100 Egipto - Francia 2010 Unity 7.68 9920 EEUU - Japón 2010 Balkans-Italy 0.04 276 Albania - Italia 2011 Network Bicentenario 3.84 250 Argentina - Uruguay 2011 Ceiba-1 - 270 Guinea Ecuatorial 2011 CeltixConnect - 131 Irlanda - Reino Unido 2011 Reino Unido - Portugal - Gibraltar - Francia - Mónaco - Libia - Egipto EIG 3.84 15000 2011 - Arabia Saudí - República de Djibouti - Omán - UAE - India Gulf Bridge India - Omán - UAE - Qatar - 5.12 - 2011 International Bahréin - Kuwait - Iraq - Irán HAWK 20 3400 Chipre - Egipto 2011 Islalink 0.06 300 España 2011 JONAH 7.2 2297 Italia - Israel 2011 República Dominicana - Jamaica - LIME 0.9 1750 2011 Isla Virginia Iraq - Arabia Saudí - Bahréin - TGN-Gulf - 4460 2011 Qatar - UAE - Omán TURCYOS-2 0.8 213 Chipre - Turquía 2011 Francia - Portugal - Marruecos - España - Mauritania - Senegal - Gambia - Guinea - Sierra Leona - Liberia - Costa de Marfil - Gana - ACE 5.12 14000 Benín - Nigeria - Camerún - 2012 Guinea Ecuatorial - Santo Tomé y Príncipe - Gabón - República Democrática del Congo - Angola - Sudáfrica ALBA-1 5.12 1600 Venezuela - Jamaica-Cuba 2012 EEUU - República Dominicana - America Movil-1 - 16000 Puerto Rico - Brasil - Méjico - 2012 Guatemala - Colombia
11 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Singapur - Filipinas - Malasia - ASE 15 7800 2012 China - Japón CanaLink 5.12 - España - Marruecos 2012 LION2 1.28 - Mayotte - Kenia 2012 Loukkos 1.28 187 España - Marruecos 2012 POI 1.28 1761 Omán - Irán 2012 SEAS 0.3 1900 Seychelles - Tanzania 2012 Tamares Reino Unido - Holanda - Alemania 42 3536 2012 Telecom - Francia - Chipre - Israel Reino Unido - Portugal - España - Cabo Verde - Costa de Marfil - Gana - Togo - Nigeria - Camerún - WACS 5.12 14000 2012 Congo - República Democrática del Congo - Angola - Namibia - Sudáfrica Alexandros 10 3500 Francia - Chipre - Egipto 2013 Japón - China - Filipinas - Brunei - SJC 23 8900 2013 Singapur Silphium 1.28 425 Grecia - Libia 2013
Como se ha podido observar en la tabla anterior, una de las zonas donde más proliferan los cables submarinos es en el área que va desde Singapur hasta Japón, pasando por Taiwán, Indonesia, Corea, Filipinas y China. Siendo esta zona una de las más transitadas del mundo.
Por el contrario, el continente africano no posee las condiciones de infraestructura y acceso que el resto de continentes. En el año 2002, en el África Subsahariana había menos de una línea de teléfono fija, y poco más de un móvil, cada 100 habitantes [6] . Las cifras de acceso a Internet eran aún más preocupantes. El continente carecía de infraestructuras troncales que soportarán la información proveniente de los enlaces submarinos y el satélite era en la mayoría de casos el sistema de comunicación más utilizado. Durante ese año se inauguró el primer cable submarino que recorría la costa oeste de África, el SAT-3.
A día de hoy, la situación en África ha mejorado. Entre el año 2010 y 2012, se han instalado 4 cables más (MainOne, GLO1, ACE y WACS) con el objetivo de ampliar el ancho de banda disponible en el continente.
El tráfico mundial en el año 2012 ha sido de aproximadamente de 18Tbps [4] y durante éste se instalaron 11 cables submarinos [7] , a destacar el enlace ALBA-1 de 5,12Tbps con una distancia de 1860 kilómetros que conecta Cuba, Jamaica y Venezuela. Este enlace tiene especial importancia porque es el primero que conecta Cuba con el resto del mundo.
Otro cable submarino a destacar instalado durante el año 2012 es el ACE [8] . Es un sistema de cable submarino de 5,12Tbps y una distancia de 17.000 kilómetros que recorre la costa occidental de África conectando Francia, Portugal, España, Mauritania, Senegal, Gambia, Guinea, Sierra Leona, Liberia, Costa de Marfil, Ghana, Benín, Nigeria, Santo Tomé y Príncipe, Camerún, Guinea Ecuatorial, Gabón, República Democrática del Congo, Angola, Namibia y Sudáfrica. También conecta a través de enlaces terrestres Malí y Níger. ACE es el primer cable
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submarino internacional que se instala en los países de Guinea Ecuatorial, Liberia, Santo Tomé y Príncipe y Sierra Leona. Este sistema promueve una mejor fiabilidad de la red, así como una mayor flexibilidad.
Éste cable implementa la última tecnología de fibra óptica desarrollada por Alcatel-Lucent. Esta fibra ofrece una mejor calidad de alta velocidad a internet de banda ancha que la proporcionada vía satélite y con un coste menor. El cable ACE se extiende más de 17.000 kilómetros a profundidades cercanas a 6000 metros bajo el nivel del mar. Su tecnología WDM, hace que sea posible aumentar su capacidad de acuerdo a las distintas necesidades y los últimos avances tecnológicos sin ninguna modificación del cable submarino. Con una capacidad potencial de 5,12 Tbps, posible gracias a la nueva tecnología de 40 Gbps por fibra, ACE será capaz de evolucionar con los nuevos avances tecnológicos mediante actualizaciones regulares. El sistema de comunicaciones ópticas submarino ACE también facilita la conectividad con cables de fibra óptica terrestres.
Una vez comentados los cables submarinos que se han instalado desde los inicios de las comunicaciones submarinas hasta la actualidad, es momento de comentar que enlaces están previstos en los próximos años. En la Figura 5 se representan los principales enlaces que se van a llevar a cabo.
Figura 5: Mapa de los futuros cables submarinos a nivel mundial. (Fuente: Greg's Cable Map)
La Tabla 3 está estructurada por orden cronológico y dentro de cada año por orden alfabético. Ésta proporciona información sobre la capacidad, longitud y los países donde está previsto que estén situadas las estaciones terminales el cable submarino [5] :
13 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Tabla 3. Características de los cables submarinos (2013-2014).
Nombre Capacidad (Tbps) Distancia (km) Ruta Año Brasil - Angola y Sud SAex 12.8 - 2013 África Japón - Canadá - Reino Artic Fibre 24 15868 2014 Unido Australia - Singapur - Indonesia - 6.4 4800 2014 Singapore Cable Australia Emiratos Árabes Unidos BBG - 8000 - Omán - India - Sri 2014 Lanka - Malasia Brasil - Sud África - BRIC S Cable 12.8 34000 India - Indonesia - China 2014 - Rusia EEUU - Irlanda e Emerald Express 40 5200 2014 Islandia EEUU - Puerto Rico - PCCS 80 6000 Aruba - Colombia - 2014 Ecuador Reino Unido - Rusia - ROTACS 60 14901 2014 China - Japón Seabras-1 32 10500 EEUU - Brasil 2014 Japón - China - Filipinas SJC 23 8900 2014 - Brunei - Singapur Tasman Global Australia - Nueva 30 2250 2014 Express Zelanda España - EUU - Panamá WASACE 40 - - Brasil - Nigeria - 2014 Angola - Sud África
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3 Equipamiento
En este apartado se explican los dispositivos necesarios para poder implementar una red de fibra óptica submarina. Dado que el enlace se lleva a cabo por mar y por tierra, los dispositivos en cada caso tienen características diferentes, por lo que en este documento se ha dividido en dos apartados: La planta sumergida y la planta terminal. Otro elemento a tener en cuenta en un enlace de fibra óptica es el cable, que también es explicado en un apartado independiente del resto de dispositivos.
3.1 Planta sumergida
Las estaciones terminales de la red están eléctrica y ópticamente unidas gracias a la planta sumergida. Se puede ver en la Figura 6 la configuración típica de este tipo de planta. Está formada por el cable para la transmisión de los datos, los repetidores para amplificar la señal a intervalos regulares, los ecualizadores para mantener la misma potencia en cada canal de la señal y unidades de derivación para permitir la conectividad y flexibilidad de la red. Así como, la alimentación del equipo sumergido situada en las estaciones terminales. En este apartado se explicará el principio básico de funcionamiento de los principales componentes del sistema a excepción del cable submarino que será explicado en un apartado aparte.
Cable troncal Terminal A Terminal B PFE PFE
Ecualizador Cable secundario Repetidor
Derivador
Terminal C Cable - conexiones eléctricas PFE
Figura 6. Elementos de una red de telecomunicaciones submarina. Donde PFE es el equipamiento de alimentación del sistema, situado en la planta terminal.
15 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
3.1.1 Repetidores
En un sistema de comunicaciones submarino los datos se transportan de forma totalmente óptica a través de las fibras de vidrio a altas velocidades binarias, proporcionando grandes anchos de banda [1] . Sin embargo, la fibra óptica posee pérdidas inherentes que causan la degradación de la señal a medida que se aumenta la distancia. A partir de distancias alrededor de los 250 km de la fuente, se produce una reducción en la potencia de la señal óptica muy significativa que no hace posible la correcta detección por parte del receptor. Este hecho obliga a amplificar a intervalos constantes de entre 40 y 60 kilómetros la señal, con el fin de poder ser procesada con éxito en la estación terminal de recepción.
La primera generación de sistemas ópticos utilizaba repetidores opto-electrónicos [9] . Estos repetidores convierten la señal óptica en eléctrica mediante un fotodiodo. Una vez en el dominio eléctrico, la señal se regenera y amplifica, finalmente con un transmisor láser se pasa otra vez al dominio óptico. Este tipo de repetidores tienen importantes limitaciones en términos de coste, capacidad y flexibilidad. Es cierto que pueden procesar señales con velocidades relativamente altas pero ésta queda fijada para toda la vida útil del sistema, así como el formato de modulación y los protocolos utilizados. De esta manera se pierde la transparencia del sistema. Otro gran inconveniente es la pérdida de fiabilidad, ya que son mucho más susceptibles los componentes electrónicos que no los ópticos. Por lo tanto, el uso de amplificadores totalmente ópticos fue visto como la mejor solución. Este último tipo de amplificadores presentan diversas limitaciones, que se comentarán a final de este apartado, pero también se obtienen unas prestaciones que permiten la escalabilidad y transparencia del sistema permitiendo aumentar las capacidades de éste sin tener que sustituir los repetidores.
Durante la década de los años 70 se demostró el proceso no lineal de la amplificación Raman [10] y se realizaron mejoras en la fabricación de fibras ópticas con menores pérdidas. Este tipo de amplificación requiere de largas distancias de interacción para poder obtener una cierta ganancia. Todos estos datos hicieron que en su momento pareciera el perfecto candidato para compensar las pérdidas en la fibra óptica.
A finales de la década, cuando los repetidores eléctricos parecían haber alcanzado el nivel máximo que podían ofrecer, la aparición de los amplificadores dopados con Erbio dio un giro a las comunicaciones ópticas submarinas. Los Repetidores opto-electrónicos dejaron de utilizarse para los enlaces submarinos y los amplificadores Raman se vieron parcialmente substituidos por estos nuevos amplificadores discretos que conseguían una ganancia significativa con una potencia de bombeo mucho inferior que la necesaria en los amplificadores Raman. Los EDFA aparecieron claramente como la tecnología clave para poder hacer crecer las redes ópticas y permitir una revolución en las telecomunicaciones [11] .
Este apartado se centrará en el componente principal de un repetidor submarino: El amplificador óptico. A continuación se detallarán los principios básicos de funcionamiento así como las principales características del EDFA, el amplificador óptico más utilizado en las comunicaciones ópticas submarinas, y del amplificador Raman. Finalmente se mostrará un ejemplo de un repetidor submarino completo.
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3.1.1.1 EDFA
El EDFA es un amplificador basado en la utilización de iones de tierras raras como medio de ganancia. Estos iones se introducen en el interior del núcleo de las fibras durante el proceso de fabricación y posteriormente se bombean ópticamente para producir la amplificación [12] .
A mediados de los años 80, se observó que los iones de Erbio podían exhibir ganancia a 1550nm, correspondiente a la tercera ventana de transmisión en fibra óptica, que es la que exhibe menores pérdidas (alrededor de 0.2 dB/km). En 1989, se utilizaron nuevos diodos láser a 1480nm para bombear los EDFA, produciendo de manera eficiente amplificación a 1550nm. En la Figura 7 se presenta un esquema básico del funcionamiento de un EDFA en un enlace óptico.
Señales ópticas amplificadas Señales ópticas Fibra dopada con Aislador (tercera ventana) (tercera ventana) Acoplador Erbio óptico óptico
Láser de bombeo (980nm o 1480nm)
Figura 7. Esquema básico del funcionamiento de un EDFA. El bombeo puede realizarse a longitudes de onda de 980nm o a 1480nm.
Más adelante se desarrolló el bombeo a 980nm. El bombeo a esta longitud de onda es más eficiente que a 1480nm [13] , ya que permite realizar un bombeo más eficaz con menor ruido en la señal de salida y a su vez es más insensible a las variaciones de temperatura, por contra si se quiere realizar un bombeo remoto es conveniente utilizar la longitud de onda de 1480nm, el motivo es, que al tratarse de una longitud de onda situada en la tercera ventana supone una menor atenuación [14] .
El funcionamiento interno de este tipo de amplificadores se basa en un láser semiconductor que bombea señal a 980nm o a 1480nm, éste se encarga de hacer la inversión de población de los iones de Erbio. El láser de bombeo inyecta el haz de luz en la fibra a través de un acoplador óptico, éste es el encargado de combinar la señal de bombeo y la señal óptica con la información a amplificar. La luz bombeada se propaga o en la misma dirección que la señal (copropagación) o en la dirección opuesta (contrapropagación). Para prevenir las oscilaciones y el ruido debido a las posibles reflexiones en el ensamblaje se utilizan aisladores ópticos. Existen amplificadores con arquitecturas más avanzadas para optimizar la potencia de salida y las características de ruido.
17 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Los EDFA presentan muchas ventajas, que lo hacen casi imprescindibles en los sistemas de transmisión ópticos en la actualidad. Se pueden bombear de manera práctica por dos láseres, siendo necesarios sólo unos pocos mW de potencia para obtener ganancias de 10 - 20 dB. La ganancia no depende de la polarización de la señal, es constante en un margen de 100°C y es inmune a la interferencia entre canales. Además, opera en un régimen de mínimo ruido de emisión espontánea, el llamado límite cuántico [15] . Otra característica muy importante es que todos los canales con señales ópticas pueden ser amplificados simultáneamente dentro del EDFA, por lo tanto permiten la tecnología WDM [16] . Esta amplificación multicanal es posible gracias a las múltiples posiciones de los electrones en los átomos de Silicio y Erbio ya que consecuentemente hay muchas transiciones diferentes para estos. Las transiciones de excitación tienen diferentes saltos energéticos, cada canal óptico va a producir transiciones con saltos diferentes en función de su frecuencia. De esta forma el amplificador óptico reparte la energía de amplificación entre los diferentes canales ópticos.
Originariamente los EDFA han cubierto la banda C (1525nm - 1565nm) como consecuencia de la respuesta en frecuencia de su ganancia [1] . Esta respuesta se representa en la Figura 8 y, como puede apreciarse, la ganancia decae bruscamente fuera de dicha banda. Sin embargo, la creciente demanda de mayor capacidad en las redes ópticas ha provocado que se busquen nuevas bandas de transmisión. Los amplificadores de banda L (1570nm - 1610nm), gracias a la utilización de otros codopantes como el aluminio y el fósforo, consiguen resultados similares a los amplificadores de la banda C, aunque presentan distintas prestaciones y componentes. En la actualidad, se están desarrollando amplificadores en la banda S (1470nm - 1520nm) [13] . Gracias a la similitud de tecnologías de las diferentes bandas, se está consiguiendo resolver las limitaciones de ancho de banda de una forma simple y fiable.
Figura 8. Espectro de la ganancia de un amplificador EDFA en la banda C.
En la Figura 9 queda representado el espectro de un amplificador EDFA de banda ancha (banda C + banda L). Teniendo en cuenta la potencia de entrada del amplificador y la potencia de bombeo (expresados en la parte superior de la gráfica), se puede observar con claridad que la longitudes de onda que comprenden una ganancia superior a 20 dB son de 1526nm a 1564nm (banda C) y de 1569nm a 1607nm (banda L).
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Figura 9. Espectro de la ganancia de un amplificador EDFA de banda ancha (C +L) y grafica del figura de ruido del amplificador.
Un elemento clave de los EDFA es que son sistemas totalmente ópticos, y permiten diseñar sistemas de transmisión transparentes a la velocidad de transmisión o el formato de la modulación.
Esto es especialmente importante para los sistemas ópticos submarinos. Una vez instalado el enlace, sólo cambiando el equipo en tierra, es decir, los equipos de transmisión y recepción, se puede aumentar la capacidad de transmisión del enlace sin modificar la fibra o los amplificadores.
Uno de los principales inconvenientes de los EDFA es que introducen ruido en la propagación de la señal y que su ganancia depende de los niveles energéticos del Erbio, por lo que los EDFA solo pueden operar alrededor de 1550nm. Otro inconveniente a tener en cuenta es que la ganancia no es constante en todo el ancho de banda en que se pueden usar, lo que significa que los diferentes canales de un sistema WDM sufren amplificaciones distintas. Este último efecto puede corregirse mediante la utilización de ecualizadores.
Tipos de amplificadores
Para poder alcanzar la máxima distancia entre vanos (espacio entre repetidores) se utilizan tres configuraciones distintas [17] , que dependerán de su posición en el sistema y los niveles de las longitudes de onda utilizadas. En la Figura 10 se muestra un esquema básico de los tres tipos de amplificadores y su situación física dentro del enlace.
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Tx OBA ILA OPA Rx
Figura 10. Amplificadores ópticos para amplificar la señal proveniente del transmisor (OBA), para uso a lo largo del enlace (ILA) y para uso antes del receptor (OPA). Tx, transmisor; Rx, receptor.
Optical Booster Amplifier (OBA): Este amplificador es también llamado post- amplificador o amplificador de potencia, es un dispositivo de potencia elevada situado justo después del transmisor. Tiene como objetivo aumentar el nivel de potencia de la señal para permitir que los repetidores se sitúen lo más lejos posible del origen. La ganancia es variable y se va adaptando para conseguir una potencia fija de salida, por lo tanto este dispositivo no puede trabajar en saturación. Este tipo de amplificadores están especialmente indicados para ser utilizados cuando la modulación es externa, ya que estos dispositivos introducen unas pérdidas de inserción elevadas. Realiza el bombeo a 1480nm.
Optical Pre-amplifier (OPA): El preamplificador es un dispositivo de muy bajo nivel de ruido que se sitúa inmediatamente antes del receptor para mejorar su sensibilidad. Tiene una ganancia fija y a diferencia del Booster, realiza el bombeo contrapropagado. No posee control de realimentación y trabaja en zona de saturación para generar emisión espontánea. Realiza el bombeo a 980nm.
In-Line Optical Amplifier (ILA): El amplificador de línea óptico es un amplificador óptico de bajo nivel de ruido que se utiliza entre secciones de fibras ópticas pasivas para aumentar las longitudes de regeneración, o en una conexión óptica punto a multipunto para compensar las pérdidas de derivación. Se trata de un preamplificador en cascada con un amplificador de potencia. Su ganancia es variable y se va adaptando para conseguir una potencia fija de salida.
3.1.1.2 Amplificador Raman
Como su nombre indica, el amplificador de Raman [10] se basa en el efecto no lineal SRS (Stimulated Raman Scattering) que se explica de forma detallada en el apartado 5.2.1. Esta no linealidad de las fibras ópticas tiene lugar cuando ésta es atravesada por una radiación monocromática de alta intensidad. Bajo ciertas condiciones la radiación interactúa con el material dando como resultado la aparición de una nueva longitud de onda.
Las frecuencias que se pueden generar dependen de las frecuencias características de las moléculas que componen el material. Si al tiempo que pasa por la fibra óptica la señal de bombeo pasa otra señal con una frecuencia característica del material, esta frecuencia será estimulada.
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Gracias a este concepto se obtiene un nuevo método de amplificación óptica. La señal que provoca la amplificación es la propia señal que transmite la información. Además, si por la fibra se transmite más de un canal, cada uno da lugar al efecto Raman en su propia frecuencia, produciéndose la amplificación, siempre que estas frecuencias estén dentro del rango de frecuencias características del material. Al tratarse de un proceso no lineal, se necesita una potencia de bombeo bastante elevada.
El proceso de amplificación Raman depende de la longitud de onda de bombeo y del material de la fibra, en el caso del silicio la ganancia ocurre aproximadamente a los 100nm desde la longitud de onda de bombeo, lo que quiere decir que para señales de 1550nm se requiere de una señal de bombeo de alrededor de los 1450nm. El ancho de banda de la ganancia es de entre 20 a 30nm, con el uso de diferentes longitudes de bombeo se consigue que la ganancia sea plana en la banda de longitudes de onda de interés. De esta manera la fibra se convierte en un medio de transmisión de banda ancha y ganancia distribuida, actuando como un amplificador óptico de gran longitud, proporcionando ganancia sobre las señales que se propagan por su interior.
Este tipo de amplificadores suelen utilizarse en la configuración de contra-propagación [1] como se representa en la Figura 11. Es decir, las longitudes de onda de bombeo Raman se introducen desde el extremo final del tramo de fibra, viajando en sentido contrario al de la señal de la información. De este modo se asegura que la mayor parte de la amplificación ocurre al final del trayecto de la fibra, donde los niveles de señal son más bajos, evitando a su vez que los niveles de potencia a la salida de cada tramo de amplificación superen el umbral de efectos no lineales.
1 2 Transmisor Receptor
Bombeo 3
Bombeo Raman
Figura 11. Esquema básico del amplificador Raman.
Uno de los principales inconvenientes que presentan estos amplificadores es la necesidad de utilizar una alta potencia de bombeo, cercana al watt. A su vez presenta una figura de ruido inferior y reduce el ruido por emisión espontanea producido por los EDFA, mejorando la relación señal ruido óptica del sistema.
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3.1.1.3 Repetidor submarino con amplificación EDFA
En la Figura 12 se muestra la topología óptica de una aplicación típica, para un par de fibras, de un repetidor submarino utilizando amplificadores EDFA. El bombeo se proporciona en grupos de dos o cuatro diodos láseres (para aumentar la fiabilidad del sistema) y puede tener longitudes de onda de 1480nm o 980nm.
Mediante filtros FBG y acopladores se consiguen crear filtros paso banda que dejan pasar las señales de bombeo, así como combinar ambas señales antes de ser divididas e inyectadas en las dos fibras dopadas con erbio. La radiación de bombeo se introduce en la fibra de la señal por un acoplador multiplexor por división de longitud de onda (WDM) que también permite que las señales de tráfico situadas alrededor de los 1550nm pasen con las mínimas pérdidas. Es entonces, cuando el bombeo entra en un tramo de entre 10 y 20 metros de fibra dopada con erbio, cuya longitud y concentración de dopante se seleccionan en base a la red para amplificar los canales con la ganancia y niveles de potencia apropiados. Una vez atravesado este tramo, un aislador de bajas perdidas es utilizado para evitar el reflejo de la luz de la señal.
Figura 12. Esquema óptico de un repetidor submarino con amplificación EDFA.[1]
Los GFF son filtros de aplanamiento que se utilizan para imponer la igualdad de potencia en todos los canales de la señal de salida [1] . Es necesario para asegurar que la tasa de BER cumple con los requisitos mínimos a la salida de cada repetidor. La principal causa de desequilibrio de potencia del canal es la dependencia de las longitudes de onda con la ganancia de un EDFA. Este desequilibrio estimula la dispersión Raman, que transfiere la potencia de las longitudes de onda más cortas a las más largas y esto provoca una inclinación lineal (en términos logarítmicos) en todo el ancho de banda. Estos dispositivos se componen típicamente de FBG o filtros de multicapa dieléctrica. Los filtros deben cumplir de forma estricta las especificaciones del diseño, así como mostrar estabilidad frente a la flexión, la
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tensión, la temperatura (0.01 nm/°C) y la humedad. Además, deben tener pérdidas de inserción, pérdidas dependientes de la polarización (PDL), dispersión del modo de polarización (PMD) y reflexión posterior muy bajas.
El objetivo del atenuador, situado justo antes de la salida del amplificador, es la de evitar que la señal producida por el EDFA supere el valor nominal del diseño y evitar que el espectro de potencia de salida muestre una cierta inclinación. Es de vital importancia cuando se trata de sistemas con repetidores en cascada, ya que se ha de suministrar la potencia de entrada constante al siguiente repetidor.
La entrada y salida de potencia del EDFA se controlan utilizando acopladores y diodos PIN (RLL y SLL), cuyas salidas son utilizadas por los circuitos de control para automáticamente ajustar el rendimiento del repetidor a tiempo real y proporcionar información a la gestión de la red sobre el estado del repetidor. Los diodos RLL también se utilizan para recibir señales de control entrantes, que pueden utilizarse para ajustar las potencias de bombeo. La Figura 13 representa un esquema del sistema de control de un repetidor utilizando amplificadores EDFA.
Figura 13. Esquema de la circuitería de control de un repetidor submarino con amplificador EDFA.[1]
Los principios básicos del diseño mecánico de los repetidores es muy similar al de los ecualizadores y unidades de derivación [18] . Estos dispositivos deben funcionar durante un largo período de tiempo en el mismo entorno y han de abordar cuestiones de eficiencia de volumen, colocación del alto voltaje, facilidad de montaje, estanqueidad en el interior del dispositivo, etc. Los Repetidores y los derivadores también comparten el importante requisito de asegurar un buen contacto térmico entre componente opto-electrónicos (en particular, las bombas de diodos láser).
23 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
3.1.2 Ecualizadores
El equipamiento de ecualización está incluido en las redes submarinas para asegurar que la potencia de la señal se distribuye por igual entre los canales, de tal manera que el requisito mínimo de BER se cumpla para cada uno de ellos [19] . Cada repetidor utiliza filtros de aplanamiento de ganancia, con el objetivo de corregir las distorsiones impuestas por el EDFA en el espectro de potencia de salida. Sin embargo, la corrección para producir un espectro de potencia plano a través de todos los canales no es una solución completa: Hay variaciones inevitables de las especificaciones de los componentes y la fabricación, por otro lado, las desviaciones de ganancia surgen a partir de un cambio en las características de transmisión de la red con el envejecimiento de las fibras o debido a reparaciones del cable. El primer tipo de variabilidad de amplitud se controla con ecualizadores pasivos, mientras que las desviaciones que cambian lentamente en el tiempo se abordan mediante ecualizadores activos, como se verá a continuación.
Los ecualizadores también se caracterizan en función de si su propósito es corregir simplemente la pendiente o inclinación de la distribución de potencia del canal (ecualizadores de inclinación o TEQs), o para corregir la forma de la ganancia (ecualizadores de forma o SEQs).
3.1.2.1 Ecualizadores pasivos
Los ecualizadores pasivos son el principal medio para corregir la acumulación de errores residuales debidos a las variaciones de fabricación en cada repetidor. Sus características se establecen en la fábrica, para corregir con exactitud la desviación de cada sistema. Se colocan cada 10-15 repetidores (dependiendo de la red), correspondiendo a un bloque de ecualización. Cuanto más precisa sea la ecualización de un determinado tramo más grande será el bloque.
Contienen filtros de transmisión fija que son empalmados a las fibras ópticas encaminadas a través de la carcasa. Los TEQs pasivos difieren únicamente de los SEQs pasivos en las longitudes de onda que los filtros utilizan. En la Figura 14 se muestra un diagrama de un típico ecualizador óptico.
Los filtros pueden ser dispositivos con películas de múltiples capas dieléctricas o fiber Bragg gratings (FBG). Por lo general, suponen unas pérdidas de inserción de entre 3 y 7 dB, mientras que lo típico en el rango de ecualización es de entre 1 y 6 dB [19] .
Los ecualizadores pasivos no requieren de alimentación. Los valores eléctricos máximos son iguales a los de los repetidores.
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Figura 14. Filtro óptico (arriba) y ecualizador pasivo formado por filtros ópticos (abajo).[1]
3.1.2.2 Ecualizadores activos
El envejecimiento de las fibras y las longitudes adicionales de cable que se añaden cada vez que se realiza una reparación, conducen a un aumento en las pérdidas de transmisión en comparación con el inicio de vida de la red. La corrección de estas pérdidas se consigue mediante ecualizadores activos, que corrigen las variaciones de la potencia de salida para que ésta sea constante en todo el margen de frecuencias en que se está emitiendo señal.
Para repetidores con control automático del nivel de potencia de salida, una caída en la potencia de la señal de entrada daría lugar a un aumento de la ganancia EDFA a longitudes de onda más cortas en comparación con las longitudes de onda más largas, lo que provoca una inclinación negativa en el espectro de la señal desde las frecuencias más cortas a las más largas. En este caso, la cantidad de corrección aplicada se puede ajusta en cualquier momento durante la vida útil de la red.
Una de las muchas implementaciones de un ecualizador activo TEQ es la de utilizar un atenuador óptico variable para ajustar la potencia de entrada a un EDFA con control automático de ganancia, así como hacer uso de la inclinación positiva inherente del bombeo de Raman para corregir las inclinaciones negativas [1] . Los valores eléctricos máximos son iguales a los de los repetidores. Estos dispositivos tienen un consumo para seis pares de fibra de 15 a 20 V y una corriente de 1A.
25 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
3.1.3 Derivadores
Las unidades de derivación (BUs) permiten el encaminamiento de la información de toda una fibra o de canales ópticos concretos, en los nodos de la red en la que tres o más cables submarinos se encuentran [1] . Estos dispositivos son similares en dimensiones a los repetidores, pero un extremo de éstos tiene más de una conexión para conectar los cables. Las unidades que proporcionan un enrutamiento para todos los canales se conocen como los derivadores Full Fiber-Drop (FFD), mientras que las que permiten añadir o extraer canales ópticos preseleccionados se conocen como los derivadores Optical Add/Drop Multiplexer (OADM). En la Figura 15 queda representado un ejemplo de los dos tipos de enrutamiento que ofrecen los derivadores.
Figura 15. El enlace FP1 (Fiber Pair 1) representa una fibra óptica con un número indeterminado de longitudes de onda diferentes (negro); El enlace FP2 (Fiber Pair 2) está formado por tres longitudes de onda diferentes identificadas por tres colores (azul, rojo y gris).
Entre la estación A y la estación D, a través del FP1, hay una conexión FFD. Gracias a las unidades de ramificación OADM se consiguen redirigir hacia las estaciones B y C sólo las longitudes de onda de interés.
En las comunicaciones submarinas son de especial interés las unidades de derivación que permiten la inserción o extracción de longitudes de ondas seleccionadas por el sistema (OADM). Debido a que el entorno no es propicio para efectuar cambios físicos (excepto reparaciones de los diversos componentes del sistema), estos dispositivos deben ser reconfigurables para permitir una mayor flexibilidad.
El funcionamiento básico de un multiplexor OADM queda reflejado en la Figura 16. Se basa en la utilización de dos circuladores ópticos de tres puertos y un FBG para cada longitud de onda que se desee extraer. El primer circulador permite que toda la señal pase a través de él, el FBG refleja el canal que se desea extraer y deja pasar el resto de la señal hacia el siguiente circulador que añade una nueva longitud de onda. Los canales extraídos y añadidos son amplificados en la BU para compensar las pérdidas introducidas por los componentes pasivos.
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Figura 16. Diagrama básico de funcionamiento de una unidad de derivación OADM.
Otra característica representativa que diferencia las unidades de derivación es, si poseen o no alimentación. Los derivadores de conmutación son aquellos que disponen de un relé que mediante una determinada tensión modifican el trayecto del enlace, se observa en la Figura 17 las diferentes configuraciones que puede tener este tipo de dispositivo. En cambio las unidades de derivación de trayectoria fija, son las que no requieren alimentación, puesto que tienen los caminos implementados físicamente sin posibilidad de modificarse. La configuración de las conexiones eléctricas en la unidad de derivación se controlan desde las estaciones terminales de la red pero a su vez han de tener la capacidad de protegerse contra la reconfiguración no deseada debida a los transitorios de potencia.
Figura 17. (a) Estado en el que no pasa corriente; (b) Estado en el que pasa corriente; (c) Estado de fallada estación B; (d) Estado de fallada estación A.[1]
Dependiendo del diseño de la red, la funcionalidad de las unidades de derivación varía. Por ejemplo, si se trata de un enlace troncal con varios enlaces secundarios que proporcionan una conexión mar-tierra se mantendrá en la posición inicial (a), mientras que si una de las ramificaciones requiere ser bloqueada para llevar a cabo reparaciones o mantenimiento el sistema tendrá que estar alimentado (b). Si hay algún tipo de fallada en el enlace troncal se deberán activar los estados restantes (c)(d), dependiendo de donde se haya producido la avería.
27 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
3.1.4 Alimentación
El equipamiento de alimentación (PFE) ha sido diseñado para proporcionar una línea de corriente DC estable a la planta sumergida [20] [21] . Esta situado en las estaciones terminales y suministran alimentación a los repetidores, ecualizadores y unidades de derivación de dicha planta. Estos dispositivos deben ser compactos, eficientes, fiables, poseer alarmas para identificar la presencia de transitorios en la red y han de proporcionar información del estado del enlace al sistema de gestión.
Los procedimientos de encendido y apagado deben llevarse a cabo secuencialmente entre las estaciones terminales y requiere de un alto grado de coordinación entre ambas.
La planta sumergida debe funcionar a la misma corriente en todos los tramos de la línea y el PFE debe proporcionar suficiente voltaje para alimentar todos los dispositivos que estén en ella. Los valores típicos de corriente y tensión en este tipo de enlaces son de hasta 2A y 15kV, respectivamente. También han de ser capaces de proporcionar voltajes de entre 1 y 2kV superiores a la tensión nominal de la red para asegurar que el sistema no se verá afectado en caso de que haya transitorios [22] .
En las redes de larga distancia, las PFE en cada extremo del enlace deben operar a la mitad de la tensión especificada en el diseño y compartir la carga. Aunque han de estar preparadas para poder suministrar toda la energía requerida por el sistema en caso de que uno de los nodos fallara. Este requisito permite realizar labores de reparación y mantenimiento sin que el suministro de energía quede cortado y por lo tanto no afecta a la transmisión del enlace.
La potencia eléctrica se suministra a la planta sumergida a lo largo de un cable de cobre y este cable es independiente de las fibras ópticas del enlace.
Si se trata de un enlace con unidades de derivación, cada rama del sistema requerirá de un PFE dedicado situado en su respectiva estación terminal.
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3.2 Planta terminal
El equipo terminal consta de un equipo terminal de línea Submarina (SLTE), un equipo de alimentación de potencia (PFE), un sistema de administración de elementos (EMS) y una caja de terminación del cable (CBT). En la Figura 18 queda representada la configuración básica de la estación terminal [1] .
Figura 18. Configuración básica de una estación terminal.[1]
El SLTE se encarga de realizar la modulación de la señal de tráfico terrestre para convertirla en una señal óptica, apropiada para la línea de transmisión submarina. Se divide en dos partes, la parte de transmisión y la de recepción:
Transmisión: La señal terrestre en formato SDH es dividida por un acoplador óptico en dos señales: la de trabajo, por donde circula la información del cliente, y la de protección, que sirve de redundancia en caso de que el sistema falle. La señal de trabajo se pasa al dominio eléctrico y se le añade una cabecera y códigos de línea, para posteriormente ser convertida al dominio óptico. Se realiza una compensación de dispersión y los diferentes canales son multiplexados dentro de la señal óptica.
Recepción: La señal óptica es amplificada y demultiplexada dentro de cada señal de canal. Se les aplica una corrección de errores y cada señal es insertada en un bloque SDH.
Por su parte, el PFE provee de corriente eléctrica DC al equipo sumergido. Este dispositivo ha sido explicado de forma más detallada en el apartado 3.1.4.
29 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
El EMS supervisa y administra de forma completa la red y todos los elementos en ella, de manera que se puedan proveer mucho más fácilmente operaciones de mantenimiento y servicio. También ofrece la interfaz al sistema de administración de red (NMS), el cual se encarga de operar un gran número de redes, incluyendo redes terrestres. En estos dispositivos la red entre el servidor y el cliente se extiende hasta la estación del otro extremo, de modo que se tiene un canal de comunicación de datos para intercambiar información de administración y gestión entre las estaciones.
El CTB da terminación al cable submarino y separa el cable físicamente en fibras ópticas y la línea de alimentación de potencia en la estación terminal.
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3.3 Cable submarino
En este apartado se realizará un estudio de las dos partes que componen el cable submarino: La fibra óptica, que es el material que permite transportar la información, y el recubrimiento del cable que se encarga de proteger a la fibra óptica de las inclemencias del medio donde se instala.
3.3.1 Fibra óptica
La fibra óptica es una guía de ondas por la cual se propagan señales digitales moduladas en forma de luz. Está compuesta por un cilindro de vidrio extremadamente delgado, denominado núcleo, recubierto por una capa de vidrio concéntrica, con distinto índice de refracción, conocida como revestimiento. Los pulsos de luz se emiten iluminando el núcleo, mientras que el revestimiento ayuda al proceso de transmisión, guiando la luz y evitando que salga de él. Por lo tanto, la luz se propaga por ambos medios.
Es el medio de transmisión por excelencia gracias a que cumple ciertas características que la diferencian de cualquier otro medio: Permite transportar un gran volumen de datos a altas velocidades, posee un tamaño y peso reducido, es flexible, proporciona aislamiento eléctrico y es inmune a las interferencias electromagnéticas y al cross-talk. También ofrece un alto grado de seguridad en las comunicaciones y las pérdidas de transmisión son muy bajas, en comparación con cualquier otro medio de transmisión.
El silicio tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura, pues funde a 600°C. La fibra óptica presenta un funcionamiento uniforme desde los -550°C hasta los 125°C sin degradación de sus características.
Existen dos tipos de fibras: Las fibras multimodo (MMF) y las fibras monodo (SMF). La principales diferencias quedan resumidas en la Tabla 4.
Tabla 4. Características orientativas MMF y SMF.
Fuente de Diámetro del Tipo de fibra Propagación Distancia Dispersión transmisión núcleo
Más de un Modal y MMF LED 2 km 50 a 62.5 µm modo cromática
Un único SMF Láser 250 km 6 a 9 µm Cromática modo
En los enlaces de comunicaciones submarinas se utilizan fibras monomodo, ya que permiten tramos de fibra mucho más largos. Disminuyendo de esta manera el número de repetidores.
31 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Este tipo de fibras trabajan en la segunda y tercera ventana de transmisión y existen diferentes tipos según su valor de dispersión. En la Figura 19 se representa el parámetro de dispersión cromática de dos tipos de fibras monomodo. La línea azul discontinua representa una fibra monomodo convencional mientras que la roja corresponde a un fibra DSF, en este tipo de fibra se ha forzado que a 1550nm presente un cero en dispersión. Pese a que puede significar una ventaja no tener dispersión, este hecho conlleva problemas de no linealidades al utilizar sistemas WDM y este tipo de fibras han quedado en desuso.
Figura 19. Comparativa del parámetro de dispersión cromática de dos fibras monomo: DSF (roja) y NZDF (verde).[14]
La segunda gráfica corresponde a la comparativa entre una SMF y una NZDF. La dispersión de este último tipo de fibras se encuentra entre 2.6 y 6 ps/nm ·km en las longitudes de onda comprendidas entre 1530 y 1560nm. Este tipo de fibras son las más utilizadas en la actualidad, ya que presentan menor dispersión que las SMF estándar a 1550nm (20 ps/nm·km) y a su vez no añaden problemas de no linealidades como las DSF [23] [24] . La NZDF posee atenuaciones de 0.22 a 0.30 dB/km y la SMF de 0.25 a 0.5 dB/km, ambas en 1550nm.
3.3.2 Recubrimiento del cable
El cable es la estructura que protege a las fibras ópticas de la degradación medioambiental, de daños mecánicos y las aísla de las tensiones mecánicas que pueden ocurrir en su instalación. Existen una multitud de tipos de cables y estos son diseñados en función del entorno en el que van a ser utilizados. El diseño del cable se basa además del entorno en cuatro características de la fibra óptica: Sensibilidad a la curvatura, resistencia mecánica, fatiga estática y el envejecimiento.[1]
Existen dos estructuras básicas de cables de fibra ópticas: la estructura holgada y la estructura densa. A continuación se explicará cómo y de qué materiales están formadas.
Cable de estructura holgada
En este tipo de cables las fibras se alojan holgadamente dentro de una protección secundaria de un diámetro de entre 1 y 3mm, y un espesor de 0.25mm. Éste puede estar hueco (con aire) o bien relleno de un gel (grasa de silicona) que evita la entrada de agua. A su vez, como se muestra en la Figura 20, esta protección secundaria puede ir junto con otras y a su vez con un elemento de refuerzo central (de acero o Kevlar® 49, con un diámetro de entre 0.7 y 4mm)
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dentro de una coraza de hilos de armadilla e hilos rasgados rellena con un gel. Todo el conjunto está rodeado por una funda protectora de polietileno o PVC.
Figura 20. Cable con estructura holgada. (Fuente: GCO -UVa)
El elemento de refuerzo proporciona al cable aislamiento de las tensiones mecánicas propias de la instalación. Esta estructura se utiliza en la mayoría de las instalaciones exteriores, pero no es muy adecuado en las instalaciones verticales por el riesgo a que el gel fluya y se desplacen las fibras.
Cable de estructura densa
En este tipo de cables cada fibra óptica está ceñida a su protección secundaria que consiste en una cubierta plástica con un diámetro de 900µm y un espesor de entre 0.5 y 1mm, como se puede observar en la Figura 21. La misión de este recubrimiento ceñido es proporcionar soporte y protección a cada fibra individualmente.
Este cable ha sido diseñado para ser utilizado en interiores ya que es más flexible y tiene un mayor radio de curvatura. Además es más adecuado que el anterior en instalaciones verticales de cierta altura debido al soporte individual de cada fibra.
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Figura 21. Cable con estructura densa. (Fuentes: GCO -UVa)
En la Figura 22 se muestra de que materiales está formado un cable de fibra óptica submarino genérico y cuáles son sus respectivas funciones.
Figura 22. Composición del cable submarino de fibra óptica. (Fuentes: RibosoMatic)
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4 Proceso de instalación
Una vez mencionados los diferentes elementos que componen una red de fibra óptica submarina, se procede a explicar cuál es el proceso a seguir para su instalación. En este documento dicho proceso se ha dividido en tres apartados, siguiendo las recomendaciones del Manual sobre fibra óptica de la ITU-T [25] :
En el primer apartado se explican las actividades previas a la instalación, en éste se detalla que parámetros se han de tener en cuenta para asegurar la viabilidad del enlace desde un punto de vista técnico. El segundo apartado consta de la explicación de los diferentes buques utilizados en la instalación y finalmente se explica cómo se lleva a cabo el proceso de instalación del cable submarino.
4.1 Estudio del terreno marino y selección de la ruta
Antes de implementar un sistema de comunicaciones submarino se ha de realizar un estudio del terreno marino con el fin de encontrar la ruta óptima a lo largo del enlace. Este estudio se divide en dos fases:
Estudio teórico de la ruta
El objetivo del estudio teórico de la ruta es el de evaluar los factores que afectan a la selección de la ruta del cable submarino que conecta las estaciones transmisora y receptora en tierra.
Los elementos principales a investigar son los siguientes: [25]
i. Selección de los puntos de amarre (van en función de la red terrestre y del entorno costero). Se ha de procurar que el enlace sea lo más corto posible.
ii. Estudio de las cartas náuticas existentes.
iii. Estudio de los datos existentes sobre las mareas y las corrientes marinas, restos de naufragios, perspectivas sísmicas, morfología y naturaleza del fondo marino, variaciones estacionales u otros cables submarinos (que estén planificados o existentes) en la zona planificada para la ruta del cable. También se aplica para gasoductos o instalaciones sobre los fondos marinos.
iv. Estudio del historial de fallos de cables ubicados cerca del punto de estudio.
v. Estudio de actividades marítimas en la zona.
vi. Estudio de posibles áreas de restricción de la navegación y de ejercicios militares.
35 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
vii. Estudio de las actividades de pesca, en particular en las zonas donde las redes de arrastre y otros dispositivos de pesca representan un riesgo para la integridad del cable.
viii. Contacto y cooperación con las autoridades u otras partes interesadas (defensa, seguridad portuaria y marítima, obras públicas y otros propietarios de cables, etc.) con el fin de obtener información o permisos pertinentes.
Recopilando la información proporcionada por los puntos anteriores se obtiene un ruta provisional, que dependiendo de las características del enlace puede investigarse más a fondo.
Estudio práctico de la ruta
El objetivo del estudio práctico de la ruta es el de determinar que la ruta provisional establecida es viable, así como seleccionar los medios de protección que debe llevar el cable.
Este estudio consiste en realizar una investigación batimétrica, normalmente se lleva a cabo utilizando una ecosonda o sonar montado bajo la quilla o en el lateral del buque, lanzando una onda de sonido hacia el fondo marino. La cantidad de tiempo que tarda el sonido en ir a través del agua, rebotar en el fondo y volver, informa al equipo de la profundidad real. Se suele estudiar un pasillo de 10 km de anchura para poder determinar la batimetría con menos de un metro de error.
En la actualidad se utiliza un sonar de barrido ancho, su funcionamiento consiste en enviar docenas de ondas simultáneas, muy estrechas y adyacentes entre sí, formando un abanico de entre 90 y 180 grados, esto permite una resolución y precisión muy altas. Las ondas se actualizan varias veces por segundo (normalmente de 1 a 40 Hz, dependiendo de la profundidad), lo que permite al buque hacer pasadas mucho más rápidas, manteniendo una cobertura del fondo del 100%. Mediante sensores adicionales se consigue corregir la señal dependiendo de la inclinación y el movimiento de éste, y un sistema GPS (con una precisión horizontal típica superior a ± 5 m) especifica de forma exacta su posición. También se utilizan mediciones exactas de la velocidad del sonido en el agua para calcular la refracción de las ondas al atravesar capas de agua con distinta temperatura, conductividad y presión. Finalmente un sistema informático procesa todos los datos, y se genera un mapa de forma casi automática.
En determinadas situaciones, especialmente cerca de las entradas en tierra, es de gran utilidad tener una inspección visual mediante vehículos de operación remota (ROV), a grandes profundidades y mediante buceadores, en aguas poco profundas.
Uno de los trabajos más importantes que han de desempeñar ambos colectivos es el de la obtención de muestras del fondo marino. Esto permite poder determinar la naturaleza y
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dureza del suelo. La información obtenida del fondo marino es muy importante en las zonas donde se prevé que puedan hacerse zanjas (enterramiento del cable), así como para poder evaluar la protección del cable.
Una vez se obtienen los resultados de ambos estudios se determina el trazado definitivo, el tipo de cables a emplear y las longitudes precisas. También hay que tener en cuenta las particularidades de los fondos marinos y del tipo de cable para calcular la holgura de cable a utilizar, para evitar excesos o tensiones en éste.
La exploración de la ruta es de especial interés si la ruta propuesta cubre grandes distancias o es muy profunda.
4.2 Buques
Se pueden diferenciar dos tipos de embarcaciones relacionadas con el procesos de instalación de un enlace de fibra óptica submarino:
Buques de exploración
Cómo se ha comentado en el apartado anterior, este tipo de buques solo se requieren normalmente para rutas largas o complejas. La selección de un determinado buque depende de dónde y cuándo el estudio se va a llevar a cabo.
Si el estudio se realiza en mar abierto durante más de un día, el buque debe cumplir unos requisitos mínimos (espacio para equipamiento, facilidades de comunicación, espacio de trabajo, etc.).
Buques de tendido y mantenimiento del cable
Este tipo de buque es más conocido como buque cablero, es el encargado de instalar y mantener los cables submarinos y los parámetros más importantes que ha de cumplir son: [25]
i. La manipulación del cable ha de seguir las especificaciones del fabricante.
ii. Los equipos de navegación han de ser precisos (GPS diferencial).
iii. La tripulación ha de ser competente y profesional.
37 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Los datos sobre los buques cableros y equipos sumergibles que se utilizan por todo el mundo se encuentran en la Recomendación ITU-T G.971 [26] junto con sus áreas geográficas de trabajo y sus propietarios.
Figura 23: Dibujo representativo de un buque cablero.
4.3 Instalación del cable
La instalación del cable debe seguir los procedimientos de instalación adecuados, con el fin de garantizar el rendimiento requerido del sistema completo.
Las técnicas que se utilizan dependen del entorno donde se vaya a producir la instalación, ya sea en el mar, en un río o en un lago. En este documento nos centraremos en la técnica de instalación en el mar.
Embarque del cable
Por lo general un cable submarino está fabricado en plantas de cable cerca de la playa con el fin de facilitar la carga a bordo de un buque.
La operación de embarque consiste en cargar el cable y los repetidores en el buque. Se hace un plan de reparto de cargas a bordo, sobre todo basándose en la secuencia de trabajos, sentido de la colocación y orden de operaciones. El cable se estiba en las bodegas del barco y los repetidores se guardan en lugares climatizados.
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Durante la carga se monitorizan los parámetros de regularidad de la atenuación, continuidad óhmica (si aplica), etc. y mediante un contador se verifica que la longitud del cable sea la correcta.
Al terminar el embarque y los empalmes, se verifica la calidad de estos mediante técnicas eco- métricas y reflecto-métricas, para verificar la conformidad del sistema antes de hundirlo.
Colocación del cable
Dependiendo del tramo donde se coloque el cable, podemos distinguir tres tipos de colocación:
i. Colocación principal.
Fuera de las zonas costeras, la técnica clásica de colocación "a fondo" se basa en una máquina que lleva el barco cablero. Ella extrae el cable de las bodegas, controla su longitud en función de la velocidad del barco y le da el exceso de longitud u holgura precisa para que se acople bien al fondo o quede suspendido bajo el mar, sin tensiones.
ii. Amarre en tierra.
El barco se sitúa en el trazado deseado lo más próximo a la costa posible. Se remolca el cable a la playa sosteniéndolo mediante boyas, allí se amarra y conecta a la red terrestre. Por último se libran las boyas para que el cable se deposite en el fondo.
Si se incluye en los requisitos técnicos, el cable después será protegido mediante enterramiento, tubos articulados, etc. Una vez se haya finalizado la instalación en tierra, se iniciará la colocación principal descrita en el punto anterior.
iii. Colocación en zanjas submarinas
En las zonas sensibles, cuando la naturaleza del terreno lo permita, el cable se coloca en zanjas de 80 cm, a una profundidad entre 20 a 1500 m. Para ello el barco cablero remolca una especie de arado que hace un surco. El cable se desenrolla desde el mismo barco, pasa por el arado y se deposita en la zanja.
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Figura 24: Tendido de cable submarino con repetidores.
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5 Limitaciones del sistema
En la fibra óptica se presentan efectos que perjudican la transmisión de las señales, ya que degradan la calidad de la señal óptica, limitando el desempeño de las redes. Este apartado se centra en las limitaciones que afectan a las fibras monomodo, ya que en los enlaces submarinos son el tipo de fibra más utilizada. Estos efectos se clasifican, de forma general, como lineales y no lineales; entre los efectos lineales se tienen:
Atenuación. Dispersión cromática. Dispersión del Modo de Polarización (PMD).
Entre los efectos no lineales se encuentran:
Dispersión estimulada de Raman (SRS). Dispersión estimulada de Brillouin (SBS). Efecto Kerr.
En este apartado se explican las causas que provocan los diferentes efectos, en qué consisten y cuáles son sus consecuencias; así como la forma en la que se pueden evitar o compensar. También se explica cual es el proceso de medida para verificar que, una vez instalado, el sistema es viable.
5.1 Efectos lineales
Los tres efectos lineales más importantes que rigen la propagación de la señal en una fibra óptica monomodo son la atenuación y la dispersión cromática y la PMD[14] .
La magnitud de la atenuación y la dispersión cromática depende de la longitud de onda de la señal y determinan de manera importante las características de la propagación. La elección de la longitud de onda, o longitudes de onda, centrales de trabajo está estrechamente relacionada con estos dos efectos lineales. Las fibras ópticas utilizadas actualmente, especialmente en sistemas del larga distancia, presentan mínimos de atenuación en la banda de frecuencias alrededor de 1550nm, y se diseñan con un perfil de índice adecuado para controlar la dispersión cromática de la fibra.
Por otro lado, debido a que la geometría del núcleo de la fibra no es perfectamente circular, los dos modos fundamentales con polarizaciones ortogonales no se propagan a la misma velocidad. Este hecho está provocado por pequeñas asimetrías introducidas durante la fabricación o por tensiones en la fibra, que fuerzan a la misma a ser débilmente birrefringente introduciendo retardo de grupo entre las dos polarizaciones ortogonales. Así, las fibras ópticas monomodo soportan dos estados que presentan un retardo relativo de propagación entre ellos, lo que provoca el fenómeno conocido como dispersión de modo de polarización (PMD).
41 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
5.1.1 Atenuación
La atenuación es la disminución de la amplitud de la señal por el hecho de pasar por un tramo de fibra. En una fibra óptica dicha reducción de la potencia se produce de manera exponencial con respecto a la longitud recorrida. En líneas generales, las pérdidas de luz en la fibra óptica pueden dividirse en dos grandes categorías:
Atenuación extrínseca
Este tipo de atenuación está causada por efectos externos, y se originan por defectos en la geometría de la fibra, defectos del cableado y/o curvaturas.
Siempre que la fibra se vea sometida a una curvatura o pandeo se origina una atenuación adicional al producirse una radiación de modos que en condiciones normales permanecerían sin salirse del núcleo. Esta atenuación adicional varía exponencialmente con el radio de curvatura, pero estas pérdidas son inapreciables hasta que se sobrepasa la curvatura crítica.
Por otro lado, las pérdidas por irregularidades geométricas son originadas por defectos en la fibra causados por las limitaciones durante el proceso de fabricación y el mal uso de ésta en su transporte y/o instalación.
Atenuación intrínseca
Este tipo de atenuación depende de la composición del vidrio y no pueden eliminarse. Se pueden diferenciar tres causas de este fenómeno:
Efecto Rayleigh: La fibra está fabricada con dióxido de silicio. Cuando un fotón llega a
la molécula de , al tratarse de un material dispersivo, ésta lo re-radia de forma omnidireccional, atenuando la luz transmitida. Este efecto aumenta con la frecuencia, tal y como se puede observar en la Figura 25.
Figura 25: Efecto Rayleigh.
Absorción de infrarrojos: A partir de 1600nm la fibra de vidrio absorbe la luz. Este hecho queda reflejado en la Figura 26.
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Figura 26: Efecto Rayleigh y absorción de infrarrojos.
Absorción de los iones OH: Otro fenómeno determinante es la resonancia del ión OH,
que es una impureza del que se añade debido al proceso de fabricación. Este ión tiene múltiplos de su frecuencia de resonancia en las longitudes de onda de 1380, 950 y 720nm, y absorbe parte de la energía de la luz.
En la Figura 27 se puede observar la atenuación resultante de la fibra óptica en función de la longitud de onda. Hay tres frecuencias en las que ésta es mínima y es apropiado transmitir. Estas tres longitudes de onda reciben el nombre de ventas ópticas. La primer ventana corresponde a 850nm con una atenuación de 2 dB/km, la segunda a 1310nm con una atenuación de 0.8 dB/km y la tercera a 1550nm con una atenuación de 0.2 dB/km.
Figura 27: Atenuación en una fibra óptica.
5.1.2 Dispersión cromática
La dispersión es el fenómeno por el cual un pulso se deforma a medida que se propaga a través de la fibra óptica. Sin embargo, existen varios tipos de dispersión, como pueden ser, la dispersión modal y la dispersión cromática [14] , que es la que se trata en este apartado, y según la cual las diferentes componentes espectrales de una señal viajan a velocidades diferentes en la fibra.
El fenómeno de la dispersión cromática surge debido a dos razones:
43 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Dispersión material: es el principal causante de la dispersión, y consiste en que el índice de refracción del silicio, material usado para fabricar las fibras ópticas, depende de la frecuencia. Por ello, las distintas componentes frecuenciales, viajan a velocidades diferentes.
Dispersión de la guía: para comprender este fenómeno hay que recordar que la potencia de un modo se propaga parcialmente por el revestimiento. El índice efectivo de un modo se sitúa entre el índice de refracción del núcleo y del revestimiento, acercándose más a uno u otro dependiendo de cuál sea el porcentaje de la potencia que se propaga por ellos (si la mayor parte de la potencia está contenida en el núcleo, el índice efectivo está más cerca del índice de refracción del núcleo). Como la distribución de la potencia de un modo entre el núcleo y el revestimiento depende de la longitud de onda, si la longitud de onda cambia, la distribución de potencia también cambia, provocando un cambio en el índice efectivo o constante de propagación del modo.
Por lo tanto, aún en ausencia de dispersión material, es decir, aunque los índices de refracción del núcleo y del revestimiento sean independientes de la longitud de onda, si ésta varía, seguirá produciendo el fenómeno de la dispersión debido a la dispersión de la guía.
Para explicar este fenómeno de forma analítica, resulta de gran utilidad considerar un espectro centrado alrededor de una frecuencia . En el caso de que el ancho espectral total ( ) sea mucho menor que la frecuencia central ( ), podemos describir la constante de propagación en todo el rango espectral de interés mediante un desarrollo en serie de Taylor [27] :
Ecuación 1. Constante de propagación en todo el rango de interés.
Donde
Ecuación 2. Parámetro genérico .
Los parámetros , y nos aportan información acerca de la velocidad de fase y de grupo. La velocidad de fase ( ) es el cociente entre la frecuencia angular y la constante de propagación y puede entenderse como la velocidad a la que se propagan los frentes de una onda armónica (por ejemplo, producida por un láser continuo) a lo largo de la fibra. La velocidad de grupo, sin embargo, se define como la derivada de la frecuencia respecto a la constante de propagación y coincide con el inverso de :
Ecuación 3. Velocidad de grupo.
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La velocidad e grupo es la velocidad a la que se propaga la envolvente de la variación lenta de una onda armónica (por ejemplo una sinusoide que modula la amplitud de salida de un láser). Ambas cantidades no son, en general, iguales, salvo que y se relacionen linealmente (lo cual no es cierto en general). Aunque no son iguales, la velocidad de fase y de grupo en fibras son muy parecidas y aproximadamente iguales a .
La relación entre y la velocidad de grupo es inmediata:
Ecuación 4. Relación entre y la velocidad de grupo es.
Siendo el retardo de grupo por unidad de longitud. mide la variación del retardo de grupo que experimentan las distintas componentes espectrales alrededor de la frecuencia central y por tanto es la responsable del ensanchamiento de los pulsos que se propagan en régimen lineal a lo largo de la fibra. Es por ello que a la cantidad de se le denomina dispersión de velocidad de grupo. A la hora de medir este parámetro se suele emplear otro con el que está directamente relacionado, denominado coeficiente de dispersión:
Ecuación 5. Parámetro de dispersión.
En términos de unidades, se mide en y en . La Figura 28 muestra las curvas de dispersión típica de las fibras comentadas en el apartado 3.3.1.
Figura 28: Curva de dispersión de tres tipos distintos de fibra: SMF- Fibra monomodo estándar, DSF- Fibra de dispersión desplazada y NZDF - NonZero Dispersion Fiber.
Una característica notable de todas las curvas es que la dispersión se anula para una cierta longitud de onda. A esta longitud de onda se la denomina longitud e de onda de dispersión nula ( ). Por encima de esta longitud de onda ( se dice que la fibra presenta un régimen de dispersión anómalo, mientras que por debajo de esta longitud de onda ( ) se dice que la propagación se efectúa en el régimen de dispersión normal.
45 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
La dispersión cromática de una fibra monomodo estándar viene representada por la Ecuación
6, donde es el parámetro de dispersión cromática, L la longitud del enlace y el ancho de banda de la fuente emisora[28] .
Ecuación 6. Ensanchamiento que sufre el pulso.
Dependiendo de la codificación utilizada la dispersión cromática ha de cumplir:
Ecuación 7. Condición según la codificación utilizada que debe cumplir la dispersión cromática en función del
tiempo de bit ( ).
Si la codificación utilizada es la NRZ (Non Return to Zero) se considera que la dispersión del bit no interfiere más allá de la cuarta parte del tiempo de bit. Mientras que si se utiliza la codificación RZ (Return to Zero) se considera que la dispersión del bit no interfiere más allá de la mitad del tiempo de bit.
Existen fibras NZDF que poseen un parámetro de dispersión cromática negativo operando en tercera ventana, este tipo de fibras son utilizadas para compensar la dispersión cromática del enlace.
5.1.3 PMD
La PMD (Polarization Mode Dispersion) es un efecto limitador en los sistemas de transmisión de fibra óptica de alta velocidad (≥10Gbps) y de larga distancia. Produce ensanchamientos de los pulsos ópticos transmitidos, lo que provoca interferencia entre símbolos y, por lo tanto, un aumento de la tasa de error de bit (BER) [29] .
Las principal causa de la PMD es la no circularidad del núcleo de la fibra, es decir cuando las dos componentes ortogonales de polarización del modo fundamental de propagación
viajan, a distinta velocidad de grupo, llegando en distintos tiempos al final de la fibra óptica monomodo, ensanchando y distorsionando los pulsos [30] . Esta diferencia de retardo entre los modos de polarización se denomina retardo diferencial de grupo o DGD (Differencial Group Delay). Este parámetro se utiliza para determina la PMD.
Esta variación de la velocidad de grupo se produce por las características birrefringentes del medio de transmisión: la fibra óptica. La birrefringencia es el cambio en el índice de refracción de los ejes transversales de la fibra óptica. En otras palabras, cada modo de polarización de la luz se propaga en un medio con un valor distinto de índice de refracción, lo que implica que la señal original se comporte como dos ondas independientes que viajan a velocidades diferentes a lo largo de la fibra óptica. Este comportamiento se representa en la Figura 29.
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Figura 29: Retardo entre polarizaciones ortogonales debido a la dispersión de los modos de polarización.
La birrefringencia tiene un carácter aleatorio en función de la distancia y del tiempo, lo que implica que el DGD varía de la misma forma. Este carácter aleatorio hace imprescindible un esquema de compensación de PMD de tipo dinámico. Además, las técnicas y planes de medición tienen que realizarse teniendo en cuenta las características variantes de este fenómeno.
La PMD puede ser causada de forma extrínseca (manipulación durante la instalación, causas medioambientales ,etc.) o intrínseca (proceso de fabricación). El fabricante indica el valor de la PMD durante el proceso de fabricación pero, normalmente aumenta durante el proceso de instalación.
Debido al carácter aleatorio de este fenómeno no existen compensadores de la PMD [31] , es por esto que es considerado uno de los mayores factores de limitación de las comunicaciones ópticas. El ensanchamiento provocado por la PMD es menor que el provocado por la dispersión cromática, pero este último fenómeno se puede compensar, mientras que la PMD no. Para asegurar el buen funcionamiento del sistema se fija la DGD máxima a una decima parte del tiempo de bit. La PMD afecta sobre todo a los sistemas que utilizan velocidades de transmisión altas, ya que a medida que se aumenta la velocidad, el tiempo de bit ser hace más pequeño, al igual que la DGD máxima. Por lo tanto el margen es menor. Su control se está convirtiendo en un aspecto esencial de las comunicaciones ópticas, ya que limita fuertemente la capacidad de transmisión a altas velocidades.
5.2 Efectos no lineales
El hecho de asumir que los sistemas de comunicaciones ópticas se comportan linealmente es una aproximación adecuada cuando se opera a unos niveles de potencia moderados (unos pocos mW) y a velocidades de transmisión que no superen los 2.5Gbps. Sin embargo, a velocidades de transmisión o potencias superiores ya empiezan a ser importantes los efectos de las no linealidades, y en el caso de sistemas WDM estos efectos son importantes incluso con potencias y velocidades de transmisión moderadas, condicionando el número de canales del sistema y la separación entre ellos. Este tipo de efectos, a diferencia de los lineales, dependen de la intensidad de la señal. La presencia de los efectos no lineales en la fibra óptica tiene dos causas principales:
47 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Para altos niveles de potencia se producen efectos de dispersión, debido a la interacción de las ondas de luz con los fonones (vibraciones moleculares) en el silicio. Este fenómeno puede inducir efectos estimulados como:
o Dispersión estimulada de Raman o SRS (Stimulated Raman Scattering). o Dispersión estimulada de Brillouin o SBS (Stimulated Brillouin Scattering).
La dependencia del índice de refracción con la intensidad del campo aplicado (Efecto Kerr); los efectos a través de los cuales se manifiesta son:
o Auto-modulación de fase o SPM (Self Phase Modulation). o Modulación de fase cruzada o XPM (Cross Phase Modulation). o Mezcla de cuatro ondas o FWM (Four Wave Mixing).
5.2.1 Efecto Raman
El efecto Raman consiste en la interacción entre los fotones que inciden sobre el material y las vibraciones que tienen las moléculas o los átomos de este y, reciben el nombre de fonones ópticos. La onda luminosa incidente dispersada por las moléculas sufre un desplazamiento en frecuencia, y da lugar al surgimiento de dos frecuencias: una de menor valor que la frecuencia de la radiación óptica, denominada frecuencia de Stokes y, otra de mayor frecuencia denominada anti-Stokes.
La SRS es un efecto de banda ancha mediante el cual si se introducen en una fibra dos o más señales separadas por la frecuencia de Stokes, se produce una transferencia de potencia de la señal de mayor frecuencia a la de menor frecuencia. Además, el acoplo de potencia se puede producir tanto en el sentido de la propagación de las señales como en el sentido inverso, siempre y cuando en ese momento haya presencia de potencia en los dos canales [32] .
La interacción entre la onda incidente y la onda Stokes (onda a la se le transfiere la potencia) está gobernada por [33] :
Ecuación 8. Interacción entre la onda incidente y la onda Stokes.
Donde es la intensidad de la onda incidente, es la intensidad de la onda Stokes, los términos y son los coeficientes de absorción de la onda incidente y Stokes respectivamente y es el coeficiente de ganancia de Raman, que depende de la composición del núcleo de la fibra. En la Figura 30 se puede ver el coeficiente para una fibra de silicio en función del desplazamiento de frecuencia a una longitud de onda .
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Figura 30: Coeficiente para una fibra de silicio a una .
Lo más destacable de la ganancia Raman es que se extiende a lo largo de un gran rango de frecuencias (hasta 40THz), y para una longitud de onda de alcanza un valor máximo de aproximadamente para un desplazamiento de frecuencia de 13.8THz.
Por otra parte, en la SRS existe una potencia umbral que se define como la potencia de la onda incidente para la cual las dos ondas, incidente y Stokes, tienen a la salida de la fibra la misma potencia [32] [33] . Es decir, es la potencia que indica una degradación del sistema de 3 dB. Mediante la Ecuación 9 queda representada una buena aproximación para esta potencia umbral:
Ecuación 9. Potencia crítica de Raman de un sistema con un único canal.
Donde es la longitud efectiva de la fibra, y b refleja las polarizaciones relativas de las dos ondas y las propiedades de polarización de la fibra. Este parámetro solamente puede tomar dos valores dependiendo del tipo de fibra utilizada [28] :
Fibra mantenedora de la polarización (PMF): b=1. Fibra no mantenedora de la polarización: b=2.
El peor de los casos es cuando se trata de una fibra PMF, ya que la potencia umbral es menor. En los sistemas de comunicaciones ópticas submarinos normalmente se utilizan fibras no PMF.
Del mismo modo, también existe una potencia umbral para la onda de Stokes que se puede generar en el sentido opuesto al de la propagación de la onda incidente, y la expresión es similar, sin más que sustituir el valor 16 por 20. Como el umbral para la SRS en la misma dirección de propagación de la luz se alcanza antes que el umbral para la SRS en dirección contraria, esa es la razón por la cual éste último no se suele tener tanto en cuenta en el estudio de los sistemas de comunicaciones ópticas.
En sistemas WDM existen multitud de canales y las señales a longitudes de onda superiores serán amplificadas por los canales situados a longitudes de onda inferiores. En la región de
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1550nm el perfil de ganancia Raman del silicio acopla canales separados hasta 100nm, por lo que la degradación se producirá para potencias ópticas bastante inferiores a las de los sistemas con un único canal [28] .
A partir de la Ecuación 10 se puede observar la condición que ha de cumplir un sistema de N canales con una distancia entre frecuencias transmitiendo una potencia P, para minimizar las degradaciones debidas a la SRS y no sufrir una atenuación superior a 1 dB:
Ecuación 10. Potencia crítica de Raman de un sistema WDM.
Por último cabe destacar que para reducir los efectos de la SRS conviene reducir al máximo el espaciado entre canales y no superar la potencia crítica.
5.2.2 Efecto Brillouin
El origen de la SBS es similar al de la SRS: un fotón de la onda incidente desaparece para dar lugar a un fotón de frecuencia inferior y un fonón con la energía y el momento adecuado. Sin embargo existen algunas diferencias. En la SBS la onda Stokes se propaga en el sentido opuesto al de la onda incidente, mientras que en la SRS puede propagarse en los dos sentidos; y el umbral de potencia depende de la anchura espectral de la onda incidente. Esta diferencias se deben a que en la SBS se ven involucrados fonones acústicos en lugar de ópticos como es el caso de la SRS [32] . El desplazamiento de frecuencia queda expresado en la Ecuación 11:
Ecuación 11. Frecuencia del desplazamiento.
Donde n es el índice de refracción del núcleo y es la velocidad del sonido (en el silicio es de 5700m/s).
En la SBS la ganancia es conocida como ganancia de Brillouin, su espectro tiene una anchura de aproximadamente 20MHz, y también depende de la composición del núcleo de la fibra. El coeficiente de ganancia , es casi independiente de la longitud de onda incidente y su valor máximo para fibras de silicio es de aproximadamente y lo alcanza para un desplazamiento de frecuencia de 11GHz trabajando a 1550nm.
Sin embargo, cuando la anchura espectral de la onda incidente es superior a la anchura del espectro de la ganancia [28] , ésta se ve reducida:
Ecuación 12. Ganancia de Brillouin cuando el ancho de banda de la onda incidente es superior 20MHz.
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Donde equivale al ancho de banda de la ganancia (20MHz) y equivale al ancho de banda de la onda incidente. Por lo tanto, para el caso de pulsos con un ancho de banda lo suficientemente pequeño, el valor del coeficiente puede caer por debajo del coeficiente de .
La interacción entre la onda incidente y la onda Stokes está determina por la Ecuación 13, similar a la de SRS [33] [34] :
Ecuación 13. Interacción entre la onda incidente y la onda Stokes.
En este caso cambia el signo de la derivada , para tener en cuenta el sentido opuesto de la propagación de la onda de Stokes. Además como la onda incidente y la onda de Stokes tienen frecuencias muy próximas el cociente de frecuencias se puede considerar igual a 1 y el coeficiente de absorción es único e igual a .
Con respecto a la potencia crítica en el SBS [28] , una buena aproximación se representa en la Ecuación 14:
Ecuación 14. Potencia crítica de Brillouin.
El umbral de la SBS es independiente del número de canales del sistema, es decir, este efecto queda restringido a cada canal individual, no se traduce en efectos de diafonía y apenas tiene influencia en los sistemas WDM [28] . También introduce un ruido significativo en el sistema, que degrada el BER del mismo.
El control del SBS es importante en los sistemas de transmisión de elevada velocidad que emplean moduladores externos y fuentes láser de onda continua (CW). Finalmente cabe decir, que para reducir los efectos de la SBS se puede optar por aumentar el ancho de banda de la onda incidente para así disminuir la ganancia de Brillouin o también procurar no superar la potencia umbral.
5.2.3 Effecto Kerr
La respuesta de cualquier dieléctrico a campos electromagnéticos intensos es una respuesta no lineal. Por lo tanto, al aplicar un campo eléctrico a una fibra óptica, aparece un campo de polarización eléctrica inducida , como se observa en la Ecuación 15, que resulta no ser lineal con el campo . En condiciones de homogeneidad, isotropía, pero no de linealidad este campo se puede expresar como [35] :
51 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Ecuación 15. Campo de polarización eléctrica inducida.
Donde corresponde a la polarización en condiciones de linealidad y representada mediante la Ecuación 16, se denomina polarización no lineal, que como su nombre indica surge debido a las condiciones de no linealidad.
Ecuación 16. Campo de polarización no lineal.
Donde recibe el nombre de susceptibilidad no lineal de tercer orden. La susceptibilidad no lineal de segundo orden no se tiene en cuenta por carecer de importancia en materiales con simetría molecular como es el caso del .
El índice de refracción está relacionado con las susceptibilidad por la Ecuación 17:
Ecuación 17. Relación entre el índice de refracción y la susceptibilidad.
Operando, finalmente se obtiene la Ecuación 18. En ella se demuestra que el índice de refracción depende de la intensidad [28] :
Ecuación 18. Relación entre el índice de refracción y la intensidad óptica.
Siendo el índice de refracción ordinario asociado a cada material y el índice de refracción dependiente de la intensidad óptica (Potencia por unidad de área efectiva).
En el caso del dióxido de silicio el valor del índice de refracción no lineal , es . Este número tiene en cuenta el promedio del estado de polarización de la luz a medida que viaja por la fibra. A pesar de su reducido valor, las elevadas longitudes de interacción típicas de los enlaces ópticos magnifican estos efectos no lineales.
El efecto Kerr se puede separar en tres contribuciones diferentes que están en realidad estrechamente relacionadas. Cuando una señal viaja sola a través de la fibra, su potencia modulada induce una auto-modulación de fase (SPM). Por el contrario, la presencia de varios canales en una transmisión WDM genera en cada señal una modulación de fase cruzada (XPM). Para el caso particular de las señales WDM, el efecto Kerr produce FWM. Cada una de estas contribuciones se describe en los siguientes apartados.
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5.2.3.1 SPM
El efecto SPM surge debido a que el índice de refracción de la fibra tiene una componente dependiente de la intensidad. Este índice de refracción no lineal induce un desplazamiento de fase que es proporcional a la intensidad del pulso. De esta forma, las diferentes partes del pulso sufren diferentes desplazamientos de fase, lo que provoca que el pulso adquiera un cierto chirp, que a su vez modifica los efectos de la dispersión sobre el pulso. Para comprender los efectos de la SPM [36] , se puede considerar un sistema de un único canal donde el campo eléctrico queda representado en la Ecuación 19:
Ecuación 19. Campo eléctrico en el interior de la fibra.
En presencia de no linealidades en la fibra, para determinar cómo evoluciona dicho campo a lo largo de la fibra se necesita hallar la constante de propagación . Al resolver la ecuación de ondas que incluye los efectos de las no linealidades, se puede observar en la Ecuación 20 que la ecuación simplificada para la constante de propagación es la siguiente [33] :
Ecuación 20. Ecuación simplificada de la constante de propagación .
De esta forma el campo eléctrico es una sinusoide cuya fase cambia con .
Puesto que la relación entre y el índice de refracción en el régimen lineal es , la ecuación anterior se puede interpretar como una dependencia del índice de refracción con la intensidad, representada en la Ecuación 18.
Debido a la SPM, la fase del campo eléctrico contiene un término que es proporcional a la intensidad de campo. Por lo tanto, cada parte del pulso sufrirá un desplazamiento de fase diferente dependiendo de la amplitud de cada una de estas partes.
El signo del desplazamiento de fase debido a la SPM es negativo, por lo tanto el pico del pulso sufre el máximo desplazamiento de fase en valor absoluto, y los bordes sufren unos desplazamientos de fase cada vez menores. Ya que la frecuencia es la derivada de la fase, el borde de atrás del pulso sufre un desplazamiento de frecuencia negativo y el de delante uno positivo. Por último, como el chirp es proporcional a la derivada de la frecuencia, esto implica que el factor de chirp es positivo. Así se llega a la conclusión de que la SPM induce un chirp positivo en los pulsos [35] .
Este efecto no lineal resulta especialmente perjudicial en combinación con la dispersión cromática de la fibra, ya que esta última convierte las variaciones de fase en variaciones de intensidad que limitan las prestaciones del sistema a la salida del fotodetector.
53 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
La SPM afecta a sistemas con una única portadora que utilizan una detección por fase, provocando una degradación del funcionamiento del sistema. Por el contrario, no afecta a los sistemas IM/DD [28] .
5.2.3.2 XPM
La XPM surge debido a que el índice de refracción efectivo para una onda depende no sólo de la intensidad de ésta, sino también de la intensidad de cualquier otra onda que se propague junto a ella. Por este motivo, en sistemas WDM, el desplazamiento de fase dependiente de la intensidad del campo y el consecuente chirp inducido por el efecto de la SPM se agrava a causa de las intensidades de las señales de otros canales. Para comprender los efectos de la XPM [36] es suficiente con considerar un sistema WDM con dos canales, representado por la Ecuación 21.
Ecuación 21. Campo eléctrico en el interior de la fibra.
Resolviendo la ecuación de onda que incluyen los efectos de las no linealidades, se puede encontrar que el campo eléctrico resultante tiene una componente sinusoidal en que a medida que se propaga a través de la fibra adquiere una fase no lineal dependiente de la intensidad, dada por la Ecuación 22:
Ecuación 22. Fase no lineal del sistema.
El primer término se debe a la SPM, mientras que el efecto del segundo término es lo que se denomina modulación de fase cruzada o XPM. Se puede observar que si , para que los dos campos tengan la misma intensidad, el efecto de la XPM es dos veces peor que el de SPM. Además, como el efecto de la XPM es cualitativamente similar al de la SPM, es lógico esperar que la XPM aumente el chirp agravando los consecuentes efectos del ensanchamiento del pulso en sistemas WDM.
En la práctica, el efecto de la XPM en sistemas WDM que operan sobre fibras monomodo se puede reducir de forma significativa aumentando el espaciado entre los canales. Así, debido a la dispersión, las constantes de propagación llegan a ser lo suficientemente diferentes como para que los pulsos de cada canal viajen de forma independiente.
La XPM afecta a sistemas WDM que utilizan una detección por fase, provocando una degradación del funcionamiento del sistema. Al igual que con la SPM, no afecta a los sistemas IM/DD [28] .
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5.2.3.3 FWM
La mezcla de cuatro ondas (FWM) es una no-linealidad de tercer orden, la cual es análoga a la distorsión de intermodulación en sistemas eléctricos. Al igual que la SPM y la XPM, la FWM se genera a causa de que el índice de refracción del sílice depende de la intensidad; sin embargo, su impacto en el comportamiento de un sistema WDM es completamente distinto [33] . En la FWM, la mezcla entre dos canales de un sistema WDM a su frecuencia diferencia modula la fase de uno de los canales a esa frecuencia, generando de este modo nuevos tonos como bandas laterales. Cuando interactúan tres señales de frecuencias (k ≠ de i y j) mediante la susceptibilidad eléctrica de tercer orden, generan una señal de frecuencia . En sistemas WDM con canales igualmente espaciados, todos los productos de intermodulación generados por la FWM en el ancho de banda del sistema, caen a las frecuencias del canal lo que da origen a diafonía.
Asumiendo que las señales de entrada no sufren desvanecimiento por la generación de productos de mezcla [36] , la potencia del producto de mezcla viene dada por la Ecuación 23:
Ecuación 23. Potencia del producto de mezcla.
Donde es el coeficiente no-lineal, depende del número de ondas que se mezclan ( si hay dos ondas y si hay tres ondas). es la longitud efectiva de la fibra y son las potencias de pico de entrada de los canales. La es la eficiencia (en función de la separación entre canales y el tipo de fibra óptica utilizada) y viene expresada mediante la Ecuación 24 [33] :
Ecuación 24. Potencia del producto de mezcla.
es la diferencia de las constantes de propagación de las distintas señales, debido a la dispersión:
Ecuación 25. Potencia del producto de mezcla.
Los sistemas WDM de alta velocidad requieren de forma simultánea alta potencia inyectada y baja dispersión. Esto intensifica mucho la eficiencia de la generación FWM, haciendo que se la FWM el efecto no-lineal dominante en estos sistemas [35] .
El efecto de la FWM en el comportamiento de un sistema WDM amplificado se puede tratar en término de degradación de la SNR óptica.
Puesto que la FWM es el efecto dominante en sistemas WDM, ha recibido una atención considerable y se han propuesto varios métodos para suprimirla. Si se usan señales polarizadas
55 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial ortogonalmente se puede suprimir la FWM, debido a su fuerte dependencia con la polarización. Sin embargo, la dispersión de la polarización del modo cambia las polarizaciones relativas e introduce un desvanecimiento que varía lentamente, de forma que incluso una pequeña PMD sirve para hacer irrelevantes los estados iniciales de polarización de los canales en un sistemas WDM de gran longitud. El aumento del espaciado entre canales se puede usar para reducir la eficiencia de generación de productos de mezcla, pero la mejora se logra a expensas del ancho de banda óptico. La inversión espectral se puede usar en principio para eliminar la FWM, aunque la naturaleza sensible a la fase y a la polarización de la FWM la convierte en un desafío a la hora de utilizar con éxito esta técnica en un sistema de larga longitud. También existe la técnica del espaciamiento proporcional a los números primos de las frecuencias entre canales.
A continuación [36] , se describen brevemente dos esquemas que permiten una casi completa eliminación de los efectos perjudiciales de la FWM: espaciamiento desigual de las frecuencias de canal y gestión de la dispersión de la fibra. Estos dos métodos permiten el uso de transmisores convencionales y no requieren dispositivos adicionales en la línea de transmisión. Son perfectamente compatibles y se pueden combinar para alcanzar una mayor supresión de los efectos negativos de la FWM que la conseguida por las dos técnicas de forma separada.
Espaciamiento proporcional a los números primos de las frecuencias de canal
La degradación de la FWM resulta principalmente de la interferencia coherente en el detector entre las señales de mezcla y la señal óptica principal. Si los canales se organizan de manera que ningún producto de mezcla caiga en cualquiera de los canales, se puede evitar esta diafonía. Puesto que los sistemas WDM típicos usan grandes espaciados entre canales comparados con el ancho de banda de las señales, existe la posibilidad de utilizar ese ancho de banda para colocar los productos de mezcla lejos de los canales. Si se utiliza esta técnica cabe recalcar que no se cumplirá la canalización establecida por la ITU.
Gestión de la dispersión
La dispersión cromática de la fibra juega un papel fundamental a la vez que paradójico en sistemas de transmisión WDM de alta velocidad. Por una parte, hace imposible la transmisión de pulsos ópticos cortos; y por otra parte, es una muy útil herramienta a la hora de eliminar la FWM [34] .La gestión de la dispersión asegura que ninguna fibra de la ruta de transmisión tiene una longitud de onda de dispersión cero cerca de las longitudes de onda de señal, pero la dispersión total acumulada para las señales entre el transmisor y el receptor es aproximadamente igual a cero.
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5.3 BER y penalización de potencia
Para evaluar el correcto funcionamiento del enlace óptico, es necesario utilizar parámetros que permitan medir cuantitativamente el comportamiento del sistemas, es decir, la calidad del sistema de transmisión.
El parámetro más importante utilizado en comunicaciones ópticas es la tasa de error de bit o BER (bit error rate), que representa el número esperado de bits que se han transmitido erróneamente. Los sistemas ópticos actuales trabajan con una tasa de error extremadamente baja. Para los sistemas de telecomunicaciones se requiere que el BER < , es decir, un bit erróneo por cada Terabit transmitidos. Éste parámetro se mide en función de la potencia óptica media recibida.
Una vez instalado el sistema de comunicaciones ópticas, realizar una medida por separado de las no-linealidades es muy complicado. El objetivo es obtener un BER lo más bajo posible, por lo tanto, se realiza la medida de la penalización de potencia que no distingue entre los diferentes efectos limitadores, pero aporta información de la bondad del sistema.
La medida comienza con la configuración back-to-back, mediante la cual se consigue caracterizar la calidad del dispositivo receptor de forma independiente. Para ello, se conecta el transmisor directamente con el receptor a través de un atenuador óptico variable, conjuntamente con un atenuador que simule las pérdidas que proporciona la fibra, tal y como se representa en la Figura 31. De este modo, y dado que la calidad de la señal transmitida es lo suficientemente buena, esta medida se refiere únicamente a las prestaciones del receptor óptico.
Atenuador Tx Atenuador Rx variable
Figura 31: Configuración de la medida sin tener en cuenta la dispersión de la fibra.
Para cada valor de atenuación óptica (que se corresponde con un valor de potencia de recepción), se ajusta el umbral de decisión óptimo y se mide el BER.
A continuación se inserta el sistema bajo test, representado mediante la Figura 32, y se repite la medida. Si el sistema añade ruido o cualquier tipo de degradación que modifique la señal, entonces dichos efectos quedan reflejados en la curva del BER.
57 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Atenuador Tx Rx variable
Figura 32: Configuración de la medida teniendo en cuenta la dispersión de la fibra.
Este proceso se lleva a cabo con diferentes potencias de entrada y se obtiene una gráfica con diferentes curvas (cada una representa los diferentes niveles potencias que el transmisor inyecta en la fibra) en función de un determinado nivel de BER y la potencia de salida del sistema.
La penalización de potencia (dB) es la diferencia de potencia que hay entre la curva que solo tiene en cuenta las prestaciones del receptor óptico y la curva de potencia de entrada deseada, fijando un determinado nivel de BER. Esta medida se puede observar en la Figura 33.
BER
-7 10 Att -5dBm 0dBm -9 10 5dBm
-12 10
-15 10 3dB
-33dBm -30dBm -20dBm Prx
Figura 33: Medida de la penalización de potencia del sistema. (Gráfica orientativa)
En la grafica se observa que para obtener un nivel de BER de con una potencia de entrada de -5dBm, por culpa de las limitaciones del sistema, tendremos una penalización de 3 dB.
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6 Diseño de un enlace óptico submarino
Una vez estudiados todos los parámetros y componentes que forman un sistema de comunicaciones ópticas submarino de forma teórica, se procede a realizar de forma práctica dicho enlace.
En este apartado se establecen las especificaciones y requisitos del enlace a diseñar y se definen todos los parámetros y dispositivos que intervienen en éste, utilizando componentes reales que se encuentran en la actualidad en el mercado. Así como, se determina si su implementación es viable desde un punto de vista técnico.
6.1 Especificaciones del proyecto
Como ya se ha comentado con anterioridad, en este proyecto se realiza el diseño del enlace entre la capital de Guinea Ecuatorial, Malabo, situada en la isla de Bioko; y la ciudad más importante del país en el continente, Bata. En la Figura 34 se representa la ruta prevista para este enlace, basada en el trazado similar de un cable de fibra óptica ya colocado, el CEIBA-1. [37]
Malabo
Bata
Figura 34: Trazado del enlace Malabo-Bata.
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La ruta se ha realizado mediante el programa Google Earth y las profundidades marinas a las que se verá sometido el cable, se han realizado mediante el estudio de una carta marítima de la zona representada en la Figura 35. Para asegurar que los datos son fiables un grupo especializado a bordo de un buque de exploración debe seguir la ruta marcada en la Tabla 5.
Tabla 5. Coordenadas emplazamiento
Índice Coordenadas
Enlace Malabo 3º45'38.26'' N 8º47'23.22'' E Primer tramo 3º46'25.81'' N 8º47'40.21'' E Segundo tramo 3º47'18.93'' N 8º52'23.48'' E Tercer tramo 3º47'10.41'' N 8º55'22.33'' E Cuarto tramo 3º36'10.41'' N 9º16'30.07'' E Quinto tramo 3º22'26.23'' N 9º28'12.30'' E Sexto tramo 3º04'48.25'' N 9º39'11.56'' E Séptimo tramo 2º47'14.21'' N 9º47'07.83'' E Octavo tramo 2º26'24.20'' N 9º40'30.39'' E Noveno tramo 1º58'56.94'' N 9º41'09.25'' E Décimo tramo 1º56'27.66'' N 9º42'37.78'' E Enlace Bata 1º52'57.94'' N 9º47'18.95'' E
Este enlace se realiza en el Océano Atlántico y éste abarca profundidades desde pocos metros bajo el nivel del mar hasta los 1500 metros. Existe una cordillera que separa un valle de fondos bastante profundos con suelos más elevados y óptimos para el tendido del cable. Es por ello que se ha elegido una propuesta de ruta bordeando dicha cordillera.
Figura 35: Carta náutica de Guinea Ecuatorial.
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Para profundidades inferiores a los 20 metros, se han de cavar zanjas para enterrar los cables y así evitar su deterioro con las redes y las anclas de las embarcaciones que estén por la zona. También se ha de evitar sumergir el cable a más de 1500 metros (aunque lo cables submarinos están preparados para alcanzar profundidades de hasta 8km), ya que a partir de esta profundidad las tareas de reparación y mantenimiento se dificultan mucho, así como la cantidad de cable utilizado en el diseño.
La conexión submarina cubre en línea recta una distancia de 236 kilómetros, situando el origen en la Bahía de Venus, en Malabo, y el destino en la Bahía de Bata dentro del Golfo de Biafra, en Bata. Teniendo en cuenta que el trayecto no es en línea recta y contemplando las profundidades marinas a las que se somete el cable, representado en la Figura 36. La longitud final del cable aumentará aproximadamente hasta los 290 km.
km
m Figura 36: Perfil aproximado del fondo marino del enlace.
Las zonas geográficas donde está previsto situar las estaciones terminales son de composición arenosa, permitiendo enterrar el cable y así aumentar la seguridad de éste. La localización de ambas estaciones está situada en zonas de acceso público y permite el fácil uso de la red telefónica existente, de esta manera se facilitan las tareas de instalación y se genera un menor daño al entorno.
En este proyecto está previsto instalar un cable de fibra óptica submarino con capacidad para 48 fibras, de las cuales se utilizarán 4 para los enlaces ascendentes (transmisión), 4 para los enlaces descendentes (recepción) y las otras 40 fibras restantes se dejarán libres para ser utilizadas en caso de fallada o para futuras ampliaciones del sistema. El enlace ha de estar diseñado para soportar tasas de bits de STM-64 (10Gbps), con una capacidad total de 320Gbps. Este valor es suficiente para abastecer la demanda de la zona [38] y con la fibras oscuras restantes es posible asumir un aumento de la demanda en los próximos 25 años.
61 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
6.2 Diseño del sistema
En este apartado se realiza la elección de los diferentes componentes que forman el sistema de comunicaciones ópticas submarino teniendo en cuenta las especificaciones del proyecto. Mediante una pequeña comparativa se seleccionan los dispositivos con mejores prestaciones así como, se realiza el cálculo de las limitaciones del sistema. Este cálculo puede provocar la variación de los componentes seleccionados en un principio y/o la adición de nuevos dispositivos para lograr que el sistema trabaje en óptimas condiciones.
Los componentes seleccionados en este proyecto han sido elegidos según sus características, detalladas en las hojas de especificaciones generales que ofrecen un amplio margen de valores. A la hora de implementar el diseño, éstos se encargan al fabricante y éste proporciona los componentes con una hoja de especificaciones con los valores exactos de los parámetros según su proceso de fabricación.
6.2.1 Elección de los componentes
Como se ha comentado en el apartado 6.1, el sistema está formado por 48 fibras, de las cuales se utilizan 8. Para maximizar su rendimiento se implementará un sistema WDM de 4 portadoras (4x10Gbps) en cada fibra. El sistema utilizado es OOK en formato NRZ e IM/DD. Todas las fibras trabajan a la misma velocidad y tienen el mismo número de portadoras, por lo que este apartado se centra en la elección de los componentes de una única fibra, que serán los mismos para el resto. En la Figura 37 se observa la estructura que tiene el sistema por cada fibra.
Tx Rx
Tx Rx MUX DMUX Tx Rx
Tx Rx
Figura 37: Estructura del sistema por cada fibra. Transmisor(Tx), receptor (Rx), multiplexor (MUX) y demultipexor (DMUX).
Al tratarse de un sistema WDM es necesario tener tantos transmisores y receptores como portadoras, todas ellas se montan en una única fibra mediante un multiplexor y se separan en su destino mediante un demultiplexor. Por lo tanto los dispositivos a escoger son:
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Transmisor
Existen a grandes rasgos dos tipos de transmisores de fibra óptica: El láser y el LED. Las principales características del primer tipo, que hacen que sea el más indicado para este enlace, son: Tiene un ancho de banda espectral estrecho, permitiendo la utilización de fibras monomodo; una potencia de pico elevada, imprescindible para salvar la distancia entre estaciones terminales; y permiten modular la señal que producen, en este caso la señal ha de ir modulada a 10Gbps [39] .
Por contra, hay que tener en cuenta que se trata de un dispositivo no-lineal, que es muy sensible y por ello necesita un control de temperatura y potencia para su correcto funcionamiento y, que la longitud de onda de emisión depende del material.
El enlace tiene una distancia de 290 km, al tratarse de una longitud elevada es muy importante que la atenuación que presente la fibra sea mínima, por este motivo se escoge transmitir en la tercera ventana de transmisión que es la que presenta una menor atenuación. Por lo tanto, el láser ha de ser capaz de trabajar en dicha ventana.
Otro requisito es el de implementar un sistema WDM, de esta manera es imprescindible que el láser presente un único modo frecuencial y que éste sea lo suficientemente estrecho como para permitir que puedan viajar más de una señal por la fibra.
De esta manera queda descartado el láser Fabry-Perot, debido a que el ancho de banda espectral presenta modos laterales que imposibilitan la implementación de sistemas WDM. También quedan descartados los láseres sintonizables (TDBR y SGTDBR), ya que en este diseño no se requieren. Finalmente quedan el láser DBR y el DFB, ambos tienen un espectro estrecho, el primero es muy eficiente si se utiliza modulación interna mientras que el último es muy eficiente si se utiliza modulación externa además, este tipo de láser es el más usado actualmente.
Por lo tanto, el láser utilizado en el diseño de este enlace es el DFB D2500P Laser 2000 de la empresa Lucent. Este tipo de láser ha sido diseñado para ser utilizado con un modulador externo de niobatio de litio. Aparte del láser DFB, este módulo contiene una fibra mantenedora de la polarización que permite conectar el dispositivo directamente al modulador sin necesidad de utilizar un controlador de la polarización. Este dispositivo está especialmente indicado para las aplicaciones submarinas con velocidades de 10Gbps. Las principales características ópticas del láser quedan reflejadas en la Figura 38.
63 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Figura 38: Tabla de las características ópticas del láser DFB.
El modulador externo de 10Gbps escogido es el Lithuium Niobate SLIM-PAC, también de la empresa Lucent. Este dispositivo, a partir de la señal que le llega del láser DFB, proporciona una salida óptica variable en el tiempo. Éste está diseñado para eliminar la necesidad de exigir rendimiento de alta velocidad al láser, haciendo que se reduzca su coste. Las principales características ópticas del modulador se pueden observar en la Figura 39.
Figura 39: Tabla de las características ópticas del modulador de 10Gbps.
La configuración típica de ambos dispositivos se especifica en la Figura 40. La información proveniente de la red de telefonía se conecta directamente al modulador que está gobernado mediante un circuito de control automático. El láser, que está directamente conectado al modulador, le proporciona la señal óptica.
Figura 40: Esquema del conexionado típico entre el láser DFB y el modulador.
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Receptor
El fotodetector se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica. En los sistemas de transmisión digital el receptor debe producir una secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje transmitido. Las características eléctricas principales que debe tener son:
Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación. Contribución mínima al ruido total del receptor. Ancho de banda grande (respuesta rápida).
Estos fotodetectores son diodos semiconductores que operan polarizados inversamente. Durante la absorción de la luz, cuando un fotodetector es iluminado, las partículas de energía luminosa, también llamadas fotones, son absorbidas generando pares electrón - hueco, que en presencia de un campo eléctrico producen una corriente eléctrica.
En este apartado se consideran dos tipos de diodos detectores de luz: El PIN y el APD [39] . La gran diferencia entre ambos receptores es que el primer tipo genera un único electrón por fotón detectado, mientras que el segundo tipo genera una avalancha de cargas. Esto se traduce en que el fotodetector PIN tiene una menor sensibilidad que el APD. El problema es que los receptores ADP necesitan compensadores de temperatura ya que su ganancia depende de ella y existe un compromiso entre la ganancia intrínseca (factor multiplicativo M) que proporcionan y el factor de ruido.
El dispositivo escogido es el receptor 1319T de 10Gbps de Lucent, consta de un fotodetector de alta velocidad que puede funcionar como APD o como PIN, de esta manera con un único dispositivo se puede logar funcionar de la manera más óptima según las necesidades del diseño. Las principales características ópticas del receptor se pueden observar en la Figura 41.
Figura 41: Tabla de las características ópticas del receptor de 10Gbps.
65 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Fibra óptica
Como se ha comentado a lo largo de este apartado, la longitud de este enlace es de 290 km. Por este motivo es imprescindible utilizar fibras monomodo que permitan trabajar en tercera ventana con la menor atenuación posible. La fibra seleccionada es la SMF-28e de la empresa Corning, se trata de una fibra SMF estándar y sus características ópticas quedan detalladas en la Figura 42. La longitud de este modelo es de 50.4 km/bobina.
Figura 42: Tabla de las características ópticas de la fibra.
Cable submarino
Debido a las condiciones extremas a las que se ve sometida la fibra óptica en este tipo de medios, es imprescindible la utilización de algún tipo de protección. Es por ello que han ser recubiertas por distintos materiales que eviten la entrada de agua, que creen una barrera contra el hidrogeno y que eviten que las inclemencias meteorológicas las deterioren. El cable submarino elegido es el URC3 de la empresa Alcatel, tiene una capacidad de hasta 48 fibras y permite la elección de diferentes tipos de blindaje, que en este caso será de doble armadura
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puesto que el cable no va a ser sometido a grandes profundidades y corre el riesgo de ser deteriorado por las redes de pesca y las anclas de los buques.
Multiplexor
Es el dispositivo encargado de combinar las diferentes señales a transmitir en una única fibra. En este proyecto el objetivo es el de multiplexar 4 portadoras de 10Gbps en un única fibra mediante el dispositivo DWDMG2, el cual permite la inserción de 4 o 8 portadoras con un espaciado mínimo de 200GHz. Este dispositivo puede ser utilizado tanto para multiplexar como para demultiplexar la señal. Las principales características ópticas del multiplexor se pueden observar en la Figura 43.
Figura 43: Tabla de las características ópticas del multiplexor óptico.
67 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Las longitudes de onda centrales de cada canal vienen estipuladas por la ITU según el espaciamiento entre portadoras. En la Figura 44 se representan los diferentes canales que se pueden utilizar con una distancia entre portadoras de 200GHz.
Figura 44: Tabla de las longitudes de onda centrales según la normativa ITU, para una separación entre canales de 200GHz. (Fuentes: Telecom Engineering, Inc.)
Las portadoras del sistema se colocan teniendo en cuenta el margen de longitudes de onda en las que puede emitir el láser, recibir el fotodetector y respetando la canalización estipulada por la ITU que utiliza el multiplexor. La combinación de todos estos datos, teniendo en cuenta el caso más crítico (separación mínima entre portadoras de 200GHz) hace que las portadoras queden situadas como refleja la Tabla 6.
Tabla 6. Canalización portadoras
Portadora 1 Portadora 2 Portadora 3 Portadora 4 Canal 37 35 33 31 (nm) 1547.72 1549.32 1550.92 1552.52
6.2.2 Cálculo de las limitaciones del sistema
En este apartado se realiza el diseño de un enlace punto a punto teniendo en cuenta las hojas de especificaciones generales. El objetivo del cálculo de las limitaciones del sistema es el de establecer los límites del enlace, por lo que se seleccionan los valores más críticos que son los que provocan más no-linealidades, dispersión y atenuación.
Con el cálculo de las limitaciones se valida la elección de los componentes escogidos. Para poder resolver las limitaciones del sistema, en primer lugar es necesario realizar el cálculo de
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la limitación debido a la atenuación, mediante el balance de potencia, a continuación se calcula la dispersión que sufre el enlace y finalmente las no linealidades que pueden afectar al sistema.
6.2.2.1 Atenuación
La atenuación es uno de los factores que limita la distancia del enlace, para comprobar si la potencia que inyectamos es detectada por el receptor se realiza el cálculo del balance de potencia, de una única portadora, donde se tienen en cuenta todas las pérdidas que tiene el sistema. A partir de este cálculo, representado en la Ecuación 26, se puede determinar si el sistema está bien dimensionado.
Ecuación 26. Balance de potencia.
Donde es la potencia suministrada por el láser, es la sensibilidad del receptor, las pérdidas que introduce el sistema y es el margen de seguridad.
El margen de seguridad es un factor constante que indica el margen de potencia sobrante del sistema antes de llegar a no cumplir el balance de potencia. Es necesario hacer un sobredimensionamiento del sistema para que continúe funcionando debido al envejecimiento de los componentes o la fibra. Este parámetro está situado entre los 3 y 6 dB como máximo.
Antes de realizar el cálculo del balance de potencia se han de hacer ciertas consideraciones a la hora de escoger los valores de los diferentes componentes que se utilizan en enlace. El objetivo es asegurar que el sistema funciona bajo condiciones críticas. Los valores seleccionados se describen a continuación:
Potencia del transmisor
El fabricante solo proporciona el valor mínimo. Si el sistema es capaz de trabajar con la potencia mínima, se asegura que el receptor detectará señal para cualquier valor superior. Por lo tanto el valor que se utilizará para realizar el cálculo es de 7mW, que expresado en unidades logarítmicas corresponde a 8.45dBm.
Sensibilidad del receptor
El fabricante da la opción de utilizar dos tipos de detectores, en este caso nos interesa tener la mayor sensibilidad posible, por este motivo utilizamos el fotodetector APD. La hoja de especificaciones indica el valor típico, para un determinador BER, este valor es de -24dBm y para obtener ese mismo BER el valor mínimo es de -22dBm. Al igual que en el caso anterior interesa que el receptor sea capaz de detectar en las peores condiciones, por lo tanto se utilizará el valor de -22dBm.
69 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Pérdidas del enlace
Los parámetros que influyen en las pérdidas del enlace son:
Atenuación de la fibra: El fabricante indica que en la tercera ventana la atenuación puede tener valores en el margen de 0.19 a 0.20 dB/km. El peor caso en el balance de potencia es en el que el valor de atenuación esté en la parte superior del margen de valores, por lo tanto se utilizará 0.20 dB/km.
Uniones: Las bobinas de fibra son de 50.4 km, para abarcar la distancia del enlace son necesarias 6 bobinas, por lo tanto se realizarán 5 uniones con unas pérdidas de 0.1 dB/unión.
Modulador: En la hoja de especificaciones se detalla que las pérdidas de inserción máximas que puede llegar a introducir el dispositivo son de 5 dB.
Multiplexor: El fabricante especifica que las pérdidas de inserción típicas de este dispositivo son de 1.6 dB y que su valor máximo puede llegar a ser de 1.8 dB, éste último valor será el que se utilizará en el cálculo. Dentro de este valor se tienen en cuenta las pérdidas provocadas por los conectores.
Margen de seguridad
El margen de seguridad se fija a 3dB, de esta manera se sobredimensiona el sistema para que sea capaz de trabajar correctamente al doble de la potencia mínima requerida.
Substituyendo los valores seleccionados en la ecuación del balance de potencia obtenemos:
Ecuación 27. Resolución del balance de potencia sin uso de amplificación.
Donde son las pérdidas debido a las uniones, son el número de uniones que se llevan a cabo en el enlace, son las pérdidas provocadas por el multiplexor, son las pérdidas provocadas por el demultiplexor, son las pérdidas de inserción del modulador, es el coeficiente de atenuación de la fibra y es la longitud del enlace. Substituyendo los valores seleccionados anteriormente, la ecuación del balance de potencia queda de la siguiente manera:
Ecuación 28. Resolución del balance de potencia sin uso de amplificación.
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La señal que llega al receptor no entra dentro del margen dinámico del sistema. Esto indica que éste está subdimensionado y es necesario utilizar amplificación para que funcione con éxito.
Existen diferentes configuraciones para amplificar el enlace. El proceso que se sigue en este proyecto es el de ir aumentando progresivamente las etapas de amplificación hasta obtener un balance de potencia sobredimensionado y así asegurar el correcto funcionamiento de éste.
La primera configuración que se va a llevar a cabo queda representada en la Figura 45. Se trata de utilizar un amplificador EDFA como Booster para proporcionar al sistema una potencia fija de salida elevada.
Tx Rx
Tx Rx MUX DMUX Tx Rx
Tx Rx
Figura 45: Configuración del enlace con amplificador de potencia.
El amplificador EDFA seleccionado es el 1724-Type Erbium-Doped Fiber Amplifier, de la empresa Lucent. Las características ópticas quedan detalladas en la Figura 46.
Figura 46: Tabla de las características ópticas del Booster.
71 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
El fabricante solo proporciona la potencia de salida mínima que el dispositivos es capaz de suministrar. Este valor es correcto ya que si el sistema es capaz de trabajar con la potencia mínima, se asegura que para cualquier otro valor superior el receptor recibirá señal. Por lo tanto el valor que se utiliza para realizar el cálculo es de 22dBm. Hay que tener en cuenta que al tratarse de un sistema WDM este nivel de potencia se ha de dividir entre las 4 portadoras que hay sobre una misma fibra. Por lo tanto la potencia que recibe cada portadora es de 16dBm.
La sensibilidad del Booster está comprendida entre los 0 y 10dBm, por lo tanto, la señal que proviene del láser ha de estar entre estos márgenes. Teniendo en cuenta que la potencia de salida del láser es de 8.45dBm y que las pérdidas de inserción del modulador son de 5dB, queda una potencia de salida del transmisor de 3.45dBm.
De esta manera el balance de potencia por portadora queda de la siguiente manera:
Ecuación 29. Resolución del balance de potencia con el Booster.
Se puede observar que aún introduciendo una etapa de amplificación en la entrada del sistema, la señal que llega al receptor no entra dentro del margen dinámico de éste. Esto indica que el sistema está subdimensionado y es necesario diseñar una etapa de amplificación en la entrada del receptor.
De este modo, la configuración del sistema, por fibra, queda representado en la Figura 47. Se trata de utilizar un amplificador EDFA como Booster en la salida del transmisor, para proporcionar al sistema de una potencia de salida fija y elevada, y un amplificador EFDA como preamplificador en la entrada del receptor, para mejorar el nivel de señal al final del enlace.
Tx Rx
Tx Rx MUX DMUX Tx Rx
Tx Rx
Figura 47: Configuración del enlace con amplificador de potencia y preamplificador.
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El amplificador seleccionado para actuar como preamplificador es el PG1000, de la empresa Oclaro. Las características ópticas quedan detalladas en la Figura 48.
Figura 48: Tabla de las características ópticas del preamplificador.
El preamplificador se caracteriza por tener una ganancia fija, esto hace que la señal de salida amplificada varíe en función de la señal de entrada. El fabricante indica que este dispositivo tiene una ganancia comprendida entre los 13 y los 30dB. También hay que tener en cuenta el margen de valores que puede valer la potencia de entrada para que el preamplificador pueda trabajar, estos valores van desde los -30dBm hasta los -10dBm. Estos valores se determinan en función de la potencia que llegue al dispositivo y la sensibilidad del receptor.
En primer lugar se comprueba si la señal que llega al preamplificador, una vez amplificada es detectada por el fotodetector. Para ello ha de cumplir en unidades logarítmicas la Ecuación 30.
Ecuación 30. Condición del preamplificador para una correcta recepción.
Donde es la potencia de entrada del preamplificador, es la ganancia y la sensibilidad del receptor. La potencia que llega al preamplificador es:
Ecuación 31. Cálculo de la potencia de entrada del amplificador.
Se comprueba que la ganancia necesaria esté dentro de los márgenes:
Ecuación 32. Condición de la ganancia del preamplificador.
73 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
La ganancia entra dentro del margen de valores propuesto por el fabricante. Al tener unas pérdidas elevadas se substituye el valor de la sensibilidad de receptor por la potencia de entrada mínima del preamplificador y se calcula el balance de potencia del sistema:
Ecuación 33. Resolución del balance de potencia con el Booster y preamplificador.
La señal que llega al preamplificador está fuera del margen que indica la hoja de especificaciones y esto queda reflejado en el cálculo. Una vez más, la señal está fuera del margen dinámico del sistema.
Una opción sería utilizar otro amplificador con una sensibilidad mayor, el problema es que en este tipo de dispositivos es muy complicado llegar a alcanzar potencias de entrada inferiores a -30dBm. Por este motivo hay que buscar otra alternativa para conseguir que la señal que viaja por la fibra sea detectada por el receptor.
La solución propuesta es la de colocar antes de la etapa de pre-amplificación un amplificador Raman como se puede observar en la Figura 49. El objetivo es el de proporcionar una amplificación distribuida antes de que llegue la señal al preamplificador y de esta manera aumentar el nivel de ésta para que pueda entrar en los márgenes de potencia de entrada que especifica el fabricante.
Tx Rx
Tx Rx Amplificador MUX DMUX Raman Tx Rx
Tx Rx
Figura 49: Configuración del enlace con amplificador de potencia, preamplificador y amplificador Raman.
El dispositivo elegido es el Raman Amplifier Module de la empresa RED-C Optical Networks, sus características ópticas se pueden observar en la Figura 50. Se utilizará el modelo estándar que proporciona una potencia de entrada comprendida entre los -40 y los 5dBm, puesto que el modelo OSC, que admite una potencia de entrada menor, no trabaja dentro del mismo margen de longitudes de onda del sistema.
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También hay la posibilidad de trabajar con 2 o 3 láseres de bombeo. En el primer caso se obtiene una ganancia de 10dB y un consumo de 500mW, mientras que en el segundo caso la ganancia es de 15dB y el consumo asciende a 750mW.
Figura 50: Tabla de las características ópticas del amplificador Raman.
A simple vista se puede observar que la sensibilidad de este dispositivo es menor a la señal de -49.1dBm que llega a su entrada, calculada en el caso anterior. Por este motivo aún añadiendo una etapa de amplificación distribuida con una sensibilidad mayor, el nivel de la señal sigue siendo demasiado bajo como para poder ser amplificado en la estación terminal de recepción. Esta apreciación queda demostrada con el cálculo del balance de potencia de la Ecuación 34.
Ecuación 34. Resolución del balance de potencia con el Booster, preamplificador y amplificador Raman.
Como en el caso anterior, hay la posibilidad de buscar otro modelo que permita un nivel de señal inferior a la entrada del dispositivo, pero encontrar amplificadores Raman con una potencia de entrada menor a -40dBm y a la vez, trabajar en el margen de longitudes de onda especificadas para este sistema es prácticamente imposible. Por este motivo hay que buscar
75 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial otra alternativa para conseguir que la señal que viaja por la fibra entre dentro del margen dinámico del sistema.
La siguiente opción es la de añadir al sistema amplificadores in-line espaciados cada 40 o 50 kilómetros, que se sumergen conjuntamente con el cable. Dado que la distancia del enlace es de 290 km son necesarios entre 6 y 7 repetidores por fibra, que suman un total de entre 48 y 56 amplificadores in-line en todo el sistema.
Se puede observar que se trata de un número elevado de dispositivos sumergidos y llegados a este punto hay que tener en cuenta que la parte más compleja, cara y susceptible de este tipo de proyectos es la planta sumergida. Debido a estos motivos es preferible tener todos los componentes alimentados en tierra, así en caso de fallada no se despliegan todos los mecanismos utilizados para reparar una avería en alta mar y de este modo se produce una reducción muy importante en cuanto a tiempo y coste así como, un considerable aumento de la fiabilidad del sistema. Por lo tanto, es necesario realizar en replanteamiento de las especificaciones del diseño.
Teniendo en cuenta que solo se utilizan 8 de las 48 fibras que se van a instalar, el nuevo planteamiento es el de asignar una portadora por cada fibra, el objetivo es el de reducir las pérdidas provocadas por los multiplexores y aumentar la potencia del Booster para lograr que el sistema funcione con éxito.
De esta manera se utilizan 32 de las 48 fibras disponibles, dejando 16 fibras oscuras. Cada fibra tiene una capacidad de 10Gbps y está situada a 1550nm. Con esta nueva configuración se realiza el mismo proceso de cálculo que en el diseño anterior, el objetivo es el de asegurar que el sistema funciona bajo las peores condiciones. El nuevo diseño queda representado en la Figura 51 y el cálculo del balance de potencia se observa en la Ecuación 35.
Tx Rx
Figura 51: Configuración del enlace con una única portadora por fibra.
Ecuación 35. Resolución del balance de potencia sin uso de amplificación.
La señal que llega al receptor no entra dentro del margen dinámico del sistema. Esto indica que éste está subdimensionado y es necesario utilizar amplificación para que funcione con éxito.
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Como se ha visto en el diseño anterior, primero se añadirá una etapa de amplificación a la salida del transmisor (Booster), si la señal sigue sin ser detectada por el receptor se incorporará una etapa de amplificación en la entrada del detector (preamplificador) y finalmente si la potencia que llegue al preamplificador no entra dentro de los márgenes especificados por el fabricante se añadirá una etapa de amplificación distribuida (Raman) para mejorar la sensibilidad en la etapa de recepción.
La configuración del sistema añadiendo el Booster se observa en la Figura 52 y el cálculo del balance de potencia queda representado en la Ecuación 36.
Tx Rx
Figura 52: Configuración del enlace con una única portadora por fibra con el amplificador de potencia.
Teniendo en cuenta que la potencia de salida del láser es de 8.45dBm y que las pérdidas de inserción del modulador son de 5dB, queda una potencia de salida del transmisor de 3.45dBm. Este valor está dentro del margen de potencia de entrada del amplificador, que puede obtener valores de entre 0 y 10dBm. Al tener una única portadora por fibra, la potencia de salida mínima del Booster es de 22dBm.
Ecuación 36. Resolución del balance de potencia con el amplificador de potencia.
La señal sigue sin estar dentro del margen dinámico del sistema. Llegados a este punto es necesario introducir el preamplificador ,como se observa en la Figura 53, para aumentar la sensibilidad del receptor.
Tx Rx
Figura 53: Configuración del enlace con una única portadora por fibra con el amplificador de potencia y el preamplificador.
77 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Se comprueba si la señal que llega al preamplificador, una vez amplificada es detectada por el fotodetector. Para ello ha de cumplir en unidades logarítmicas la Ecuación 37.
Ecuación 37. Condición del preamplificador para una correcta recepción.
La potencia que llega al preamplificador es:
Ecuación 38. Cálculo de la potencia de entrada del amplificador.
Se comprueba que la ganancia necesaria esté dentro de los márgenes:
Ecuación 39. Condición de la ganancia del preamplificador.
La ganancia entra dentro del margen de valores propuesto por el fabricante, que puede obtener valores de entre 13 y 30dB. Al tener unas pérdidas elevadas se substituye el valor de la potencia de entrada mínima del preamplificador por la sensibilidad de receptor y se calcula el balance de potencia del sistema:
Ecuación 40. Resolución del balance de potencia con el Booster y preamplificador.
La señal que llega al preamplificador está fuera del margen que indica la hoja de especificaciones y esto queda reflejado en el cálculo. Una vez más, la señal está fuera del margen dinámico del sistema.
El siguiente paso para mejorar la sensibilidad en recepción, es colocar antes de la etapa de pre- amplificación un amplificador Raman. El objetivo es el de proporcionar una amplificación distribuida antes de que llegue la señal al preamplificador y así, aumentar el nivel de ésta para que pueda entrar en los márgenes de potencia de entrada que especifica el fabricante. La configuración del sistema se puede observar en la Figura 54.
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Amplificador Tx Rx Raman
Figura 54: Configuración del enlace con una única portadora por fibra con el amplificador de potencia, el preamplificador y el amplificador Raman.
Realizando el cálculo del balance de potencia se obtiene:
Ecuación 41. Resolución del balance de potencia con el Booster, preamplificador y amplificador Raman.
La señal que llega al receptor entra dentro del margen dinámico del sistema. Esto indica que éste está sobredimensionado y por lo tanto no habrá problemas con la atenuación.
Se comprueba si la señal que llega al preamplificador supera el valor mínimo necesario para que este dispositivo pueda amplificarla. Para ello ha de cumplir en unidades logarítmicas la Ecuación 42.
Ecuación 42. Condición del amplificador Raman para una correcta recepción.
La potencia que llega al preamplificador es la señal de salida del amplificador Raman. La potencia que llega a este último dispositivo es:
Ecuación 43. Cálculo de la potencia de entrada del amplificador Raman.
Como se ha comentado anteriormente, dependiendo de los láseres de bombeo utilizados se obtiene un determinado valor de ganancia. Si se implementa el sistema con 2 bombas, la ganancia que produce el amplificador es de 10 dB, mientras que si utiliza 3 láseres de bombeo la ganancia es de 15dB. Se comprueba que la ganancia que proporciona el amplificador Raman sea suficiente para la siguiente etapa:
Ecuación 44. Cálculo de la potencia de salida según el número de láseres de bombeo.
79 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
La potencia de entrada mínima del preamplificador es de -30dBm, por lo tanto con cualquiera de las dos configuraciones el preamplificador conseguirá detectar la señal a su entrada. Se selecciona la ganancia de 15dB (3 láseres de bombeo) ya que aleja la señal de entrada de la potencia mínima que detecta el preamplificador.
En este punto es necesario comprobar que la potencia de salida del preamplificador es lo suficientemente elevada para ser detectada por el fotodiodo. Substituyendo la potencia de entrada del preamplificador y la ganancia mínima de éste en la Ecuación 42 se obtiene:
Ecuación 45. Cálculo de la potencia de salida según el número de láseres de bombeo.
La sensibilidad del fotodetector APD mínima es de -22dBm y por lo tanto la señal es perfectamente detectada en la estación terminal de recepción. Utilizando el fotodiodo PIN, que tiene una sensibilidad mínima de -15dBm, también es posible conseguir una correcta recepción de la señal enviada. Por este motivo se selecciona el receptor PIN, ya que se evita tener que implantar un control de temperatura y la generación de ruido provocado por la avalancha de electrones del APD.
También es importante comprobar que el valor de la señal detectada no supere los valores máximos especificados por el fabricante, representado en la Figura 55.
Figura 55: Tabla de valores máximos del fotodetector.
Se puede observar que en el caso de interés, el fotodiodo PIN, el valor en recepción no supera el valor máximo especificado. Por lo tanto este dispositivo es apto para este diseño.
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6.2.2.2 Dispersión cromática
A pesar del gran ancho de banda prácticamente ilimitado (varios cientos de THz) que dispone la fibra óptica, la existencia a 1550nm del fenómeno de dispersión cromática limita la capacidad y el alcance máximos que pueden obtenerse en un determinado sistema de comunicaciones ópticas.
La dispersión cromática, como se ha comentado anteriormente, consiste en un retardo variable dependiente de la frecuencia introducido durante la propagación a través de la fibra y que produce distorsión a la salida del fotodetector. Es decir, las componentes frecuenciales que constituyen el espectro de la señal óptica viajan a velocidades diferentes por la fibra y alcanzan el fotodetector en instantes ligeramente distintos. En este diseño, al tratarse de una transmisión digital, el efecto se manifiesta en un ensanchamiento temporal de los pulsos ópticos que provoca interferencia entre símbolos. Lógicamente, conforme los pulsos ópticos sean más estrechos (mayor velocidad de modulación) o el enlace de fibra sea más extenso (mayor dispersión acumulada), las degradaciones serán más acusadas.
En el diseño de este proyecto la codificación utilizada es la NRZ, esto significa que el ensanchamiento temporal obtenido al final de la transmisión no puede superar que el ensanchamiento del pulso sea mayor a un cuarto del tiempo de bit. Por lo tanto, teniendo en cuenta que la velocidad de bit es de 10Gbps, el ensanchamiento máximo permitido del pulso es:
Ecuación 46. Condición que ha de cumplir el ensanchamiento temporal del pulso con el formato NRZ.
Donde es el ensanchamiento que padece el pulso, es el tiempo de bit y es la velocidad de bit.
Una vez calculado el valor máximo que el pulso puede llegar a ensancharse para no padecer dispersión cromática, se calcula cual es el ensanchamiento del sistema:
Ecuación 47. Ecuación del ensanchamiento temporal que padece la señal.
Donde es el parámetro de dispersión cromática característico de la fibra, que en este caso es de 18 ps/nm·km, es el ancho de banda de la fuente expresado en nm y la longitud del enlace que es de 290 km.
El ancho de banda de la fuente es de 20 GHz una vez pasado por el modulador. Este valor se obtiene a partir de la velocidad de transmisión del enlace. El ancho de banda de la señal en banda base es de 10Ghz, por lo tanto en alta frecuencia es de 20GHz. Al estar expresado en Hz es necesario realizar la conversión para tener el valor expresado en nm, mediante la Ecuación 48:
81 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Ecuación 48. Conversión de a .
Donde es la velocidad de la luz en el medio, es la longitud de onda a la que está situada la portadora y es el ancho de banda de la fuente expresado en Hz. Substituyendo los valores correspondientes en las ecuaciones el ensanchamiento que sufre el pulso en el sistema es:
Ecuación 49. Resolución del cálculo del ensanchamiento de la señal del sistema.
Se puede observar que el ensanchamiento que sufre el pulso es superior al máximo ensanchamiento permitido, por lo tanto el sistema no cumple los requisitos por dispersión cromática. Para reducir el ensanchamiento de la señal, se selecciona una fibra compensadora de la dispersión (DCF). Este tipo de fibras se caracterizan por poseer un parámetro de dispersión cromática elevado y de signo opuesto al de la fibras convencionales operando en tercera ventana. De este modo, colocando una cierta longitud de DCF tras el enlace de fibra óptica que constituye el sistema de comunicaciones, es posible compensar la dispersión cromática acumulada durante el primer trayecto. El modelo utilizado es Vescade S1000 Fiber de la empresa Corning. Sus principales características ópticas quedan representadas en la Figura 56.
Figura 56: Tabla de características ópticas de diferentes tipos de fibras a 1550nm.
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Observando dichas características, se da uno cuenta que con una atenuación de 0.235 dB/km se dejaría de cumplir los requisitos de atenuación del sistema. Por este motivo no se puede insertar esta fibra en el enlace para compensar la dispersión cromática.
Existen otro tipo de fibras, las fibras LEAF. Su objetivo no es el de mejorar la dispersión cromática sino el de mejorar los resultados ofrecidos por la SMF estándar frente a las no linealidades. Esto se consigue aumentando el área efectiva de la fibra, de esta manera la potencia crítica aumenta permitiendo introducir una mayor potencia en la fibra. El modelo Vescade L1000 Fiber es un claro ejemplo de este tipo de fibras. Como se puede observar en la Figura 56, el parámetro de dispersión es elevado por lo que el sistema seguiría padeciendo dispersión cromática.
Una vez explicadas las fibras LEAF, se escoge el modelo Vescade LEAF EF Fiber, que como su nombre bien indica pertenece al grupo de fibras LEAF, con la peculiaridad de que posee un parámetro de dispersión cromática negativo, permitiendo reducir el valor de la dispersión cromática y a la vez obtener mejores resultados frente a las no linealidades. Sus principales características ópticas quedan representadas en la Figura 56.
También hay que tener en cuenta, que el tipo de fibra escogido presenta la misma atenuación que la utilizada en el cálculo del balance de potencia, de esta manera no modifica los valores obtenidos en el apartado 6.2.2.1.
La técnica utilizada será la de pre-compensación, como se representa en la Figura 57. Esto quiere decir que se utilizará en el primer tramo del trayecto la fibra LEAF con el parámetro de dispersión negativo y en el último tramo de éste se utilizará la fibra SMF estándar para dejar al sistema con un ensanchamiento inferior a 25ps. Para ello se han de fijar las longitudes de cable que tendrán cada tipo de fibra, esto se realiza en la Ecuación 50:
Ecuación 50. Cálculo de las longitudes de cada fibra.
Donde y son las longitudes de los dos tipos de fibra, es el parámetros de dispersión de la SMF estándar y el de la LEAF.
Amplificador Tx Rx Raman
L2 L1
L
Figura 57: Configuración del enlace con dos tramos de fibra. Donde L es la longitud total.
83 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Substituyendo los valores de los diferentes parámetros de dispersión la resolución del sistema queda de la siguiente manera:
Substituyendo el valor de en la primera fórmula se obtiene:
Ecuación 51. Resolución del cálculo de las longitudes de cada fibra.
Para poder obtener una dispersión inferior a 25ps la longitud de la fibra SMS estándar no puede superar los 59.82245 km y por lo tanto, la longitud máxima que tendrá la fibra LEAF es de 230.17745 km. Sabiendo que la longitud de cada bobina de fibra especificada por el fabricante es de 50.4 km, fijaremos la longitud de la fibra SMF estándar a ese valor. De esta manera nos quedará un ensanchamiento del pulso total de:
Ecuación 52. Resolución del cálculo del ensanchamiento de la señal del sistema.
El ensanchamiento del pulso cumple el límite impuesto por el formato NRZ y la velocidad de transmisión, de esta manera el sistema no padece problemas con la dispersión cromática.
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6.2.2.3 No linealidades
Este sistema de comunicaciones ópticas submarino se basa en un enlace punto a punto con una sola portadora y utiliza OOK en formato NRZ e IM/DD. Bajo estas condiciones los efecto no lineales que pueden degradar el sistema son básicamente el efecto Raman y el efecto Brillouin.
El efecto Kerr se puede separar en tres contribuciones diferentes y ninguna de ellas degrada el sistema debido a los siguientes motivos:
FWM: Este efecto solo se produce en los sistemas WDM, al utilizar una única portadora en el diseño esta limitación no afecta al sistema.
XPM: Al igual que en el caso del FWM, solo afecta a los sistemas WDM.
SPM: Este efecto afecta solo a los sistemas con una única portadora. Provoca cambios de fase debidos a cambios de intensidad óptica, en el caso de el sistema que se está tratando, los cambios de fase no degradan el sistema ya que se trata de un sistema IM/DD y la detección se realiza por amplitud.
Efecto Raman
Al tratarse de un sistema con una sola portadora, para asegurar que el sistema no sufre no linealidades por culpa del efecto Raman, se ha de cumplir que la potencia del transmisor no supere la potencia crítica debido a éste. Esta potencia crítica se obtiene a partir de la Ecuación 53:
Ecuación 53. Potencia crítica de Raman de un sistema con un único canal.
Donde es la longitud efectiva de la fibra, es el área efectiva y b refleja las polarizaciones relativas de las dos ondas y las propiedades de polarización de la fibra. En este sistema las fibras no son PMF por lo tanto b=2. La ganancia de Raman es .
Para calcular la longitud efectiva de la fibra óptica se utiliza el parámetro de la atenuación por kilómetro y la longitud real del enlace. La longitud efectiva es aquella longitud de fibra en la cual se considera que el sistema padece no-linealidades. Con el fin de establecer esta longitud se tiene que determinar si el enlace que se está tratando es corto o largo. En un enlace corto, hay no-linealidades en toda la longitud del enlace (la longitud efectiva es la longitud física del enlace), en cambio, en un enlace largo hay no linealidades en los primeros kilómetros (la longitud efectiva es menor a la longitud física del enlace). En un enlace largo la longitud efectiva es independiente de la longitud real del enlace y depende únicamente de la atenuación por kilómetro de la fibra óptica.
Para determinar la longitud efectiva en primer lugar se supone que el enlace es largo y se calcula a partir de la atenuación por kilómetro la longitud efectiva. Con el valor obtenido se tiene una referencia para determinar de qué clase de enlace se trata. Si la longitud efectiva calculada es mayor a la longitud real del sistema, entonces el enlace es corto y se determina
85 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
que . Por el contrario si longitud efectiva es menor a la longitud física, la suposición es correcta y es el valor ya calculado.
La atenuación de ambas fibras es de 0.2 dB/km, suponiendo que el enlace es largo, la atenuación por kilómetro expresada de forma lineal es:
Ecuación 54. Cálculo de la longitud efectiva del enlace.
La longitud del enlace es de 290 km y este valor es mayor a la longitud efectiva calculada que es de 21.71 km, por lo tanto, la suposición es válida. En nuestro sistema solo padeceremos no linealidades en los primeros 21.71 km.
En este enlace se utilizan dos tipos de fibras, los primeros 239.6 km son de la fibra LEAF y los 50.4 restantes son de la SMF estándar. El sistema solo sufrirá no linealidades en los 21.71 km, por lo tanto el área efectiva que se utiliza en el cálculo es la que proporciona la hoja de especificaciones de la fibra LEAF, que es de 65 .
Una vez se han definido todos los parámetros que componen el cálculo de la potencia crítica de Raman se substituyen los valores en la expresión:
Ecuación 55. Cálculo de la potencia crítica de Raman.
Como se puede observar la potencia crítica es mayor a la potencia de salida del amplificador, que es de 22dBm, expresado en lineal 158mW. De esta manera se confirma que el sistema no padece el efecto Raman.
Efecto Brillouin
Al igual que en el cálculo de la potencia crítica debido al efecto Raman, se ha de asegurar que la potencia crítica debido al efecto Brioullin sea inferior a la potencia del transmisor. Esta potencia crítica se calcula mediante la expresión:
Ecuación 56. Potencia crítica de Brillouin.
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Donde es la longitud efectiva de la fibra, es el área efectiva, b refleja las polarizaciones relativas de las dos ondas y las propiedades de polarización de la fibra y es la ganancia no lineal del sistema. Todos los valores, exceptuando la ganancia, han sido calculados previamente en el efecto Raman. La ganancia cumple que:
Ecuación 57. Ganancia no lineal del sistema.
Donde equivale al ancho de banda de la ganancia, que es de 20MHz, equivale al ancho de banda de la onda incidente, que como se ha comentado anteriormente es de 20GHz y es el coeficiente de ganancia con un valor aproximado de . Substituyendo los valores en la ecuación se obtiene que la ganancia no lineal del sistema es:
Ecuación 58. Cálculo de la ganancia no lineal del sistema.
Una vez encontrada la ganancia no lineal se procede a calcular la potencia crítica de Brillouin:
Ecuación 59. Potencia crítica de Brillouin.
Como se puede observar la potencia crítica es mayor a la potencia de salida del amplificador, que es de 22dBm, expresado en lineal 158mW. De esta manera se confirma que el sistema no padece el efecto Brillouin.
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6.2.3 Resumen del diseño
Este sistema de comunicaciones ópticas submarino se basa en un enlace punto a punto entre la capital de Guinea Ecuatorial Malabo, situada en la isla de Bioko y una de las ciudades más importantes del país, Bata, situada en el continente. Dispone de una capacidad total de 320Gbps y una distancia de 290km. Cada fibra está formada por una sola portadora y utiliza OOK en formato NRZ e IM/DD.
En este apartado se realiza un resumen de los componentes que se utilizan en el diseño para asegurar que la información transmitida llega a la estación terminal de recepción superando las limitaciones del sistema. La Figura 58 representa como está formado uno de los 32 cables que se utilizan en el sistema. Las 16 fibras restantes únicamente están formadas por la combinación de ambas fibras para su futuro uso.
URC3 Transmisor Modulador Amplificador Fotodetector B PA láser DFB LiNb03 Raman PIN
239.6 km 50.4 km LEAF SMF estándar 290 km
Figura 58: Configuración final del enlace. Donde B representa el EDFA en configuración de Booster y PA el EDFA en configuración de preamplificador.
En la Tabla 7 se muestran los principales valores utilizados por los diferentes componentes que forman el sistema.
Con el uso de estos dispositivos se consigue cumplir los requisitos por atenuación, por dispersión cromática y por no linealidades, dotando al sistema con:
Un margen de seguridad del sistema de 3.5dB. Un margen del ensanchamiento del pulso para no padecer dispersión cromática de 33ps. Un margen de la potencia crítica para no padecer no linealidades de 1.2106W.
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Tabla 7. Componentes utilizados en el diseño del sistema.
Principales Componente Modelo Fabricante características Transmisor Láser Pout= 8.45dBm D2500P Laser 2000 Lucent DFB BW=10MHz Loss= 5dB Lithuium Niobate Modulador LiNbO3 Lucent Rb= 10Gbps SLIM_PAC BW= 20GHz Pin=3.45dBm Booster 1724-Type Lucent Pout=22dBm Pin=-24.5dBm Preamplificador PG1000 Oclaro G=13dB Raman Amplifier RED-C Optical Pin=-39.5dBm Amplificador Raman Module Networks G=15dB Fotodiodo PIN 1319T Lucent Pin=-11.5dBm α=0.2 dB/km SMF estándar SMF-28e Corning D=18ps/nm·km L=50.4km α=0.2 dB/km Vescade LEAF EF Fibra LEAF Corning D=-4ps/nm·km Fiber L=239.6km 48 fibras Cable submarino URC3 Alcatel Doble armado
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7 Conclusiones
Una vez finalizado el proyecto, cabe destacar que se han conseguido todos los objetivos propuestos al inicio del éste.
Como resumen de los hitos conseguidos se hace un especial énfasis en:
Descripción de la evolución histórica de los sistemas de comunicaciones submarinos.
Explicación de los diferentes componentes que forman parte de un sistema de comunicaciones ópticas submarino.
Explicación del proceso de instalación que se lleva a cabo en este tipo de sistemas.
Descripción de forma detallada de las limitaciones que padecen los sistemas de comunicaciones ópticas submarinos.
Como aportación principal de este proyecto, se ha diseñado un sistema de comunicaciones ópticas submarino entre Malabo y Bata, cuyas partes se detallan a continuación:
o Estudio de viabilidad desde un punto de vista técnico de un sistema de comunicaciones ópticas submarino.
o Comparativa de los diferentes componentes existentes en el mercado.
o Elección de los componentes según sus características técnicas y sus requisitos.
o Cálculo de las limitaciones del sistema: Atenuación, dispersión cromática y no linealidades.
Para la ampliación de este proyecto se podrían abarcar aspectos que no estaban incluidos ya desde un inicio dentro de éste, como son:
Detallar los permisos necesarios para la implementación del sistema.
Detallar como se va a llevar a cabo el proceso de instalación.
Analizar las técnicas más utilizadas para el mantenimiento y reparación, tanto en alta mar como en tierra, de este tipo de enlaces.
Determinar que pruebas de calidad se han de llevar a cabo para corroborar que el sistema es apto para ser instalado.
Diseñar una línea de alta tensión entre Malabo y Bata, con el fin de abastecer la demanda eléctrica de la capital.
91 Diseño de un sistema de comunicaciones ópticas submarino en Guinea Ecuatorial
Diseñar una ramificación en el enlace diseñado en este proyecto y unir este sistema con el cable submarino WACS, que no tiene toma a tierra en Guinea Ecuatorial.
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