Tecnología de transistores de microondas basados en Nitruro de Galio (GaN) para aplicaciones Radar

El siguiente artículo estudia las características de los principales materiales utilizados en la actualidad para la fabricación de transistores de microondas como son Silicio (Si), Arseniuro de Galio (GaAs), Carburo de Silicio (SiC) y Nitruro de Galio (GaN) y describe como condicionan la operación del transistor cuando se requieren potencias de salida altas, del orden de cientos y miles de vatios, habitualmente las necesarias en aplicaciones Radar.

Se mostrará como los transistores de microondas fabricados con GaN son adecuados para aplicaciones de alta potencia debido a las superiores propiedades físicas y químicas de estos semiconductores. Si además añadimos las modernas técnicas de polarización de alta eficiencia, los transistores fabricados con la tecnología de Nitruro de Galio se perfilan como los candidatos idóneos para ser utilizados en los transmisores de sistemas Radar. La gran mayoría de los transmisores Radar requieren dispositivos activos que puedan generar una potencia de salida de RF del orden de kilovatios e incluso de megavatios. Habitualmente se utilizan para estas aplicaciones dispositivos basados en  tubos de ondas progresivas. Sin embargo, estos dispositivos son voluminosos, caros y pueden tener problemas de fiabilidad. Aunque los amplificadores basados en semiconductores tienen a priori más eficiencia, han estado hasta ahora limitados por el voltaje que se podía aplicar al dispositivo debido al crítico campo de ruptura inherente a estos materiales, lo que hace que se requiera una corriente muy alta y también un mayor tamaño. Trabajar con una corriente de operación alta disminuye la eficiencia debido a las pérdidas y al hecho de que los dispositivos de gran tamaño presentan una alta capacitancia y muy baja impedancia limitando así la frecuencia de operación y el ancho de banda [1]. La tecnología de GaN es ahora capaz de ofrecer una solución a este problema.
Los amplificadores de estado sólido están ya reemplazando a los de tubos de ondas progresivas (TWTA, Traveling Wave Tube Amplifiers) en algunas aplicaciones de microondas de alta potencia. Sin embargo, las bajas tensiones de operación hacen que el circuito asociado sea muy grande lo que implica un dispositivo más complejo a la vez que reduce el yield de producción y la fiabilidad.  Las tecnologías de semiconductores de banda prohibida ancha (WBG, Wide Band Gap) como el GaN pueden alcanzar densidades de potencia cinco veces mayores que las de los transistores convencionales de GaAs tanto de efecto de campo como bipolares de heterounión. La ventaja final es la reducción de la complejidad del circuito, mayor ganancia y eficiencia, y también una mayor fiabilidad. En particular, los sistemas Radar se beneficiarán del desarrollo de esta tecnología.

El GaN es el futuro
El desarrollo de semiconductores de banda prohibida ancha, tales como el GaN o aleaciones basadas en GaN, ofrece la posibilidad de fabricar dispositivos activos de RF, especialmente transistores de potencia HEMT (High Electron Mobility Transistor), con una potencia de salida significativamente mayor. Esta mejora en la potencia de salida de RF se debe a las especiales propiedades de este material, de entre otras destacan: alto campo de ruptura, elevado valor de saturación de la EDV (velocidad de Drift de los electrones) y cuando se utilizan sustratos de SiC, mayor conductividad térmica. Los datos mostrados en la Tabla 1 [2] permiten comparar los materiales Si, GaAs, SiC y GaN. La mayor conductividad térmica del SiC y del GaN reduce el aumento de temperatura de la unión debido al autocalentamiento. El campo de ruptura de cinco a seis veces mayor del SiC y del GaN da ventaja a estos materiales frente al Si y el GaAs para dispositivos de potencia de RF  [2]. El SiC es un material de banda prohibida ancha (3.2eV) pero tiene una movilidad de electrones baja, lo cual dificulta su uso en amplificadores de alta frecuencia. El SiC está también limitado porque las obleas de este material son caras, pequeñas y de baja calidad.
Aunque la movilidad de los portadores es significativamente mejor en los dispositivos de GaAs, la alta velocidad de pico y de saturación de la EDV de los HEMT de GaN compensa su relativa menor movilidad permitiendo su utilización a altas frecuencias. Estas ventajas del GaN sumadas a la alta linealidad y al bajo ruido de las arquitecturas HEMT abren las puertas a estos dispositivos para su utilización en la fabricación de amplificadores Radar de alta potencia.
Una ventaja adicional de los HEMT de GaN radica en el gran offset de energía entre la banda de conducción del GaN y la capa barrera de AlGaN. Esto permite un aumento significativo de la densidad de portadores en el canal en los HEMT basados en GaN con respecto a otros materiales (hasta 1013cm-2 y más). Si sumamos la posibilidad de utilizar un mayor voltaje conseguimos un aumento en la densidad de potencia. La densidad de potencia es un parámetro muy importante para los dispositivos de alta potencia ya que cuanto mayor es menor es el tamaño del dado y más sencillas son adaptaciones de entrada y salida. En la Figura 1 se muestra el rápido progreso de la densidad de potencia de RF frente al tiempo para un FET (Field-Effect Transistor) de GaN en Banda X.
Los altos voltajes de operación y las altas densidades de potencia que se alcanzan con los dispositivos de RF de banda prohibida ancha ofrecen muchas ventajas en el diseño, fabricación y montaje de amplificadores de potencia en comparación con las tecnologías de LDMOS (Lateral Double-Difusse MOS) de Silicio o la de
MESFET (Metal Epitaxial Semicon-ductor Field Effect Transistor) de GaAs. La tecnología HEMT de GaN ofrece una alta potencia por ancho de canal unitario, lo cual se traduce en dispositivos más económicos y de menor tamaño para la misma potencia de salida, esto no sólo hace  que sean más fáciles de fabricar sino que aumenta la impedancia de los dispositivos. El alto voltaje de operación que se consigue con la tecnología de GaN elimina la necesidad de convertidores de tensión y por consiguiente reduce también el coste final del sistema.

El camino está claro
La Figura 2 [2] muestra una gráfica de la potencia de salida frente a la frecuencia para los dispositivos de estado sólido y tubos de microondas que constituyen el actual estado del arte.
Históricamente, lo amplificadores de tubo, tales como los controlados por rejillas, magnetrones, kystrones, tubos de onda progresiva y amplificadores de campos cruzados (CFA, Cross Field Amplifier) han sido usados como amplificadores de potencia en los transmisores Radar. Estos amplificadores generan alta potencia pero habitualmente trabajan con ciclos de trabajo (duty cicle) bajos. Los amplificadores de Klystron ofrecen mayor potencia que los magnetrones a frecuencias de microondas y también permiten el uso de formas de onda más complejas. Los tubos de onda progresiva son similares a los klystrones pero con mayores anchos de banda. Los CFA se caracterizan por tener grandes anchos de banda, poca ganancia y ser compactos.
Los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA, Solid State Power Amplifier) soportan pulsos largos y formas de onda con altos ciclos de actividad. A pesar de que los elementos utilizados en los SSPA tienen individualmente poca amplificación de potencia pueden combinarse para conseguirla. Los transistores bipolares de Silicio, los MESFET de Arseniuro de Galio y los PHEMT (Pseudomorphic HEMT) de Arseniuro de Galio son algunos de los elementos utilizados en los SSPA. Los HEMT de GaN pueden ser combinados para crear un SSPA con una potencia media de salida mayor y por consiguiente un mayor rango de detección del Radar.
Como se puede ver en la Figura 2, los transistores de estado sólido producen niveles de potencia de RF menores de 200 vatios en Banda S y su salida va decreciendo a medida que aumentamos la frecuencia [1]. La potencia de salida de RF de los FETs de GaAs se acerca a los 50 vatios en banda S y a aproximadamente a 1 vatio en banda Ka1. Los FETs de GaAs tienen una la potencia de salida limitada principalmente por la baja tensión de ruptura del drenador1. Los dispositivos semiconductores fabricados con materiales de mayor banda prohibida, tales como el GaN, ofrecen unas prestaciones significativamente mejores.
Con el paso del tiempo han ido apareciendo diferentes figuras de mérito que permiten evaluar los distintos semiconductores con potencial para ser utilizados en aplicaciones que requieren alta potencia a altas frecuencias de trabajo. Mediante estas figuras de mérito se pretende aunar las propiedades más relevantes de los materiales en un valor cualitativo. Así la figura de mérito de Johnson (JFOM = ECR vsat/p) tiene en cuenta el campo de ruptura ECR y la saturación de la EDV Vsat. Como puede verse en la Figura 3 [3], la figura de mérito de Johnson para el GaN es por lo menos 15 veces la del GaAs.
Aethercomm cree que si la tendencia de crecimiento del GaN se mantiene al ritmo actual, el comportamiento previsto para los HEMT de GAN en el año 2010 será el representado en la Figura 4. El GaN pronto superará a todos sus competidores.

La eficiencia es la clave
Los sistemas Radar más modernos utilizados en aplicaciones militares demandan nuevos requerimientos para los amplificadores de potencia de RF debido a la necesidad de reducir el tamaño, peso y coste. Los mayores cambios en las especificaciones se centran cada vez más en mejorar la eficiencia del amplificador para reducir los requerimientos de potencia DC y mejorar la fiabilidad del sistema a través de una menor disipación de potencia del componente. Los dispositivos de microondas basados en tecnologías de banda prohibida ancha y alta eficiencia permitirán además aumentar las prestaciones del sistema.
La capacitancia parásita y el alto voltaje de ruptura de los HEMT de GaN les hace ideales para funcionar en modos de amplificación de alta eficiencia clase E y clase F. Ambos modos tienen una eficiencia teórica del 100 %. Recientemente, algunos fabricantes de transistores de GaN han implementado amplificadores híbridos de clase E. Resultados típicos obtenidos son 10 vatios de potencia de salida en banda L con eficiencias comprendidas entre el 80% y 90%.
Aethercomm ha entregado recientemente un módulo amplificador de clase F para Banda L. La potencia de salida deseada debía superar los 50 vatios con una eficiencia del 60% para todo el amplificador. Debido a los plazos tan ajustados del programa fue necesario utilizar transistores estándar encapsulados en lugar de desarrollar una solución híbrida a medida.
La etapa final del amplificador de potencia se implementó utilizando un par balanceado de HEMT encapsulados de GaN trabajando en clase F. Las redes de adaptación incluyendo las terminaciones armónicas necesarias para la operación en clase F fueron diseñadas considerando inicialmente un modelo ideal del transistor. A continuación se introdujeron las inductancias y las capacitancias parásitas del encapsulado del transistor y se modificaron las redes de adaptación para mantener las terminaciones armónicas requeridas a nivel del transistor en dado. Posteriormente se simuló el amplificador utilizando un modelo no lineal del transistor y se modificaron las redes de adaptación para optimizar eficiencia y potencia.
Se construyó un prototipo en configuración single-ended para la etapa de salida de clase F. Se obtuvo una eficiencia de drenador del 75%, una potencia de salida de 40 vatios y una ganancia de 16 dB con un ajuste mínimo. Los resultados fueron muy similares a los obtenidos en la simulación. No había disponibles dispositivos de GaN de baja potencia adecuados para la etapa de driver, se diseñó uno de tres etapas utilizando MESFET de GaAs que trabajaban en clase A. Inicialmente se creía que las etapas del driver deberían haber trabajado en un modo de alta eficiencia para así alcanzar la PAE (Power Added Efficiency) requerida; sin embargo, los análisis indicaron que con un dimensionado adecuado de los transistores la operación en clase A era permisible.  El driver tuvo una ganancia de 40 dB y un consumo de potencia de 10 vatios.
La configuración final del amplificador de potencia tuvo una PAE de pico del 63% y una potencia de salida de 75 vatios. El amplificador tenía una potencia de salida de 65 vatios y un 61% de PAE a P2dB. La Tabla 2 muestra las características del amplificador para distintos valores de potencia de salida. Debido a que la etapa final de clase F está polarizada en el umbral, sin corriente de drenador, el amplificador ofrece un amplio rango de funcionamiento para potencias bajas. La ganancia del amplificador alcanza un pico y después comienza a comprimirse cuando se alcanza la máxima potencia de salida. La Tabla 2 muestra la eficiencia de este diseño para distintas potencias de salida.
Aethercomm también ha desarrollado un dispositivo HEMT de GaN de 200 vatios sobre sustrato de SiC diseñado para maximizar la PAE y mantener una alta potencia de salida para una frecuencia de operación de 1215 MHz a 1390 MHz.  Se observaron eficiencias mayores del 56% mientras se mantenía niveles de potencia de salida en exceso de 205 vatios de P3dB.
Muchos SSPA para aplicaciones Radar son diseñados con dispositivos semiconductores de RF configurados para trabajar en clase C. Esta forma de polarización proporciona una operación muy eficiente para una etapa de un único transistor, sin embargo, el transistor de clase C tiene una ganancia tan baja, típicamente 6 dB, que la ventaja ganada en la eficiencia se pierde al necesitarse muchas etapas adicionales de ganancia para alcanzar la potencia deseada de salida.

Conclusión
Los futuros sistemas Radar tales como los basados Radar de phase-array activo requerirán de forma creciente SSPA cada vez más eficientes y pequeños. El deseo de lograr barridos extremadamente rápidos, rangos de detección mayores, la posibilidad de localizar y seguir un gran número de objetivos, una baja probabilidad de ser interceptado y la posibilidad de funcionar como un inhibidor requerirán una tecnología de transistores innovadora y rentable. Recientes desarrollos en el campo de los HEMT de GaN han hecho posible diseñar amplificadores de una gran eficiencia a frecuencias de microondas. Los dispositivos HEMT de GaN proporcionan una alta corriente de pico con una baja capacitancia de salida así como un voltaje de ruptura y una densidad de potencia extremadamente alta. Esta combinación única de características permite a los diseñadores conseguir amplificadores con unas prestaciones en conjunto muy superiores a las logradas con dispositivos basados en las tecnologías alternativas existentes en la actualidad.


Nombre: Luiggi Escalante

CI. 18878611

CRF


Fuente: http://www.conectronica.com/componentes-rf/tecnologia-de-transistores-de-microondas-basados-en-nitruro-de-galio-gan-para-aplicaciones-radar

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Tecnología para un futuro de banda ancha

A medida que la tecnología informática ha ido evolucionando a lo largo de los últimos 30 años aproximadamente, se ha producido un aumento cada vez mayor de la demanda por parte de los usuarios finales de un acceso de buena calidad y alta velocidad a los servicios de telecomunicaciones.
A medida que la tecnología informática ha ido evolucionando a lo largo de los últimos 30 años aproximadamente, se ha producido un aumento cada vez mayor de la demanda por parte de los usuarios finales de un acceso de buena calidad y alta velocidad a los servicios de telecomunicaciones. Esta demanda procede de todos los sectores de la sociedad –desde empresas, grandes y pequeñas, hasta particulares que quieren acceso desde sus hogares. Normalmente, los usuarios simplemente requieren acceso a Internet de banda ancha (por ejemplo, alta velocidad). Los términos "banda ancha" y "alta velocidad" se refieren estrictamente a cualquier velocidad de acceso más rápida que la que se consigue mediante el acceso por marcación a través de la red telefónica. El significado exacto de los términos está determinado por el contexto en el que se utilizan.
Muchos gobiernos consideran que en el siglo XXI un acceso de calidad y alta velocidad a los servicios de telecomunicaciones será clave para el desarrollo económico de sus países. Esto se compara a menudo con el desarrollo de las autopistas en el siglo XX. Además, la OECD (Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico por sus siglas en inglés) publica actualmente estadísticas y clasificaciones de países en relación con la disponibilidad y el uso de la banda ancha por parte de los usuarios finales en los mismos1. Por lo tanto, la implantación de la banda ancha se considera un indicador del desarrollo económico de un país y de su capacidad de crecimiento en el futuro. Todo esto, simplemente muestra que los servicios de telecomunicaciones se han convertido en un aspecto básico de la vida diaria de la sociedad moderna.
Hoy en día, la abrumadora mayoría de los usuarios de banda ancha obtienen acceso compartiendo el "último kilómetro" de cable de la red telefónica o de televisión del servicio existente. Esto da como resultado una velocidad de subida de entre 128 Kbps y 1 Mbps, y una velocidad de bajada de unos 6 Mbps (en realidad, la velocidad nominal de bajada disponible es mayor, pero el acceso se comparte entre múltiples usuarios). Ahora el problema es que los usuarios finales solicitan anchos de banda que están empezando a exceder la capacidad de las bandas de primera generación. Se habla ya del deseo de llegar a un ancho de banda de hasta 100 Mbps.
Una capacidad tan grande en relación con la actual requerirá un cambio radical de la tecnología, un cambio que se convertirá en la base del desarrollo en el futuro. Existen diversas alternativas técnicas que ofrecerían un acceso de alta velocidad universal, aunque el principal problema es su coste. En lo que al sistema telefónico se refiere, la red de acceso supone hasta un 70% del coste total de la red. En cuanto al mantenimiento regular, el coste de funcionamiento y mantenimiento de la porción de acceso de la red podría superar incluso el 70% del coste de funcionamiento total.
Cualquier nuevo método de acceso de red deberá además proporcionar los servicios existentes. Está claro que Internet es la tecnología de la World Wide Web y del correo electrónico, y parece inevitable que servicios existentes como el teléfono e incluso la televisión por cable "emigren" de forma rápida a Internet. Sin embargo, esto aún no ha sucedido, y deberán transcurrir aún muchos años hasta que se complete la transición.
Existen varias arquitecturas potenciales disponibles que de alguna forma satisfarían las necesidades. Por supuesto todas ellas tienen unos beneficios y suponen unos gastos.
- Una solución ideal podría ser conectar a cada usuario final directamente a una central de conmutación (centralita) a través de un par dedicado de fibra óptica. Esto satisfaría todas las necesidades previsibles y por tanto resultaría una gran inversión a largo plazo, pese a su alto coste inicial.
- Otra solución sería alcanzar una mayor velocidad a través de los cables telefónicos de cobre existentes acortando la distancia entre los usuarios y la central de conmutación. Se trataría de la denominada solución FTTx ("Fibra a x" por sus siglas en inglés - la "x" aquí se utiliza para indicar que el punto de unión intermedio podría encontrarse en diversas ubicaciones posibles, siempre que no estuviera a más de unos 500 metros del usuario final). Para lograr esto, deben instalarse refugios para el equipamiento (cabinas) en algún lugar entre las centrales de conmutación existentes y el usuario final. Dichas cabinas podrían estar en la calle, en un edificio adecuado o dentro de la propiedad del usuario. Esta solución supone un coste significativamente más bajo que la instalación total de fibra óptica, aunque la velocidad disponible sólo satisfaría las necesidades inmediatas de acceso a Internet y el coste de mantenimiento regular podría ser bastante alto.
- Las soluciones de radiofrecuencia pueden ofrecer una solución –y de hecho lo hacen. El problema que tienen es que el ancho de banda disponible es insuficiente. La solución funcionaría y sería muy económica para un pequeño número de usuarios, pero no sería adecuada para una amplia utilización en ciudades densamente pobladas. Cabe la posibilidad de que una arquitectura celular, similar a la utilizada para las redes de telefonía móvil, fuera una solución apropiada. Sin embargo, para lograr esto se necesitarían gran cantidad de estaciones base situadas cerca de los usuarios finales. Estas estaciones base deberían estar conectadas mediante fibra óptica y necesitarían un potente suministro eléctrico y grandes antenas. En realidad, la puesta en práctica de esta solución sería complicada por diversas razones, entre ellas la preocupación política sobre riesgos de radiación.
- La solución más económica para la mayoría de situaciones sería una solución óptica global. Cada usuario final estaría conectado a través de fibra óptica, Y estas fibras se conectarían entre sí mediante divisores ópticos pasivos situados en la calle. En la central de conmutación, un par de fibra simple contaría con 32 usuarios (incluso más) "multiconectados" al mismo. Debido a la necesidad de instalar nuevas fibras en la ubicación de cada usuario final, esta solución también conlleva un alto gasto de instalación, aunque considerablemente más bajo que la solución "ideal" planteada como hipótesis anteriormente. Además, su coste de mantenimiento regular es bajo y (si se necesitara) podría sustituirse por la arquitectura "ideal" en un futuro. En la actualidad, existen diversas variantes de esta solución disponibles designadas con el apelativo genérico PON (Red óptica pasiva por sus siglas en inglés). La PON más adecuada actualmente es la llamada GPON (Gigabit PON). Existen pocas dudas sobre el hecho de que una solución basada en PON sea la única arquitectura disponible para satisfacer las necesidades previsibles de los 20 próximos años o más con un coste razonable. No obstante, FTTx también satisface la demanda actual y además "deja la puerta abierta" para evolucionar a PON en el futuro.
Independientemente de la arquitectura que se adopte, deberá utilizarse fibra óptica en la red de acceso. El problema es decidir qué red se puede diseñar para satisfacer la demanda actual de los usuarios a la vez que se allana el camino (de tecnología neutra) para una futura evolución, y todo ello a un precio asequible.
Aplicaciones actuales y adecuadas para el futuro
Todas las tecnologías de red propuestas deben centrarse en las necesidades de cualquier tipo de usuario potencial.
Viviendas
La conexión de red en las viviendas particulares es quizá la aplicación predominante, debido a las cifras que implica. Se recoge una amplia gama de aplicaciones, entre ellas control de alarmas (en el que se transfiere una cantidad de datos mínima), correo electrónico, acceso a Internet (www), teléfono, televisión por cable tradicional, vídeo a la carta, etc. Un número cada vez mayor de ellas muestran un cierto grado de "crecimiento orgánico". Por ejemplo, actualmente los sitios Web cuentan con gran cantidad de animaciones Flash y contenido de audio y vídeo, por lo que una conexión más rápida facilita la navegación y ayuda a la población, tanto en el trabajo como en casa, a ahorrar tiempo.
Otra aplicación que necesita mucho ancho de banda frecuentemente mencionada es el vídeo a la carta. En el pasado, esto se había considerado (y probado) como una entrega de vídeo controlada (películas de todo tipo) a través de una conexión entre el proveedor de servicios y el usuario. No obstante, es importante destacar que en la tecnología actual podría establecerse una arquitectura alternativa que enviara la película completa (quizá 3 ó 4 Gb) en un archivo a un disco duro situado en el descodificador del usuario. Así, el usuario podría ver la película del mismo modo que vería cualquier programa grabado previamente. Esta arquitectura elimina la necesidad de sincronizar el usuario con la red y simplifica el sistema de entrega al proveedor. Para conseguir esto con material HDTV se necesitaría una velocidad de conexión de al menos 10 Mbps, aunque con una velocidad superior a cien Mbps sería aún más eficaz.
También es posible concebir la IPTV como el método predominante de emisión de TV en nuestras casas. Actualmente, no se emiten demasiados programas de TV en directo (prácticamente sólo programas deportivos e informativos), sino que la mayoría se han grabado previamente. Si se llegara a la situación mencionada, el espectador podría consultar un menú de los programas disponibles en ese momento, descargarlos a un descodificador y reproducirlos desde el mismo. Para tratar la minoritaria cantidad de emisiones en directo se necesitaría un mecanismo determinado, pero algunos ya prevén que éste será el futuro de la televisión.
Pero no es únicamente el entretenimiento lo que hace que aumente la demanda de conexiones de red con mayor velocidad en nuestras casas, también los negocios lo requieren dado que el aumento del coste social, medioambiental y económico de los transportes llevan cada vez a más gente a trabajar al menos parte de la semana desde casa.
Empresas (grandes y pequeñas)
Tradicionalmente, las empresas se han caracterizado por contar con un amplio número de usuarios finales, datos (de transacción) relativamente pequeños y la necesidad de plazos de respuesta muy cortos. De ahí que se hayan necesitado rápidos accesos de red. Todo esto sigue desarrollándose y cada vez más aplicaciones utilizan imágenes gráficas, a medida que maduran aplicaciones como las de videotelefonía y videoconferencia. El problema demográfico de muchas empresas es que habitualmente están situadas en polígonos industriales, en donde los operadores de TV por cable no instalan sus redes debido al alto coste y demanda limitada, privando a muchas de estas empresas de un acceso de banda ancha muy popular en las viviendas particulares.
Hospitales, universidades y escuelas
Estos usuarios son similares a los de las grandes empresas, si exceptuamos que en los últimos tiempos han comenzado a utilizar aplicaciones de visualización de datos. Las tomografías computarizadas y la "visualización científica" requieren la transferencia de archivos muy grandes que deben enviarse en un período de tiempo relativamente corto.
En medicina, las aplicaciones con mayor auge en la actualidad son aquellas que permiten a los especialistas realizar diagnósticos o consultas a distancia estando a cientos o incluso miles de kilómetros del paciente. Incluso algo tan simple como una radiografía debe transmitirse con alta resolución ya que, como afirman dichos especialistas, necesitan el mayor aumento posible en la calidad de la imagen. Lo mismo ocurre con las consultas a distancia, en relación a las cuales los médicos exponen que los vídeos deben ser de alta calidad para poder observar al paciente con claridad. Elementos aparentemente tan triviales como el historial médico de un paciente pueden ser de suma importancia ante una emergencia. Cuando alguien acude a Urgencias, a menudo se encuentra lejos de su doctor habitual, por lo que la posibilidad de contar con su historial puede marcar la barrera entre la vida y la muerte. Por lo tanto, existen buenas razones para hacer que los historiales (al igual que las radiografías, TAC, etc.) estén disponibles online con el fin de poder ser consultados desde cualquier lugar en caso de emergencia.
Además, no transcurrirá demasiado tiempo antes de que las tecnologías de visualización se utilicen de forma habitual en las aulas, e incluso en los juegos de los que disfrutamos en nuestras casas.
Infraestructura móvil
Las redes de telefonía (y datos) móvil conectan al usuario final a través de conexiones de radio a corta distancia (normalmente menos de un kilómetro). Esto significa que existen gran cantidad de estaciones base distribuidas en toda la zona cubierta. Todas ellas deben estar conectadas en una red principal de datos y telefonía. En el pasado, esto se lograba mediante fibras, con enlaces microondas y con cables de cobre. Dado que las redes móviles continúan su desarrollo y expansión (especialmente para ofrecer acceso a Internet), las estaciones base de telefonía móvil tendrán que contar a partir de ahora con conexiones de subida de alta velocidad. Por supuesto, éstas podrían integrarse (o al menos reubicarse) en otros equipos de red.
Necesidades inmediatas
La Tabla 1 ofrece una visión general de las necesidades de banda ancha en las aplicaciones existentes.
La red telefónica existente
Las primeras redes de telefonía utilizaban circuitos abiertos para la conexión, un método muy adecuado para lograr el objetivo deseado. Sin embargo, incluso para un pequeño número de usuarios se necesitaba un gran espacio exterior en el que poder instalar los postes telefónicos. Además, se ha calculado que si se quieren ofrecer servicios de telefonía a más población de los países occidentales, se necesitaría más cobre del disponible en todos los depósitos de dicho metal conocidos.
La arquitectura de la red de acceso telefónico tradicional (figura 1) es la siguiente:
- Un par simple de cables relativamente delgados (0,4-0,8 mm) establecen una ruta dedicada y contigua desde cada usuario final hasta la central de conmutación, a menudo situada en un radio de unos 4 km, a veces hasta 6 km, por medio de cables más gruesos.
- Los cables que llegan y salen desde la central contienen unos 600 pares de cables de cobre, en ocasiones más.
- Los cables a menudo están enterrados2 y conectados a un "cuadro de conexiones" situado en la calle. En éste, cada par se aísla y conecta a otro par de cables salientes.
- Cada par dirige la señal de teléfono analógica y tensión de bajo voltaje de corriente continua (CC) para alimentar al teléfono receptor. En la mayoría de las redes se suministra mayor tensión a la línea para hacer que el teléfono suene. A menudo, esto permite a los usuarios poder utilizar el teléfono en caso de emergencia aunque se haya cortado el suministro eléctrico principal.
- En el caso de las viviendas unifamiliares, normalmente sólo se necesita un par simple para realizar la conexión. Por el contrario, en edificios con más de una vivienda o local, habitualmente se utilizan cables de pares múltiples.
- La red entre la central y el usuario final en sí misma es totalmente pasiva. Aunque los cables contienen energía eléctrica, en la ruta de la señal NO existen componentes activos. Ésta es una de las razones de la alta fiabilidad de las redes telefónicas.
- Las centrales de conmutación a menudo son edificios bastante grandes en los que hay técnicos y personal de mantenimiento todos los días durante las 24 horas.
Acceso de banda ancha a través de las conexiones telefónicas existentes (xDSL)
La Línea/Bucle de abonado digital (DSL por sus siglas en inglés) es el nombre de servicio genérico utilizado para designar el conjunto de tecnologías que permiten el uso de las líneas de telefonía existentes para transferir datos de banda ancha (multi-megabits-por-segundo). En este contexto, la línea telefónica utilizada es un Par trenzado telefónico (TTP) formado por dos cables de cobre conectados (con una configuración punto a punto) entre la central y el usuario final. Habitualmente dicho usuario final es una vivienda particular o una pequeña empresa, pero puede tratarse de cualquier tipo de ubicación que disponga de teléfono analógico. En muchos países, el ADSL es la tecnología predominante para el acceso a Internet de banda ancha.
Existen diversos protocolos DSL. Cuando se habla de xDSL, la "x" se utiliza para referirse a cualquiera de los componentes de la familia genérica de protocolos. El DSL más extendido es el ADSL (Línea de abonado digital asimétrica). Se denomina asimétrica porque dependiendo de la dirección en que se envíen los datos la velocidad es diferente. En el diagrama de la Figura 2 se muestra su configuración. Lo más destacable es que el TTP que conecta al usuario con la central es lo ÚNICO compartido por la red telefónica y la conexión de datos de banda ancha.
Se trata de una característica muy importante. Los circuitos telefónicos "de extensión" (o "bucle local") se diseñaron en el siglo XX con el fin de ofrecer conexiones para los teléfonos analógicos. Todas las características de estos circuitos (longitud máxima, topología física, grosor del cableado, material aislante, etc.) fueron determinadas por el aspecto económico en relación con la comunicación telefónica del momento. Como soporte de señales digitales de banda ancha y alta velocidad, este sistema está de alguna forma lejos de ser ideal.
Cada protocolo tiene unas características específicas. Algunas de ellas se resumen a continuación:
Línea de abonado digital asimétrica (ADSL)
El ADSL se diseñó en principio para ofrecer conexión de banda ancha en residencias. La velocidad de transmisión de datos máxima especificada en el estándar es de 6 Mbps de bajada y 640 Kbps de subida. Sin embargo, dicho estándar ofrece a los fabricantes de equipos cierta libertad para proporcionar velocidades superiores. No obstante, el potencial máximo de la velocidad real alcanzable a menudo se ve reducido por la distancia o la calidad de la línea. Cuanto mayor es la distancia, menor es la velocidad de transmisión de datos máxima. La velocidad real de la que dispone un usuario puede disminuir también dependiendo del servicio contratado. Por ejemplo, un proveedor de servicios puede ofrecer servicios de 1,5 Mbps, 3 Mbps y 6 Mbps a un precio diferente.
ADSL-Lite
Un problema del ADSL es que el teléfono analógico y los datos de banda ancha permanecen en el mismo enlace. En las construcciones en las que existen diferentes salidas de teléfono, esto significa que es necesario tener un divisor (pasivo), para separar la voz de los datos, en la entrada de la misma, y por tanto se necesita un nuevo cableado para los datos. El inconveniente es que para instalar dicho divisor y el nuevo cableado en necesario acudir a un técnico, por lo que el coste adicional es considerable.
El protocolo ADSL-Lite fue diseñado para permitir la instalación directa en el equipo del usuario (por ejemplo el teléfono y el módem) de unos sencillos filtros proporcionados. En algunas ocasiones ni siquiera se necesitan dichos filtros. De esta forma, no se debe acudir a un técnico (y por tanto el coste es menor), AUNQUE la velocidad de transmisión de datos también se reduce en gran medida. La velocidad máxima definida es de 1,5 Mbps de bajada y 512 Kbps de subida.

Redes de televisión por cable (HFC)
En la Figura 3 se muestra la arquitectura de la red estándar necesaria para ofrecer televisión por cable. Ésta se denomina red HFC (red híbrida de fibra y cable coaxial):
- Se extienden fibras desde la central a una cabina situada en la calle. La conexión entre ésta y la central se realiza con un par simple de fibra óptica monomodo3.
- La señal de radiofrecuencia (RF) se transporta por la fibra como si se tratase de una señal analógica. Esto reduce la cantidad de equipamiento necesario en el nodo de fibra, aunque requiere un receptor-transmisor óptico bastante especial (con respuesta lineal).
- En el nodo de fibra, se recupera la señal de la fibra, se amplifica y se envía a un cable coaxial.
- En la ubicación del usuario, se "pincha" el cable y se dirige parte de la señal hacia el usuario final a través de un corto recorrido de cable coaxial dedicado.
- La distancia entre el nodo de fibra y la central puede ser de hasta 50-70 km y por lo tanto sólo se necesitan una o dos centrales aunque se trate de una gran ciudad.
- Los nodos de fibra contienen determinados elementos electrónicos activos, es decir, que contienen energía eléctrica. Así, cuando se sospecha que existe algún problema, los técnicos deben revisar el nodo para saber de qué se trata.
- Un aspecto sin relación con la tecnología, pero fundamental en lo que a características de las redes de TV por cable se refiere, es el hecho de que su objetivo fundamental es ofrecer entretenimiento, por lo que la mayoría de los usuarios sólo invertirán una cantidad de dinero limitada en ellas. En muchos países, esto ha llevado a instalaciones de bajo coste y a un concomitante servicio de baja calidad que habitualmente se refleja en largos períodos de reparación tras un corte. "Al fin y al cabo, es sólo entretenimiento".
- Se debe señalar que la presente estructura no es muy diferente de la de las redes VDSL o PON, que se comentarán más adelante. La única diferencia es la conexión de los "últimos 500 metros" hasta llegar al usuario.
Conexiones de banda ancha a través de redes HFC
El cable coaxial utilizado para conectar a los usuarios con las redes HFC es un método de comunicación realmente adecuado. Es capaz de tratar un ancho de banda de señal muy amplio. Actualmente, los operadores de cable ofrecen conexiones de banda ancha (Internet) y servicios de telefonía tradicionales a través de los cables existentes de forma habitual.
Los servicios de banda ancha se consiguen asignándoles bandas de frecuencia inutilizadas del cable. El principal problema técnico que debe solucionarse para proporcionar el acceso es que estos cables son "buses". Esto significa que muchos usuarios comparten un solo canal y que debe existir un protocolo de arbitraje del acceso en la dirección de subida. Aunque la velocidad ofrecida normalmente es de 30 Mbps, ésta es la velocidad total compartida disponible para todo un grupo de usuarios. Para simplificar la cuestión y ser justos, por lo general se limita la velocidad de subida de los usuarios a 128 Kbps. Por supuesto, cada cable puede tener diversos canales compartidos, con un grupo de usuarios asociado a cada uno de ellos, YA QUE en caso de estar sobrecargados, existe una forma relativamente fácil para que el operador de red "corte un segmento del cable en dos" con el fin de ofrecer dos conexiones de fibra de subida en lugar de una sola. El sistema funciona muy bien con un pequeño número de usuarios pero el servicio puede sufrir importantes problemas de calidad en caso de sobrecarga.
Conexiones de radiofrecuencia
La conexión de banda ancha a la red se puede realizar también mediante tecnología de radio, de hecho en muchos lugares ya se hace. El problema de la tecnología de radio es que el espectro de radiofrecuencia disponible es realmente pequeño, por lo que un uso de radio a gran escala saturaría rápidamente el ancho de banda disponible. Sin embargo, existe la posibilidad de construir una red celular (similar a la red de telefonía móvil). Utilizando poca energía en distancias cortas, podría hacerse uso de las mismas frecuencias una y otra vez. Una estructura como ésta necesitaría una arquitectura parecida a la del FTTx, y también utilizaría fibra para conectar un gran número de estaciones base con el fin de crear una gran red. No obstante, la propagación de radio da problemas en las áreas urbanas en las que existen edificios altos, en zonas montañosas, etc. En la práctica, a menudo es difícil ubicar las antenas.
Entorno de red actual
La primera red de comunicaciones disponible de forma general de la historia fue la red telefónica. Incluso hoy en día, ésta puede verse como la máquina más grande y compleja que el hombre haya creado jamás. Por el contrario, las redes de TV por cable fueron desarrolladas en principio por pequeñas comunidades que querían mejorar su recepción de TV y para ello instalaban antenas compartidas. En EE.UU. estas redes aún se siguen denominando CATV (TV de antena comunitaria por sus siglas en inglés).
Cuando llegaron las redes informáticas, los primeros usuarios eran grandes empresas dispuestas a pagar por servicios especiales "a la medida". El acceso universal era lento y utilizaba los canales de telefonía habituales. Para obtener una velocidad mayor (banda ancha), se construyeron nuevas redes instalando equipos en la mayoría de las centrales. El acceso se logró compartiendo el "último kilómetro" de cable de la central para el nuevo servicio de datos y para el servicio de cable o teléfono existente.
El problema principal actualmente es que los usuarios quieren aún más velocidad, por lo que el acceso compartido con los servicios existentes ya no es adecuado. No obstante, el coste de la instalación de cableado nuevo (de cualquier tipo) en las ubicaciones de los usuarios es elevado y la sustitución de todos los cables existentes sería muy complicada. Las obras exteriores (levantar calles, etc.) son extremadamente costosas. Las tecnologías basadas en radio podrían ser viables, pero las limitaciones del ancho de banda disponible parecen hacer que sea imposible su generalización en zonas urbanas.
A largo plazo (20 años), en principio no quedará otra alternativa que sustituir completamente el cableado de cobre existente por fibra óptica. Sin embargo, es posible actualizar las instalaciones existentes por medio de tecnologías como el FTTc (Fibra a cabina). Esto es muy importante puesto que se satisfará la demanda actual a un coste significativamente menor que mediante la solución ideal, mientras que todo el cableado nuevo podrá ser reutilizado en el futuro cuando la actualización hacia una solución "final" sea imprescindible.
Es importante recordar que cualquier solución propuesta debe poder utilizarse en un futuro infinito y actualizarse en caso de ser necesario. Por otra parte, las soluciones propuestas se deben instalar de forma progresiva y paralelamente a otros servicios (cables de suministro eléctrico, por ejemplo).
Entorno físico
Al considerar las necesidades de las redes, muchos piensan sólo en viviendas unifamiliares construidas en parcelas individuales. Pero en gran parte de países, este tipo de residencia es más la excepción que la regla.
- Actualmente muchas personas viven en bloques o edificios plurifamiliares.
- En América y Europa existen grandes zonas semirurales, situadas fuera de las ciudades, en las que las viviendas están separadas unas de otras por cientos e incluso miles de metros.
- De forma potencial, el coste para dar servicio a un gran bloque de apartamentos es más bajo puesto que se comparten gastos. No obstante, los grandes bloques a menudo se encuentran en calles en las que el coste de la instalación de cables para el acceso es muy elevado. Además, en muchos países, la instalación de los equipos de los proveedores en las viviendas de los clientes se ve afectada por cuestiones legales.
- Las pequeñas empresas tienen características similares a las de las viviendas.
- Muchas grandes empresas situadas fuera de las principales zonas metropolitanas también requieren servicios.
Entorno legal, político y empresarial
En la mayoría de los países, las restricciones legales influyen en las características de la red. Por ejemplo, en EE.UU. existen diversas leyes que definen y limitan el papel de las "Empresas de cable" y de los "Operadores de telefonía". En otros países, el gobierno ha establecido leyes dirigidas a promover la competencia entre proveedores. Estas normas y leyes asumen que la tecnología disponible en la actualidad se va a utilizar en el futuro y, en gran medida, determinan también las posibles opciones de desarrollo de las redes.
FTTx-DSL de muy alyta velocidad de transmisión (VDSL)
Las redes ADSL existentes funcionan muy bien, pero muchos usuarios piensan que es necesaria una velocidad bastante mayor. Como se ha mencionado anteriormente, la velocidad máxima que se puede conseguir en un enlace ADSL depende en gran medida de la longitud de dicho enlace (una de las características del entorno de cables de cobre). ¿Y entonces por qué no reducir la longitud del enlace? La idea aquí es que haya cabina con equipamiento activo situado en alguna parte de la trayectoria del cable existente. Se sustituye el cable de cobre (multipar) de subida por un par de fibra y se deja la conexión de cable de cobre que llega hasta el usuario intacta. El equipamiento DSL se sitúa en la cabina. Esta arquitectura a menudo se llama FTTx, "x" que puede equivaler a cualquiera de las letras del abecedario (Cabina, Acera, Bordillo, Nodo…).
El VDSL opera en distancias relativamente cortas, entre 350 metros y 1,5 km, y a velocidades de hasta 52 Mbps de bajada y 2,3 Mbps de subida. El VDSL-2, tecnología líder en la actualidad, ofrece velocidades aún más altas y distancias algo mayores, y además, y lo que es muy importante, es compatible con los equipos ADSL actuales de los usuarios.
Debemos recordar que las velocidades y distancias indicadas anteriormente dependen en gran medida de las características del cable existente. En algunas situaciones las distancias pueden ser un poco mayores a las señaladas, en otras pueden ser considerablemente más cortas. Además, no debemos olvidar que las características de transmisión de un par en un cable multipar pueden ser diferentes a las de un par adyacente.
La gran ventaja de la tecnología FTTx es que, aunque requiere fibra desde la central hasta la cabina, hace que se ahorren los costes de la instalación de nuevo cable en la ubicación del cliente.
Sin embargo, no es del todo ideal porque:
- Requiere la instalación de cabinas para equipamiento con suministro eléctrico en "cada esquina". Dado que se necesita acceso telefónico, estas cabinas deben contar con un suministro eléctrico de alta fiabilidad.
- Probablemente el coste sea elevado porque para dar servicio a cualquiera de las 50 ciudades más grandes del mundo se necesitan entre 2.000 y 5.000 cabinas. No obstante, aunque esta estructura no esta hecha "a prueba del futuro", si se instala teniendo en cuenta de forma inteligente la migración futura hacia una estructura únicamente de fibra, se pueden minimizar los gastos innecesarios.
- La existencia de equipamiento activo instalado en las calles significa altos costes continuados para el mantenimiento.
- En muchos casos el cable de cobre existente puede ser adecuado para transportar las velocidades propuestas, pero en otros por el contrario no será así. Existen grandes dudas sobre si el sistema funcionará correctamente cuando un gran número de usuarios estén utilizando VDSL. Hoy en día, los técnicos seleccionan los pares de más calidad de los cables para ADSL o VDSL, y los de menor calidad se reservan para los usuarios del teléfono tradicional. Si todo el mundo utilizara xDSL, se cree que no podría hacerse uso de muchos (o la mayoría) de los cables existentes.
Fibra a casa (FTTH) o ubicación    PON
Si se necesita ofrecer servicios a un gran bloque de apartamentos con cerca de 100 viviendas, ¿por qué no llevar la fibra hasta el edificio y colocar un nodo VDSL en el mismo? Esto eliminaría la necesidad de instalar de nuevo cables en el interior del edificio, algo que puede llegar a resultar muy costoso. Por supuesto, los propietarios del edificio deben cooperar y reservar una habitación segura para instalar el equipamiento.
A menudo denominada FTTH o FTTB, esta solución es idéntica a la solución FTTC, excepto por la ubicación de la cabina. Sin embargo, dado que los enlaces finales hacia el usuario son cortos y compuestos habitualmente por cables individuales, la calidad será muy buena y el servicio excelente. El coste, quizá demasiado alto para viviendas unifamiliares, puede ser bastante atractivo cuando se presta servicios a un gran número de viviendas.
Redes ópticas pasivas
Como se ha mencionado anteriormente, una conexión de fibra punto a punto desde cada usuario hasta la central sería la solución técnica ideal desde la mayoría de puntos de vista, exceptuando el coste. Una solución de este tipo ofrecería a cada usuario una capacidad de muchos gigabits de datos por segundo. Ésta satisfaría cualquier necesidad previsible. Una solución que ofrece una capacidad más que adecuada y que se puede conseguir a un precio inferior es la Red óptica pasiva (PON).
La idea de una PON es construir una estructura de red óptica que utilice divisores ópticos pasivos para conectar a muchos usuarios a una sola fibra a su llegada a la central.
En el diagrama de la Figura 4 diagrama anterior se muestra la configuración PON básica. Los divisores fraccionan la señal y envían una parte de ella a cada usuario. No obstante, es importante tener en cuenta que la luz no es electricidad. Los divisores son muy diferentes de un regulador de tensión. Sin embargo, de forma general se pueden considerar similares dado que reducen la señal óptica (en ambas direcciones) de forma considerable. Si la configuración anterior fuera electrónica en lugar de óptica, se podrían asociar a ella cientos o incluso miles de usuarios. Al ser óptica, el límite actual
se sitúa en 32, aunque 64 (GPON)
es posible en determinadas cir-
cunstancias.
Las características más importantes de esta arquitectura son las siguientes:
- Dado que no se necesitan cabinas exteriores, la configuración y funcionamiento de la red son más simples. Los divisores se podrían instalar de forma similar a la que se instalan actualmente los cuadros de conexiones.
- No es necesaria la modificación de las unidades/terminaciones de red óptica (ONU/ONT por sus siglas en inglés) para actualizar las capacidades de acceso a la red con el fin de adaptarse a la evolución de la banda ancha y los servicios multimedia en el futuro.
- El mantenimiento es sencillo dado que el sistema no cuenta con elementos electrónicos activos "sobre el terreno". Una vez que se instala la fibra, seguirá funcionando a menos y hasta que exista un factor externo que le pueda afectar.
- Dependiendo del sistema PON concreto, el usuario final puede estar hasta a 20 km de la Terminación de línea óptica (OLT). En la actualidad, en una gran ciudad pueden existir hasta 500 centrales. Con un sistema PON se necesitarían muchas menos, entre 12 y 20. Esto podría significar un ahorro importante de gastos de funcionamiento.
Protocolos operativos PON
Todos los sistemas PON actuales utilizan de alguna forma la fibra compartida. Desde la perspectiva de la central de conmutación, muchos usuarios finales están conectados a la misma fibra. Esto supone una gran ventaja en cuanto a gastos, ya que hacen falta muchas menos terminaciones de línea en la central. Sin embargo, en esta situación se necesita disciplina para utilizar y administrar los enlaces. Aunque sería posible hacer uso de longitudes de onda de luz múltiples (Multiplexión por división de longitud de onda) para "canalizar" la fibra, si se hace de forma electrónica el coste es bastante más bajo. Por ejemplo, dado que todos los usuarios transmiten datos de subida por el mismo canal, se necesita un protocolo de control para garantizar que sólo transmite datos un usuario cada vez. Además, también se requiere un protocolo para el diagnóstico de problemas y el mantenimiento del equipamiento.
Redes prácticas: resumen y conclusión
En junio de 2007, el 50% de los hogares de Europa Occidental y EE.UU. tenían acceso a Internet de banda ancha. En EE.UU. la mayoría de los usuarios accedían a través de cable módems conectados a redes de TV por cable. En la mayoría de los países de Europa, DSL es el método de acceso más extendido, con más del 75% de usuarios con conexión en cada país.
En EE.UU. hay cerca de 1,5 millones de abonados que utilizan redes piloto FTTx (incluidas PON) de uno u otro tipo. En Japón y Corea del Sur alrededor del 40% de los usuarios se conectan sobre todo a redes PON. En la República Popular China, se han registrado en torno a 15 millones de abonados a FTTx. De forma clara, el uso de tecnologías FTTx y PON está aumentando enormemente en todo el mundo.
La creciente demanda de servicios de telecomunicaciones ha alcanzado su punto más alto al no poder ser satisfecha incrementado las actualizaciones de las redes de telefonía o televisión por cable. La sustitución total de la red de telefonía por una nueva tecnología requeriría una inversión masiva que no se adapta a las tarifas que los usuarios quieren o pueden pagar.
Los operadores de red y los gobiernos deben identificar los niveles inmediatos de demanda real y observar la demanda previsible en un futuro cerca, así como considerar la posible situación dentro de 20 años. Tendrían que identificarse las tecnologías necesarias a largo plazo y mejorar el desarrollo y modificaciones de las redes teniendo en cuenta la arquitectura requerida en el futuro.

Nombre: Luiggi Escalante

CI. 18878611

CRF


Fuente: http://www.conectronica.com/fttx-y-ftth/tecnologia-para-un-futuro-de-banda-ancha

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Sistemas para aplicaciones específicas

Campo de aplicación característico de los detectores de contrastes: recuento de botellas de vidrio. El efector pmd emite una señal analógica proporcional a la distancia entre el objeto y el sensor.

Sistemas fotoeléctricos de gran calidad para diversas aplicaciones. Estupenda relación entre precio y prestaciones. Sensor láser de distancia extremadamente compacto con 10 m de alcance. Sensor para la detección de objetos transparentes (PET, vidrio, film transparente, etc). Amplia variedad de componentes de fijación para una instalación sencilla y segura. Detección de objetos transparentes El recuento de botellas y vidrio o la supervisión fiable de roturas de film transparente se puede llevar a cabo sin dificultades con los sistemas réflex especialmente concebidos para este fin. Para la detección específica de objetos transparentes, ifm dispone de un sistema réflex con histéresis de conmutación reducida. Gracias a su principio de funcionamiento, los sistemas réflex tienen la ventaja de que el haz de luz debe atravesar dos veces el objeto que se va a detectar. Esta circunstancia provoca el amortiguamiento suficiente para poder detectar un objeto transparente de forma segura. Mediante la tecla Teach se efectúa un ajuste preciso. Medición de distancia Gracias al perfeccionamiento de la tecnología PMD (Photonic-Mixer-Device), ahora es posible llevar a cabo mediciones de distancia con precisión milimétrica en aplicaciones con gran alcance y mediante una fotocélula láser. El sensor láser efector pmd funciona según el método del tiempo de propagación de la luz: el elemento emisor emite un haz luminoso que se refleja sobre el objeto y que vuelve al elemento receptor. El tiempo de propagación de la luz que ha sido medido representa la distancia entre el sensor y el objeto. Los sensores convencionales que también utilizan el método del tiempo de propagación de la luz, emplean un diodo fotodetector como elemento de recepción. Una electrónica adicional sirve para el registro y procesamiento de señales. Inconveniente: este tipo de sensores es complejo, de gran tamaño y, por tanto, en muchas ocasiones no es apropiado para la detección de posiciones en aplicaciones industriales. En contraposición, el elemento receptor del sensor PMD tiene un diseño "System-on-Chip": tanto el elemento sensor como la electrónica para la evaluación de señales están integrados en un chip de silicio, el denominado Photo-Mixer-Device (PMD). Ventaja: el sensor ofrece un elevado rendimiento en un formato compacto e idóneo para la industria. El campo de aplicación del efector pmd abarca desde la medición de niveles y la detección de posiciones (p. ej. de carretillas de manutención en almacenes inteligentes), hasta la protección contra colisiones en sistemas autónomos de transporte industrial. Nombre: Luiggi Escalante CI. 18878611 CRF Fuente: http://www.ifm-electronic.com/ifmes/web/pinfo1_40_40_40.htm

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Una evolución inteligente de los sistemas de medición del ancho de banda

Cables Fibra Óptica

El EMBc (ancho de banda modal efectivo calculado) mejora los anteriores métodos de medición utilizando el perfil DMD de la fibra y las características de la fuente de luz VCSEL para certificar con precisión el rendimiento OM3. Los avances tecnológicos han supuesto en el pasado nuevos desafíos y han fomentado las innovaciones en metrología. Por ejemplo, los motores de alto rendimiento presentan unas tolerancias muy ajustadas en términos de holguras y otros atributos físicos. El concepto del producto desarrollado en el laboratorio sólo llega a hacerse realidad si es posible medir estas holguras con una impresionante precisión y exactitud. La utilización de métodos de medición menos estrictos se traduciría en conceptos brillantes que jamás llegarían a la fase de producción o a la carretera. Este concepto es igualmente válido en muy diversos campos. Los equipos de medición de primera generación han de evolucionar para satisfacer los requisitos cada vez más estrictos de las aplicaciones funcionales avanzadas. El desafío del especialista en metrología consiste en innovar y desarrollar sistemas de medición de diseño inteligente, capaces de soportar las necesidades evolutivas del producto evaluado. La demanda de sistemas de comunicaciones ópticas de mayor velocidad para aplicaciones en edificios ha forzado el desarrollo de importantes mejoras en la tecnología de medición de fibra óptica multimodal. La medición del ancho de banda OFL (overfilled launch o inyección saturada), desde hace tiempo el estándar en caracterización del rendimiento de la fibra multimodal, carecía de la precisión y relación con la funcionalidad que se precisa para realizar una medición de evaluación de atributos. Aunque el ancho de banda OFL ofrecía un resultado en megahercios (el estándar tradicional en aplicaciones ópticas y de cobre), la falta de relación con la funcionalidad en sistemas de alta velocidad tanto LED como láser ha impulsado la búsqueda de mejores sistemas de medición del ancho de banda. Con la aparición de los estándares OM3 (fibra multimodal de 50/125 µm optimizada para láser de 850 nm), el ancho de banda OFL ha dado paso a un método de medición de la fibra más preciso, llamado DMD (retraso de modo diferencial). Los resultados de DMD, reconocidos como «medición de la fibra pura», se han adaptado para evaluar fibras aptas para su uso en aplicaciones de alta velocidad (= 1 GHz). Algo más que retroalimentación Históricamente, las mediciones DMD se han limitado a procesar la retroalimentación, más que a realizar una evaluación del rendimiento. Desde sus primeros momentos, DMD se ha utilizado principalmente como herramienta de evaluación de procesos y ajuste. La medición proporciona información detallada sobre los retrasos relativos entre los grupos modales de una fibra. Sin embargo, para procesar el control y la retroalimentación, no era necesario contar con una medición muy precisa ni de gran sofisticación, por lo que un sistema DMD típico no tenía capacidad para la evaluación del ancho de banda de la fibra ni su rendimiento en funcionamiento. Pero a medida que se desarrolló el estándar OM3, fue estableciéndose la aplicación de esta herramienta de retroalimentación del proceso como sistema para evaluar el rendimiento del ancho de banda de la fibra. Durante el desarrollo de los estándares, se buscó un método para evaluar el rendimiento de las fibras basándose en los resultados de DMD. La primera prueba que se desarrolló fue el uso de plantillas de enmascaramiento DMD o máscara DMD, que está formada por seis plantillas únicas. Cada plantilla permite una cantidad definida de retraso de modo diferencial en picosegundos/metro (ps/m) como función de la ubicación radial en la fibra. Cada plantilla posee una máscara interna y externa, además de cuatro máscaras deslizantes que deben satisfacer los criterios de designación OM3. Sin embargo, antes de evaluar los datos DMD en comparación con las máscaras de cada plantilla, se procesan los datos en bruto para acondicionar los resultados. Estos pasos de acondicionamiento contribuyen a superar importantes defectos en los sistemas de medición a costa de la capacidad de evaluación del método de selección de la fibra. El ejemplo más claro de las limitaciones del proceso de evaluación DMD es el uso de la amplitud FWQM (anchura total a la cuarta parte del máximo) para definir el retraso de modo diferencial entre los impulsos inicial y retrasado. El uso de FWQM permite a la máscara DMD pasar por alto todas las señales iniciales y de seguimiento con una amplitud menor del 25 por ciento. En la figura 3 (Respuesta DMD para una  única inyección desplazada) se muestra un ejemplo de este filtrado. El dibujo muestra la salida normalizada de una sonda DMD en una única posición radial en el núcleo. La potencia recibida se normaliza al máximo de potencia de la respuesta del impulso y se identifican los puntos FWQM inicial y retrasado en esa ubicación. En este ejemplo, un impulso inicial tiene una amplitud normalizada ligeramente inferior al 25 por ciento del máximo, por lo que se ignora todo el impulso al determinar DMD y no se aplica a las plantillas de enmascaramiento. Sin embargo, la omisión de este impulso inicial podría afectar al rendimiento real del sistema y la funcionalidad de enlace en un sistema de alta velocidad. Coste de fabricación frente a precisión Es evidente que este paso de acondicionamiento puede omitir o minimizar el impacto de atributos de respuesta significativos que podrían afectar al rendimiento del sistema. Además de la omisión de impulsos iniciales o retrasados y otras señales recibidas inferiores al 25 por ciento del máximo normalizado, el uso del filtrado FWQM puede permitir a los sistemas de medición tener una excesiva oscilación óptica y eléctrica. Por tanto, los resultados tomados con sistemas de medición menos robustos pueden utilizarse para determinar su adecuación a la máscara DMD, ya que se ignoran las señales espurias inferiores al 25 por ciento de la potencia máxima normalizada. Aunque estos sistemas pueden reducir el coste de fabricación, esta reducción se consigue a costa de la precisión y exactitud de la medición, lo que podría traducirse en problemas de rendimiento funcional. Se incorporan en el uso de la máscara DMD otras adaptaciones de medición especiales, tales como la eliminación aritmética de la señal de referencia. Esta eliminación aumenta la comodidad a expensas de la precisión. Para eliminar adecuadamente la respuesta del sistema de medición a fin de aislar la respuesta de la fibra, es preciso deconvolucionar el impulso de referencia de la respuesta del impulso recibido de forma congruente con la teoría de sistemas LTI (lineal invariante en el tiempo). La simple sustracción aritmética del impulso de referencia puede conducir a una falta de escalabilidad en los resultados de las máscaras. Por ejemplo, dos sistemas de medición, cada uno con distintas respuestas temporales, pueden producir resultados distintos para la misma fibra. La máscara puede mostrar una adecuación mediante una sustracción aritmética simplista de la referencia, mientras que las mediciones más adecuadas con deconvolución pueden indicar que la fibra no es capaz de un rendimiento del sistema a altas velocidades. La máscara DMD también presenta problemas en relación con su capacidad para garantizar que todas las fibras sean compatibles con todos los transmisores conformes con el estándar. Cada plantilla admite una cantidad variable de retraso de modo como función de la posición radial en el núcleo. Los retrasos temporales variables en las regiones interna y externa representan los distintos niveles de rigidez de los requisitos a cumplir, según las características de tamaño del punto de los transceptores utilizados en sistemas de alta velocidad. Los resultados DMD sólo precisan pasar una de las seis plantillas de enmascaramiento para calificar una fibra como OM3, pero esto puede provocar problemas funcionales en la aplicación. Los sistemas reales utilizan VCSEL (láser de cavidad vertical de emisión por superficie) de 850 nm con límites EF (flujo inscrito) definidos. Estos límites definen la cantidad de luz que debe inyectarse en una ubicación radial específica del núcleo de la fibra. En el caso de las fibras OM3, los VCSEL podrían emitir hasta un 30 por ciento de su potencia dentro de los primeros 4,5 µm del radio del núcleo y al menos el 86 por ciento de su luz a los primeros 19 µm del radio del núcleo. Obviamente, determinadas combinaciones de VCSEL con fibras que pasan por una máscara concreta podrían provocar problemas de rendimiento. Por ejemplo, el acoplamiento de una fuente VCSEL externa activa con una fibra que tenga mayor capacidad de dispersión modal en las posiciones radiales más elevadas podría poner en riesgo el rendimiento satisfactorio del enlace del sistema. Además, la máscara sólo se aplica a los primeros 23 µm de radio para una fibra con núcleo de 25 µm de radio. Aunque los VCSEL pueden tener un punto de inyección de tamaño ligeramente menor que las fuentes tradicionales (p. ej., LED), no debería ignorarse el retraso de modo en las posiciones radiales más altas. Por lo general, una fibra multimodal recibe un valor medido que describe el rendimiento de ancho de banda de la fibra multimodal. Los usuarios de banda ancha no están familiarizados con los resultados de la máscara DMD. Si se indica un valor de máscara, se asigna a la fibra un conjunto de valores de retraso en picosegundos por metro (ps/m). En algunos casos sólo puede ofrecerse un resultado de apto/no apto en relación con la especificación OM3, sin datos de medición adicionales. Es posible que los valores de retraso no puedan convertirse a un valor de ancho de banda más familiar, pero su significado y escalabilidad no son iguales a los valores normalizados comprobados de MHz•km habituales en las industrias de las comunicaciones ópticas y por cable de cobre. Las limitaciones inherentes a la máscara DMD han forzado a la comunidad de medición del ancho de banda a buscar innovaciones. Los usuarios finales precisaban un valor de ancho de banda con el que estuvieran familiarizados, en MHz•km, que indicase claramente la capacidad de rendimiento y garantizase el rendimiento en un sistema óptico de alta velocidad con VCSEL homologados. La medición DMD seguía constituyendo el sistema más eficaz disponible para caracterizar la fibra, pero era preciso que se mejorase significativamente mediante innovaciones que permitieran alcanzar el objetivo deseado de un valor de ancho de banda real. La nueva medición y el resultado ofrecido debían contar con una capacidad suficiente para abarcar una amplia gama dinámica y de respuesta de frecuencias que permitiera su uso en un sistema de medición de mayor potencia. Si los resultados de salida DMD fueran suficientemente refinados y robustos, podrían añadirse al perfil del punto de luz procedente de los transceptores reales, lo que permitiría obtener un valor calculado fiable del ancho de banda. Por comodidad, los proveedores de VCSEL habían definido restricciones sobre EF, por lo que se comprendía bien la distribución de la energía óptica inyectada a la fibra. La combinación de estos dos atributos (DMD de la fibra y ubicación de la energía de inyección VCSEL) parecieron constituir la forma de llegar a un sistema de medición más optimizado. Los resultados DMD sólo precisan pasar una de las seis plantillas de enmascaramiento para calificar una fibra como OM3, pero esto puede provocar problemas funcionales en la aplicación. Los sistemas reales utilizan VCSEL (láser de cavidad vertical de emisión por superficie) de 850 nm con límites EF (flujo inscrito) definidos. Estos límites definen la cantidad de luz que debe inyectarse en una ubicación radial específica del núcleo de la fibra. En el caso de las fibras OM3, los VCSEL podrían emitir hasta un 30 por ciento de su potencia dentro de los primeros 4,5 µm del radio del núcleo y al menos el 86 por ciento de su luz a los primeros 19 µm del radio del núcleo. Obviamente, determinadas combinaciones de VCSEL con fibras que pasan por una máscara concreta podrían provocar problemas de rendimiento. Por ejemplo, el acoplamiento de una fuente VCSEL externa activa con una fibra que tenga mayor capacidad de dispersión modal en las posiciones radiales más elevadas podría poner en riesgo el rendimiento satisfactorio del enlace del sistema. Además, la máscara sólo se aplica a los primeros 23 µm de radio para una fibra con núcleo de 25 µm de radio. Aunque los VCSEL pueden tener un punto de inyección de tamaño ligeramente menor que las fuentes tradicionales (p. ej., LED), no debería ignorarse el retraso de modo en las posiciones radiales más altas. Por lo general, una fibra multimodal recibe un valor medido que describe el rendimiento de ancho de banda de la fibra multimodal. Los usuarios de banda ancha no están familiarizados con los resultados de la máscara DMD. Si se indica un valor de máscara, se asigna a la fibra un conjunto de valores de retraso en picosegundos por metro (ps/m). En algunos casos sólo puede ofrecerse un resultado de apto/no apto en relación con la especificación OM3, sin datos de medición adicionales. Es posible que los valores de retraso no puedan convertirse a un valor de ancho de banda más familiar, pero su significado y escalabilidad no son iguales a los valores normalizados comprobados de MHz•km habituales en las industrias de las comunicaciones ópticas y por cable de cobre. Las limitaciones inherentes a la máscara DMD han forzado a la comunidad de medición del ancho de banda a buscar innovaciones. Los usuarios finales precisaban un valor de ancho de banda con el que estuvieran familiarizados, en MHz•km, que indicase claramente la capacidad de rendimiento y garantizase el rendimiento en un sistema óptico de alta velocidad con VCSEL homologados. La medición DMD seguía constituyendo el sistema más eficaz disponible para caracterizar la fibra, pero era preciso que se mejorase significativamente mediante innovaciones que permitieran alcanzar el objetivo deseado de un valor de ancho de banda real. La nueva medición y el resultado ofrecido debían contar con una capacidad suficiente para abarcar una amplia gama dinámica y de respuesta de frecuencias que permitiera su uso en un sistema de medición de mayor potencia. Si los resultados de salida DMD fueran suficientemente refinados y robustos, podrían añadirse al perfil del punto de luz procedente de los transceptores reales, lo que permitiría obtener un valor calculado fiable del ancho de banda. Por comodidad, los proveedores de VCSEL habían definido restricciones sobre EF, por lo que se comprendía bien la distribución de la energía óptica inyectada a la fibra. La combinación de estos dos atributos (DMD de la fibra y ubicación de la energía de inyección VCSEL) parecieron constituir la forma de llegar a un sistema de medición más optimizado. Aparición de EMBc Los proveedores de fibra encontraron la solución a este problema en el EMBc (ancho de banda modal efectivo calculado). EMBc es un sistema de medición que permite calcular un valor único del ancho de banda para cualquier combinación de fibra y distribución de la energía óptica de la fuente, ya sea medida a partir de un transmisor real o derivada teóricamente para una distribución de la fuente óptica EF definida. El método de medición EMBc fue el segundo sistema métrico de evaluación incorporado en los estándares OM3. El cálculo de EMBc aumenta el nivel del rendimiento del sistema de medición DMD. Para crear un sistema de medición DMD preparado para EMBc, se precisan horas de diseño de ingeniería y selección minuciosa de componentes. A diferencia de la máscara DMD, que pasa por alto la energía de los impulsos de salida por debajo de una amplitud del 25 por ciento, EMBc utiliza toda la señal óptica recibida para calcular el valor del ancho de banda. Por tanto, es preciso eliminar o reducir en gran medida las fuentes de ruido, oscilación fuente/detector y otros dispositivos espurios de medición. Un sistema DMD preparado para EMBc debe utilizar fuentes láser (generalmente un láser Ti:zafiro) detectores y componentes periféricos ópticos y mecánicos del máximo rendimiento. Es preciso utilizar un tamaño de punto excepcionalmente pequeño para la señal sonda, con el fin de garantizar que se midan adecuadamente los retrasos del grupo en cada ubicación específica del núcleo de la fibra. Adicionalmente, para obtener un EMBc preciso y exacto, es fundamental utilizar prácticas particularmente cuidadas, como son el centrado preciso de la fibra sonda en relación con la fibra sometida a prueba, la adecuada selección de la horquilla temporal del osciloscopio, unas técnicas apropiadas de muestreo temporal y la recogida completa de toda la potencia recibida. El valor EMBc se aplica de forma distinta a la máscara DMD. Aunque se requiere que una fibra pase una sola máscara para ser clasificada como capacitada para OM3, se requiere que tenga valores EMBc (ancho de banda en MHz•km) por encima de un valor umbral definido como estándar al evaluarla con la distribución de potencia de inyección de 10 VCSEL representativos. Las 10 distribuciones de potencia de inyección abarcan por completo la especificación EF para VCSEL capacitadas para OM3 anteriormente descrita. Cualquier pequeño fallo de retraso en el perfil DMD de la fibra o retrasos de modo excesivos en cualquier área localizada tendría como resultado una importante reducción del EMBc. Esto es contrario a la aplicación de la máscara DMD, que ignora las señales inferiores al 25 por ciento del máximo normalizado. El mínimo de los 10 valores EMBc se utiliza para establecer la medida apto/no apto del registro (llamado mínimo ancho de banda modal efectivo calculado, o minEMBc). Esto garantiza que el peor emparejamiento posible de DMD fibra y fuente VCSEL defina de forma conservadora el rendimiento de la fibra. Por tanto, minEMBc constituye una prueba mucho más rigurosa de la adecuación y funcionalidad que la máscara DMD. La potencia de 10 Un examen más detallado de la figura 6 (Fuentes para el modelo TIA) muestra que existe un amplio rango de posibles valores EF transmisor adecuados que abarcan desde activos en el centro (con una potencia óptica cercana al 30 por ciento a 4,5 µm hasta activos en el exterior (apenas un 86 por ciento de potencia óptica a 19 µm). Las 10 ponderacio- nes representan por completo la distribución de transmisor teórica que se consideró en la determinación de las especificaciones OM3. Las evaluaciones independientes de las distribuciones EF de los transmisores han confirmado la adecuación del uso de estas 10 ponderaciones estándar relativas a la distribución total de las fuentes reales. De hecho, estos estudios han descubierto otro punto sobre las distribuciones EF de los transmisores. Algunos trabajos recientes sugieren que las fuentes de mayor limitación (Fuentes 1 y 5, según vemos en la figura 5, Cálculo de EMBc) son poco habituales en la población real de transceptores. Una revisión de los resultados minEMBc reales en fibras de producción revela que estas dos ponderaciones producen la inmensa mayoría de los valores minEMBc. En otras palabras, es muy improbable que las fuentes que producen los valores minEMBc aparezcan en un sistema real. Este hecho proporciona a minEMBc una capa adicional de seguridad, ya que las fuentes más comunes tienden a tener un resultado EMBc muy superior al valor minEMBc. Además, minEMBc es muy robusto y puede adaptarse fácilmente a nuevos estándares y distribuciones de transceptores a medida que aparezcan en el mercado nuevas fuentes y aplicaciones. Los estándares de rendimiento mejorados para sistemas de medición DMD pueden explicar cómo evolucionó EMBc, pero no abordan el requisito más importante de los atributos de una fibra: la relación con la funcionalidad del sistema. Como se ha indicado anteriormente, una fibra óptica multimodal sólo ha de satisfacer una de las seis plantillas de enmascaramiento para satisfacer los requisitos de OM3. El DMD máximo en cualquier fibra aislada puede variar entre 0,33 y 0,7 ps/m, dependiendo de la plantilla de enmascaramiento que satisfaga la fibra. Si una fibra pasa una plantilla de enmascaramiento concreta, por ejemplo, podría emparejarse con un VCSEL que no está optimizado para una fibra con ese perfil DMD concreto. Como resultado, la asociación entre el rendimiento de la máscara y la funcionalidad real del sistema puede resultar problemática. Sin embargo, EMBc utiliza los dos datos de enlace más significativos: el perfil DMD de la fibra y las características de la fuente de luz VCSEL. Se utiliza el EMBc mínimo de 10 láseres diversos para certificar el rendimiento OM3. El uso de los valores EMBc más conservadores proporciona la máxima seguridad de que la fibra operará de la forma designada al emparejarse con un VCSEL conforme con los estándares en un enlace óptico. La evaluación de minEMBc como función del BER de un sistema o penalización de la dispersión puede inducir a pensar que este sistema métrico no está totalmente correlacionado con todas las fuentes VCSEL. Como el valor minEMBc representa la medida del ancho de banda registrada, una fibra que cumpla este requisito será totalmente compatible con toda la gama de transceptores conformes con los estándares. Cada VCSEL único conforme con el estándar tendrá su EF único, que proporcionará un EMBc único. El EMBc específico suele ser muy superior a los requisitos especificados para fibras OM3. En consecuencia, las fibras con minEMBc apto darán lugar a un resultado satisfactorio en sistemas OM3 al emparejarse con un transceptor conforme con el estándar. La comparación de BER o penalización de la dispersión para un enlace concreto, sin embargo, puede no correlacionarse bien con el valor minEMBc de la fibra. Para optimizar la correlación con BER y penalización de la dispersión, la comparación de EMBc y la funcionalidad del sistema deben utilizar la ponderación para el VCSEL que se estudia. Algunos estudios técnicos recientes reflejan la tendencia hacia una evaluación de la funcionalidad de los sistemas basada en el EMBc calculado para una combinación fuente/fibra determinada, en lugar del uso del valor minEMBc, muy conservador. Están previstos trabajos futuros que demostrarán la correlación de fibra/EMBc fuente específica con atributos de rendimiento del sistema, como penalización de energía o proporción bits/errores. Métodos alternativos Si la imitación es la forma más sincera de halago, EMBc tiene razones para sonrojarse. Las organizaciones de normalización del sector han acordado recientemente desarrollar OFLc (ancho de banda con saturación calculada) como método de medición alternativo para el ancho de banda OFL. OFLc utilizará el DMD de una fibra y una ponderación acordada para calcular el valor de ancho de banda OFL. Este método eliminará la tremenda variabilidad en los valores de ancho de banda OFL debidos a la variación permisible en inyecciones con saturación y otras diferencias entre puntos de referencia en sistemas de medición. Aunque es posible que no convierta a OFL en una medición más funcional, debería fomentar un acuerdo en términos de sistemas de medición al comparar sistemas DMD de igual capacidad. Nombre: Luiggi Escalante CI. 18878611 CRF Fuente: http://www.conectronica.com/cables-fibra-optica/una-evolucion-inteligente-de-los-sistemas-de-medicion-del-ancho-de-banda

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Relés ópticos para comunicaciones de fibra óptica

Panasonic Electric Works, empresa distribuida en España y Portugal por R.C. Microelectrónica, S.A, dispone de relés ópticos para comunicaciones de fibra óptica. Para satisfacer a un mercado que usa cada vez más las comunicaciones por fibra óptica debido a sus ventajas sobre el cable de cobre, Panasonic ofrece los modelos de relé WA y WA-M. El relé WA es capaz de conmutar en configuración 1x2 y 2x2 en fibras monomodo (9/125/900). Con unas medidas de encapsulado 31x16x9mm de largo, ancho y alto, proporciona un aislamiento de 60dB y unas pérdidas máximas de inserción de 1dB (típicamente 0.5dB) a longitud de onda 1550nm. La conmutación se realiza introduciendo un prisma en la ruta del rayo, de esta forma se garantiza una repetitividad de menos de 0.1dB y unas pérdidas de retorno de menos de 50dB. El control se realiza mediante un sistema que está perfectamente polarizado y  es magnético biestable de 1 ó 2 bobinados. Éste requiere sólo de un pulso para la conmutación y no consume en posición de reposo. Aplicaciones típicas para estos relés ópticos las podemos encontrar en transmisiones de datos de larga distancia. También es usado en redundancia de circuitos y en tecnologías OADM (optical Add-Drop Multiplexer) y DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). Otros aplicaciones típicas son los sistemas de testeo para componentes ópticos. El relé WA-M es la versión en molde, construido de tal forma que la lente es moldeada a la vez que el chasis. Además, este relé dispone de entrada y salida de cables por el mismo lado. Éste es utilizado en aplicaciones de CATV y estaciones base W-CDMA.

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Moduladores ópticos DPSK

Redes Opticas

En este artículo se estudian algunas arquitecturas de moduladores ópticos DPSK, propuestos recientemente como alternativa a los tradicionales moduladores de intensidad en sistemas de comunicaciones ópticas de larga distancia. Recientemente han aparecido nuevos formatos de modulación avanzados en el marco de los sistemas de comunicaciones ópticas. En concreto, se ha demostrado que el uso del formato de modulación DPSK (differential phase shift keying) mejora las prestaciones de los enlaces de comunicaciones ópticas de larga distancia. Cuando se compara con el formato tradicional de modulación de intensidad OOK (on-off keying), DPSK proporciona una mejora de 3 dB en la sensibilidad del receptor, a la vez que resulta más tolerante a los efectos no lineales, especialmente la modulación cruzada de fase en sistemas DWDM. Si bien el formato de modulación de intensidad NRZ (non-return to zero) constituye una opción de bajo coste, las mayores distancias de transmisión y mejores eficiencias espectrales que se consiguen con los nuevos formatos de modulación posibilitan un aumento de la rentabilidad del sistema en el futuro. En especial, conviene destacar que la modulación DPSK supone el principio básico para duplicar la capacidad de transmisión sin incurrir en una penalización de potencia por efecto de la dispersión cromática o de la dispersión modal de polarización (PMD). Arquitecturas de moduladores y demoduladores DPSK La señal DPSK, que transporta la información por medio de la diferencia de fase entre símbolos adyacentes, puede generarse empleando diferentes métodos. Entre los más básicos se encuentran el uso de un modulador de fase polarizado a Vp, un modulador Mach-Zehnder de doble brazo en una configuración push-pull con sendos amplificadores, o bien un único modulador Mach-Zehnder sin chirp polarizado a 2Vp para conseguir una excursión de fase completa. La principal desventaja de las técnicas de modulación de fase directa es que introducen chirp. Otros esquemas de transmisores DPSK hacen uso de una arquitectura con dos moduladores Mach-Zehnder en paralelo. En la figura 1 se muestra el diagrama esquemático de un posible modulador DQPSK (differential quadrature phase shift keying). Los datos se codifican sobre la portadora óptica mediante cuatro estados de fase distintos. Dado que cada símbolo transmitido incluye dos bits de información, la tasa de símbolo se reduce en un factor 2, lo que permite una alta eficiencia espectral. El SHF 46213A es un modulador paralelo que convierte dos secuencias de datos eléctricas (I y Q) de hasta 22 Gbit/s en una secuencia de datos óptica de hasta 44 Gbit/s (22 GBaud). Ambas señales eléctricas de datos modulan la portadora óptica con una diferencia de fase de p/2 por medio de sendos moduladores Mach-Zehnder sin chirp. Como paso previo a la recombinación de las dos secuencias ópticas, la componente Q sufre un desfase adicional de p/2 para conseguir los cuatro estados de fase diferentes de la señal transmitida. Los canales de datos I y Q pueden activarse o desactivarse de forma independiente, permitiendo la generación de señales DPSK o DQPSK. Por último, el tercer modulador Mach-Zehnder se encarga de conformar los pulsos ópticos de salida, con el fin de escoger entre señales NRZ o RZ. A modo de ejemplo, el diagrama de ojos de una señal RZ-DQPSK de 21,4 Gbit/s capturada con un receptor DPSK (SHF 47211A) se muestra en la figura 2. La misma empresa también dispone de otra versión de transmisor óptico DQPSK (SHF 46214A) que puede alcanzar velocidades de hasta 100 Gbit/s, aunque en este caso NRZ. Otro ejemplo de modulador es el de la empresa COVEGA. Se trata de un modulador (D)QPSK basado en dos interferómetros Mach-Zehnder, el cual permite además la generación de señales en banda lateral única y portadora suprimida (SSB-SC). El aspecto que presenta dicho dispositivo se puede ver en la figura 3. Por otra parte, recientemente se ha propuesto el uso de estructuras basadas en micro-anillos resonantes para la implementación de moduladores y demoduladores DPSK. Hasta el momento, dichos dispositivos se habían utilizado para la construcción de moduladores de intensidad, conmutando la potencia óptica de salida entre los estados "on" y "off" mediante un desplazamiento del pico de resonancia de la cavidad. Este desplazamiento puede realizarse variando la densidad de portadores y, por lo tanto, el índice de refracción del anillo, aplicando una cierta tensión eléctrica o inyectando portadores. El radio del anillo suele ser del orden de micras, y el factor de calidad de la cavidad en torno a 10000. A continuación explicaremos el principio básico de funcionamiento. Cuando se desplaza el pico de resonancia, la señal óptica de onda continua puede experimentar un cambio de fase de hasta p radianes a lo largo de la zona central del perfil de fase, tal y como se muestra en la figura 4. La única precaución a tener en cuenta es que ambos estados de fase proporcionen la misma potencia de salida en toda la duración del bit, obteniéndose de este modo una modulación NRZ-DPSK. En todo caso, en las transiciones entre bits se producirán nulos de potencia como consecuencia de la respuesta resonante de la cavidad, además de chirp de frecuencia por las rápidas variaciones de fase. Afortunadamente, dado que ambos efectos ocurren de forma simultánea se minimiza el problema. Ahora bien, si lo que se desea es demodular una señal DPSK, entonces puede utilizarse una estructura muy similar a la anterior y que se muestra en la figura 5, donde la principal diferencia radica en la presencia de una nueva guía situada de forma simétrica a la anterior. En este caso, la estructura resonante actúa como un filtro paso-banda que obtiene dos tipos de señales en sendos puertos del dispositivo: DB (duobinary) y AMI (alternate-mark inversion). Ambas señales, DB y AMI, se fotodetectan entonces de forma individualizada y se combinan electrónicamente para obtener un detector balanceado de señales DPSK. Los demoduladores DPSK disponibles comercial- mente funcionan de forma similar, aunque en ese caso el demodula- dor suele utilizar un interferómetro basado en línea de retardo. Finalmente, conviene destacar que la empresa Kylia ha sacado al mercado recientemente una nueva línea de demoduladores DPSK ultra rápidos, cuyo actuador piezoeléctrico asegura una constante de tiempo de 0,1 s para la compensación de variaciones muy rápidas de la frecuencia de señal, en comparación con los 5 s que ofrece la competencia. Conversores de formato En el futuro, el uso creciente de la modulación DPSK en las redes ópticas obligará a la coexistencia de diferentes formatos de modulación, por lo que será habitual la necesidad de convertir señales entre distintos formatos. Pero evidentemente, conforme aumenta la tasa de bit de las señales, existe un interés por realizar estos cambios de formato en el dominio óptico, evitando cualquier tipo de conversión optoelectrónica o proceso de demodulación. En los últimos años se viene investigando en este campo, y se han propuesto diversas arquitecturas de conversores de formato de modulación. A continuación veremos un ejemplo de uno de ellos. En concreto, se trata de un conversor en línea OOK/DPSK todo óptico que puede manejar señales de alta velocidad. La arquitectura de dicho conversor se muestra en la figura 6 (C. Schmidt et al, ECOC'06). El elemento clave es una fibra altamente no lineal (HNLF) de 630 m de longitud, cuyo funcionamiento es simple. Los pulsos de datos OOK que llegan al conversor inducen cambios de fase sobre un tren de pulsos generado localmente (LPT) a distinta longitud de onda y que se obtiene a partir de la señal de reloj recuperada. Un "1" lógico en la señal OOK produce un cambio de fase de po no lineal de XPM. A la salida, un filtro óptico elimina la longitud de onda de entrada. Conviene indicar que este funcionamiento del conversor invierte la lógica de la señal, por lo que en recepción será necesario un decodificador. El conversor se ha demostrado con éxito en los laboratorios de HHI empleando señales RZ-OOK de 160 Gbit/s y sobre enlaces de fibra de hasta 320 km, lo que permite augurar un futuro prometedor para este tipo de arquitecturas. Nombre: Luiggi Escalante CI. 18878611 CRF Fuente: http://www.conectronica.com/redes-opticas/moduladores-opticos-dpsk

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