Compañeros, los viejos buenos tiempos han vuelto. Ahora hay disponibles más soluciones técnicas para los diseñadores de sistemas audiovisuales, tanto en equipamiento analógico como digital. Uno de los nuevos y más interesantes juguetes para la distribución de la señal es la transmisión de fibra óptica digital RGBHV. Los sistemas de transmisión de fibra óptica instalados más recientemente son de base analógica. Nuestro estreno en la transmisión de fibra digital nos resulta emocionante porque marca el inicio de una era de mayor rendimiento y nuevas funciones a precios competitivos, o mejores, que las existentes aplicaciones analógicas.
Hasta hace poco, la transmisión de fibra que soporta gráficos de banda ancha sólo podría ser rentable utilizando técnicas analógicas. Por supuesto decir “rentable” es relativo. Dentro de lo que la mayoría de profesionales llaman entorno de una instalación AV normal, el cable de fibra en sí tiene un coste competitivo pero, tradicionalmente los sistemas de fibra en general tenían un coste enormemente prohibitivo, excepto para aquellas aplicaciones en las que la seguridad y larga distancia eran inevitables.
Puede que le sorprenda saber que la distribución de fibra óptica no es totalmente nueva para nosotros. La mayoría de personas probablemente no sepa que hemos utilizado sistemas de transmisión de fibra para aumentar “el largo recorrido” de conexiones RGBHV, vídeo por componentes HD y de vídeo compuesto en el evento InfoComm Projection Shoot-Out®. Un reducido grupo de fabricantes de equipamiento de fibra ha dado soporte a nuestras necesidades adecuadamente pero, ha habido muchos retos asociados al rendimiento consistente de esos sistemas con base analógica.
Muchos de los conocimientos básicos que ya tiene para los sistemas de base analógica aún pueden ser aplicables. Cuando se está diseñando una transmisión de fibra óptica, hay que tomar muchas decisiones importantes en cuanto a componentes. El cable de fibra, como el coaxial, está arriba en la lista de prioridades de diseño del sistema, así como los conectores, transmisores y receptores. La transmisión de fibra digital requiere que veamos las cosas de una manera algo diferente pero, los fundamentos siguen siendo como hemos mencionado en discusiones anteriores sobre la distribución de señales digitales y protocolos, como HD‑SDI por ejemplo.
En este artículo me gustaría abordar los conceptos clave asociados con el cableado de fibra óptica para sentar las pautas de lo que probablemente sea un debate permanente sobre la transmisión de fibra óptica digital.
Nueva dieta de fibra
Ciertamente la fibra se está convirtiendo en parte un nuevo producto en nuestra dieta y, con el entusiasmo de un mayor rendimiento del ancho de banda, nuevas características y menor coste de implementación, probablemente formará parte de su dieta AV también. De manera que, comencemos hoy mismo con el cable de fibra óptica. Los debates sobre conectores y hardware son inminentes, pero tanto si utiliza componentes de interfaz analógica como digital, hay mucho más que saber sobre el cableado de fibra y cómo este impacta en el rendimiento de la transmisión de fibra óptica.
Monomodo frente a multimodo
A primera vista parecería que sólo hay dos opciones para la fibra: monomodo y multimodo. Publicaciones anteriores han asociado la fibra monomodo con el láser y la fibra multimodo con el LED. Aunque la distinción es generalmente adecuada, las nuevas recetas de cable de fibra proporcionan una serie de opciones y combinaciones de cable a fuente nuevas.
Compruebe cómo el VCSEL emite luz desde su superficie en lugar de desde su borde, en comparación con anteriores diseños de diodo láser. Tal arquitectura facilita la prueba de obleas.
Un descubrimiento clave que lleva a las tecnologías de cable de fibra por una nueva dirección es el diodo láser de bajo coste. Conocido por el acrónimo VCSEL, que en inglés suena algo así como “vek-sel”, estos nuevos Vertical Cavity Surface Emission Lasers (láseres de emisión de luz perpendicularmente a la región activa) están sustituyendo rápidamente a los LED en nuevas instalaciones de red. Los VCSEL de 1310 nm se utilizan con una longitud de onda más larga que proporciona el mejor rendimiento de ancho de banda pero, a un precio tres veces superior al de la versión de 850 nm. Incluso en proyectos con un presupuesto modesto, los VCSEL de 850 nm están desplazando rápidamente a los LED, y proporcionando un rendimiento de nivel Gigabit Plus.
Independientemente de la fuente de luz, la construcción de fibra se basa en la envoltura de un “conductor” de vidrio ultra puro de pequeño diámetro, llamado “núcleo”, dentro de una capa de revestimiento que ajusta el diámetro del conductor final a 125 micrómetros (µm). Adicionalmente las capas de material exterior y la cubierta sirven para proteger a la fibra al mismo tiempo que aumentan su robustez para el manejo y la instalación.
El término “modo” hace referencia al número de ondas de luz visible que viaja a lo largo del núcleo de la fibra. La energía luminosa más intensa que viaja en la línea central de la fibra es el modo principal. La luz puede entrar en la fibra en un ángulo y rebotar sobre las paredes de la fibra según se propaga. Las ondas de luz que rebotan aleatoriamente sobre las paredes de la fibra llegan al detector receptor a intervalos de tiempo ligeramente diferentes. Cada reflexión de la onda de luz dentro de la fibra se llama modo.
El núcleo de un cable monomodo es muy pequeño en cuanto a diámetro, que es de unos 8 - 9 µm, no mucho más grande que la longitud de onda de la luz que pasa a través del mismo. Por tanto, la mayoría de energía luminosa se propaga como una única onda sin crear reflejos importantes, o modos, que degraden el rendimiento en el detector receptor. Por esta razón, la fibra monomodo dispone del ancho de banda más amplio y la distancia de transmisión más larga. Vea la ilustración de la imagen 1.
El núcleo de la fibra multimodo es típicamente varias veces más grande en diámetro que el núcleo monomodo, aunque el revestimiento y la cubierta compensan para mantener el diámetro del cable en general competitivo. Normalmente disponible con diámetros de núcleo de 50 µm o 62,5 µm, la alineación multimodo con el transmisor es más flexible; sin embargo los reflejos de luz crean modos a lo largo de toda su longitud. Vea las ilustraciones de la imagen 1.
El efecto acumulativo de múltiples modos se llama “dispersión”. El detector receptor interpreta la dispersión como jitter de la señal. Exactamente como con otros formatos de la señal digital serie, el diagrama de ojo se utiliza para analizar la calidad de transmisión. Consulte la imagen 2a. La presencia de dispersión disminuye el ancho del diagrama de ojo. Además, la longitud de la fibra con todas las conexiones y dobleces del cable afecta a la amplitud de la señal final vista por el detector receptor. Consulte la imagen 2b. Estos efectos acumulativos atenúan la señal, por lo que explican una reducción en la amplitud del ojo. Amplitud y dispersión, en combinación, son dos parámetros clave que limitan la frecuencia, el ancho de banda y la distancia de transmisión.
Independientemente de si la fibra es monomodo o multimodo, se trata de revestimiento en una capa de vidrio diseñada para contener un alto porcentaje de ondas de luz dentro de la estructura de la fibra. El diámetro total del vidrio para todos los cables de fibra comerciales vigentes es 125 µm, así como el segundo identificador numérico para el cable; es decir, 8/125, 50/125 o 62,5/125. El revestimiento tiene un índice de refracción diferente al del núcleo de la fibra. Refleja la luz de fuera del eje de vuelta a la fibra. Mientras que el conductor de fibra tiene un índice de refracción uniforme, el revestimiento utiliza normalmente un índice de refracción más bajo. El cambio repentino en el índice de refracción se llama fibra de “índice escalonado”. Consulte la imagen 3.
La mayoría de cables de fibra monomodo y algunos multimodo utilizan una construcción de índice escalonado. Debido a que las ondas de luz pasan a través de una fibra monomodo con el mínimo rebote por el revestimiento, generalmente hay una pérdida de reflexión insignificante asociada a la fibra monomodo de índice escalonado. El cable multimodo es un tema diferente. Los cables multimodo de índice escalonado exhiben una mayor dispersión debido a los múltiples modos creados a través de los reflejos del cambio repentino de reflexión entre el núcleo de la fibra y su revestimiento. Es como mirar las imágenes que se repiten en la casa de los espejos de una feria, múltiples reflejos degradan el rendimiento del sistema, es decir, la distancia de transmisión.
Para mejorar el rendimiento del cable de fibra multimodo, el núcleo puede recubrirse con un revestimiento construido a base de cinco a seis capas de vidrio depositado que obtiene índices de refracción cada vez menores. Cerca del núcleo, el índice refractivo del revestimiento es mayor. Según la luz pasa a través de cada capa del revestimiento, el índice refractivo disminuye. Este cambio del índice de refracción “conduce” la luz a un ángulo de aproximación poco profundo en el borde exterior del revestimiento. Este ángulo hace que la luz rebote contra el borde exterior y viaje de vuelta hacia el núcleo. La repetición del recorrido a través de los crecientes índices de refracción dirige la luz de vuelta al recorrido principal dentro del núcleo. La luz se dobla esencialmente en un arco que se reúne con la onda principal, minimizando por tanto el número de modos vistos por el detector receptor. El resultado es una dispersión menor y un mayor ancho de banda más efectivo. Este estilo de construcción de fibra multimodo se llama fibra de “índice gradual”. Consulte la imagen 4.
Parámetros clave de la fibra
La transmisión de fibra depende de la longitud y la tasa de datos. La caracterización de modos y dispersión en la transmisión de fibra multimodo se resume en el parámetro del ancho de banda modal, expresado como frecuencia en MHz, mientras que la distancia se expresa en kilómetros o MHz*km. Unas especificaciones de MHz*km mayores en el producto significan una mejor capacidad de rendimiento. De forma muy similar al cable coaxial, en el que buscamos la atenuación específica en dB a una frecuencia de referencia - digamos de 100 MHz - para una longitud específica - normalmente entre 100 ft o 100 m, el parámetro de ancho de banda modal utilizado con la fibra multimodo y monomodo proporciona una instantánea rápida de las expectativas de rendimiento a las que hay que restar los efectos de otras intrusiones como conectores, bifurcadores y empalmes.
Por ejemplo, una fibra clasificada con 500 MHz*km es capaz de transmitir tasas de datos de 500 MHz por kilómetro. Según aumenta la frecuencia o tasa de datos, disminuye la distancia de transmisión. A 1 GHz, la distancia de transmisión es medio kilómetro, etc.
¿Y qué acerca de la atenuación? Estamos acostumbrados a utilizar este concepto en cables de cobre. ¿Pero cómo se utiliza con cables de fibra? La tabla 1 enumera los parámetros internos y externos que afectan a la atenuación de la fibra. Las longitudes de onda de luz conocidas son 850 nm y 1310 nm - ambas en infrarrojos - con una longitud de onda más larga que produce menos atenuación. La atenuación debida a pérdidas de cable, conectividad y más se mide en dB, como en los cables de cobre. En aplicaciones AV típicas, la atenuación de fibra suele ser un motivo de preocupación menor que el ancho de banda del sistema. A menos que su aplicación necesite distancias de transmisión de múltiples kilómetros, la atenuación del cable de fibra será completamente insignificantemente dentro del marco de toda la instalación si la comparamos con la selección de transmisor y receptor, o con la calidad de la instalación y terminación del cable.
| Factores de atenuación en cables de fibra óptica | |
|---|---|
| Internos | Externos |
| Variación del núcleo | Conectores |
| Dispersión | Empalmes |
| Microcurvaturas | Acopladores |
| Absorción | Macrocurvaturas |
| Esparcimiento | Terminaciones |
Los métodos de instalación de cables de fibra deben adherirse estrictamente a su rendimiento óptimo. Al igual que con el cable UTP, los fabricantes de cable de fibra especifican claramente los métodos y prácticas de manejo e instalación. Pellizcos accidentales de la fibra pueden llevar a microcurvaturas y fisuras. Recuerde que la fibra es vidrio. El radio de curvatura del cable afecta directamente en la atenuación. El estándar TIA 568 permite un radio de curvatura mínimo de 30 mm (1.18 in) para dos y cuatro cables multimodo de fibra.
La apertura numérica, NA, de un cable de fibra es su ángulo máximo aceptado para la luz entrante. Este ángulo varía con los índices de refracción del núcleo de la fibra y su revestimiento. Puede parecer que una NA de fibra grande es lo que se desea pero, una apertura numérica demasiado alta permite modos de orden superior o reflejos más drásticos del núcleo al revestimiento. Una NA demasiado alta hace que la energía luminosa pase a través del revestimiento; dicho de otra manera, provoca un aumento de la dispersión, pérdida de energía y reduce el ancho de banda.
Las fibras con una NA más baja tienen un ancho de banda mayor. Una NA menor requiere una alineación más exacta de fuente‑a‑fibra y una terminación más precisa. Tradicionalmente, el uso de transmisores LED requería una NA mayor de la fibra de 62,5 µm. La potencia de salida y el diseño de LED y VCSEL más actuales aumenta el rendimiento del ancho de banda utilizando una NA menor de la fibra de 50 µm.
Desajustes de fibras
¿Qué pasa con instalaciones de fibra mezclada? Imaginemos que nos encontramos con fibra más antigua de 62,5 µm en una aplicación en la que una parte necesita fibra de 50 µm. ¿Qué impacto tiene unir dos fibras diferentes? ¿Funcionaría?
La mezcla de conexiones monomodo y multimodo no se recomienda. Sin embargo, el uso de fibra multimodo de 50 µm está aumentando y desplazando el uso de cables de 62,5 µm en EE.UU.. Aunque 50 µm es el estándar en Europa, es lo que ahora se recomienda a nivel mundial en todas las instalaciones nuevas. La fibra de 50 µm tiene normalmente un ancho de banda mayor - quizás 3 veces el de la multimodo de 62,5 - y ahora se utiliza con fuentes VCSEL para redes Gigabit Ethernet y de 10 GE.
Pero volviendo a la pregunta de las instalaciones de fibra mezclada: si una fuente láser se utiliza con cable multimodo, hay un impacto mínimo de pérdida de inserción independientemente de la dirección de la transmisión; es decir, de un núcleo más grande a otro más pequeño, y viceversa. En sistemas con LED, un desajuste de la transmisión de un núcleo más grande a otro más pequeño tiene un mayor impacto de pérdida de inserción, ya que la onda de luz LED utiliza toda la sección del núcleo. Las transmisiones desde cable de 50 µm a cable de 62,5 µm son menos problemáticas que al contrario. El cable 50 µm se considera compatible con sistemas de 62,5 µm. Preste atención a su margen de pérdida de inserción y consulte con el fabricante del cable para obtener los mejores resultados.
¿Por qué abandonar el cable de 62,5 µm en favor del de 50 µm? El núcleo de diámetro mayor se hizo popular al principio para soportar la primera generación de Ethernet debido a su mayor apertura numérica y compatibilidad con el gran tamaño del punto del LED. Además, el cable de 62,5 µm proporciona una mayor tolerancia para la conexión y alineación. La adopción por IBM y AT&T llevó a la ampliación de su uso en una era en la que la terminación de sistemas y los LED eran menos avanzados. Pero considerando la actualidad, las características de ambos han mejorado y las entidades de estándares han evolucionado hacia el cable multimodo de 50 µm para la mayoría de aplicaciones de red con backbones de alta velocidad y largo recorrido.
Terminación de fibra óptica
Esto ha sido sólo un pequeño trocito del paraíso de la fibra. Las opciones de cable de fibra monomodo y multimodo de hoy día son más diversas que la variedad de sabores de Ben and Jerry's®. Recuerde que el ancho de banda del cable de fibra se caracteriza en gran parte por el parámetro MHz*km y los muchos grados de fibra disponibles dependiendo de sus requisitos de tasa de datos y distancia de transmisión. El precio del cable de fibra es proporcional a la relación MHz*km.
Nosotros, como diseñadores de equipamiento y sistemas AV, tenemos todos una deuda de agradecimiento a los avances técnicos en los componentes de transmisión de fibra óptica ya que la necesidad agudiza en ingenio: velocidades de red de datos Ethernet aumentada. Mientras intentamos aplacar nuestra hambre de redes con mayor velocidad, chips digitales serie de fulgurante velocidad y láser de estado sólido están reduciendo los requisitos de entrada a un nuevo paradigma de gráficos RGB digital serie. La tendencia actual de instalaciones de sistemas de red se dirige hacia el funcionamiento de VCSEL de 850 nm con fibra de 50 µm para ahorrar costes y VCSEL de 1310 nm con fibra multimodo o monomodo de 50 µm para aquellas que necesitan distancia extra.
Nuestra posición de considerar primero los cables en un proyecto no es una excepción cuando se trata de cables de fibra. La extensa elección de fibra le podrá ayudar o dificultar el rendimiento del mejor hardware óptico. En próximas entregas hablaremos de la conectividad, transmisores y receptores. Como siempre, cada parte del sistema contribuye de forma significativa al ancho de banda del sistema en general y, en última instancia, al rendimiento.
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