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Descripción general de las redes ópticas
Una red óptica es un sistema de comunicación que utiliza señales luminosas, en lugar de electrónicas, para enviar información entre dos o más puntos. Los puntos podrían ser computadoras en una oficina, grandes centros urbanos o incluso naciones en el sistema global de telecomunicaciones. Las redes ópticas comprenden transmisores y receptores ópticos, cables de fibra óptica, conmutadores ópticos y otros componentes ópticos. Las redes ópticas y electrónicas pueden adoptar varias formas diferentes. Las redes punto a punto hacen conexiones permanentes entre dos o más puntos para que cualquier par de nodos pueda comunicarse entre sí; apuntar a redes multipunto que difunden las mismas señales simultáneamente a muchos nodos diferentes; Las redes conmutadas, como el sistema telefónico, incluyen conmutadores que realizan conexiones temporales entre pares de nodos. Los componentes básicos de estas redes son los cables de fibra óptica, los llamados tubos, que transportan señales de un nodo a otro, con conmutadores que las dirigen a su destino.
La señal
Una señal óptica consiste en una serie de pulsos producidos al apagar y encender un rayo láser. Su velocidad depende de qué tan rápido se puede encender y apagar el rayo, y cuánto se extienden los pulsos durante la transmisión, un efecto llamado dispersión. La cantidad de dispersión depende del tipo de fibra, la longitud de la fibra y la naturaleza de la señal óptica. Cuanto más dispersión, más difícil es distinguir entre pulsos adyacentes. Con la tecnología actual, se pueden combinar diferentes tipos de fibra para reducir los efectos de dispersión, lo que permite la transmisión a 10 gigabits por segundo durante unos pocos miles de kilómetros. Para lograr velocidades de transmisión más rápidas, los investigadores están explorando formas de compensar activamente la dispersión.
Una sola fibra puede transmitir muchas señales separadas simultáneamente en diferentes longitudes de onda de luz, una técnica llamada multiplexación por división de longitud de onda. Esto es análogo a la transmisión de muchas señales de radio y televisión a través del aire en diferentes frecuencias.
Al igual que el número de estaciones de radio, el número máximo de canales ópticos está limitado por el segmento de espectro utilizado para cada canal y la cantidad total de espectro disponible. Los dispositivos llamados demultiplexores separan los canales ópticos y los distribuyen a receptores ópticos separados. Los demultiplexores cortan el espectro en trozos muy estrechos, aislando cada canal óptico de los adyacentes.
Al multiplicar el número de canales ópticos por la velocidad de datos en cada canal óptico, se obtiene la capacidad de transmisión total de una fibra. Los experimentos de laboratorio han transmitido más de 10 billones de bits (10 terabits) por segundo a través de más de 100 kilómetros de fibra. Sin embargo, las velocidades de transmisión comercial no suelen superar unos pocos cientos de gigabits por segundo.
Lograr estas altas velocidades de datos y múltiples canales requiere componentes sofisticados. Los láseres semiconductores, que generan los pulsos de luz utilizados en casi todos los sistemas de comunicaciones de fibra óptica, deben emitir solo un rango muy estrecho de longitudes de onda para limitar la dispersión. Las fibras también están diseñadas para limitar la dispersión.
Amplificadores
Las fibras ópticas más claras pueden transmitir señales a más de 100 kilómetros sin amplificación, mucho más lejos que los cables de cobre. Cuando la señal debe abarcar una distancia mayor, pasa a través de un amplificador óptico, que multiplica la fuerza de la señal óptica. Los amplificadores ópticos más utilizados son fibras dopadas con átomos de erbio, un elemento de tierras raras que absorbe la energía luminosa de una bomba láser externa. Luego, los átomos de erbio liberan esa energía para amplificar las señales ópticas débiles en toda la banda de longitudes de onda que transmite el láser. Con un control cuidadoso, una serie de docenas de amplificadores de fibra óptica pueden transmitir señales a miles de kilómetros a través del océano.
Interruptores ópticos
Un desafío para las redes ópticas es cómo cambiar las señales de luz. Cuando una señal llega a su destino, debe separarse del resto de canales. Para dejar caer una señal en un punto intermedio, un filtro óptico separa la longitud de onda adecuada del resto. El equipo en ese punto también puede agregar una nueva señal a la longitud de onda ahora desocupada.
Los interruptores ópticos pueden operar en una sola longitud de onda o en todas las longitudes de onda transmitidas a través de una fibra. Un filtro fijo, como el descrito anteriormente, podría ser reemplazado por un interruptor que selecciona uno de varios filtros para desviar la longitud de onda deseada al punto intermedio. Un tercer tipo de interruptor separa las longitudes de onda en haces separados, y un espejo móvil dirige una o más de las longitudes de onda en una dirección diferente. Otros conmutadores ópticos conmutan simultáneamente todas las longitudes de onda que pasan a través de una fibra; un ejemplo es un espejo en la salida de la fibra que podría inclinarse entre dos posiciones diferentes para desviar todos los canales ópticos en caso de rotura de la fibra.
Los ejemplos anteriores se denominan conmutadores totalmente ópticos porque funcionan con señales luminosas. Una clase diferente de interruptores convierte las señales ópticas en una forma electrónica que se puede cambiar electrónicamente; la señal electrónica resultante luego se alimenta a un transmisor óptico para generar una nueva señal óptica. Estos se denominan interruptores optoelectroópticos.
A medida que avanza la tecnología, las redes ópticas deberán convertir las señales de una longitud de onda a otra. Esto se puede hacer ahora con convertidores de longitud de onda opto-electro-ópticos que convierten la señal óptica de entrada en forma electrónica para impulsar un transmisor en la segunda longitud de onda. Los convertidores de longitud de onda totalmente ópticos se han demostrado en el laboratorio, pero aún no se utilizan en sistemas prácticos. También se necesitarán fuentes láser que se puedan sintonizar en muchas longitudes de onda diferentes; Se han demostrado varios tipos y algunos están en producción comercial.