Introducción a las Redes PON...Introducción a las Redes PON 290 dispositivo pasivo o activo, que se asemeja al principio del prisma de Newton en su funcionamiento. Un sistema WDM

Introducción a las Redes PON

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Manual para el Curso de Tecnologías en Fibra Óptica Rodolfo Veloz Pérez

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Tecnología WDM WDM es una tecnología que permite diversas señales ópticas que se transmite por una sola fibra. Su principio es básicamente el mismo utilizado en multiplexación por división de frecuencias (FDM). En el caso de WDM, la banda del espectro utilizado es de 1300 o 1550 nm, que son dos ventanas de longitud de onda en la que las fibras ópticas tienen muy baja pérdida de señal. Inicialmente, cada ventana se utiliza para transmitir una sola señal digital. Con el avance de los componentes ópticos, tales como los laser de retroalimentación distribuida (DFB), amplificadores de fibra dopada con erbio, pronto se dieron cuenta de que cada ventana de transmisión de hecho podría ser utilizado por varias señales ópticas, cada una ocupando una pequeña fracción de la ventana total disponible. De hecho, el número de las señales ópticas multiplexados dentro de una ventana sólo está limitado por la precisión de estos componentes. De esta forma, la tecnología WDM aumenta drásticamente la capacidad de una red de fibra óptica, conocida como la tecnología de transporte de Capa 1 en todos los niveles de la red.

Entender el funcionamiento de WDM no es para nada complicado. Las distintas longitudes de onda se transmiten en conjunto por una única fibra y es posible mezclarlos. Éstos también se pueden separar fácilmente con un


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dispositivo pasivo o activo, que se asemeja al principio del prisma de Newton en su funcionamiento. Un sistema WDM requiere de un multiplexor en el transmisor para unir las diversas señales y un demultiplexor el receptor para separarlas.

Si se dispone del tipo de fibra adecuado, es posible que un dispositivo haga ambas cosas simultáneamente y que funcione como un ADM multiplexor add-drop. Un ADM multiplexor add-drop es un elemento importante de una red de fibra óptica. Un multiplexor combina, o multiplexa, varios flujos de datos de ancho de banda inferior en un solo haz de luz. También tiene la capacidad de agregar una o más señales de ancho de banda inferior a un flujo de datos de alto ancho de banda existente, y al mismo tiempo puede extraer o eliminar otras señales de ancho de banda bajo, eliminándolas del flujo y redirigiéndolas. a alguna otra ruta de red. Esto se utiliza como "rampa de entrada" local y "rampa de salida" a la red de alta velocidad. Los ADM se pueden usar tanto en redes centrales de larga distancia como en redes metropolitanas de corta distancia, aunque las primeras son mucho más caras debido a la dificultad de escalar la tecnología a las altas velocidades de datos y a aumentar el número de canales usando otro tipo de multiplexación. La principal tecnología de filtrado óptico utilizada en los multiplexores ADM es el etalon de Fabry-Pérot.


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CWDM Multiplexación por división aproximada de longitud de onda (coarse wavelength division multiplexing)

La multiplexación por división aproximada de longitud de onda (CWDM) - una tecnología del tipo WDM - se caracteriza por un espacio más ancho entre canales que en la tecnología WDM densa (DWDM, dense wavelength division multiplexing), tal como se define en la Rec. UIT-T G.671. Los sistemas CWDM permiten aplicaciones rentables, gracias a una combinación de láser sin dispositivos de refrigeración, tolerancias de selección de longitudes de onda láser menos exigentes, y filtros pasobanda amplios. Los sistemas CWDM se pueden utilizar en las redes de transporte metropolitanas y como plataforma integrada para una diversidad de clientes, servicios y protocolos.


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Se utilizan las longitudes de onda centrales nominales para sistemas con WDM aproximada como referencia para definir, en cada uno de los canales, el límite de longitud de onda superior y el límite de longitud de onda inferior, que son los que definen los límites de longitud de onda del transmisor bajo cualquier condición y, al mismo tiempo, los límites de longitud de onda que han de cumplir las especificaciones de multiplexadores y demultiplexadores ópticos. El límite de longitud de onda superior es la longitud de onda central del canal más la desviación de longitud de onda central indicada en la UIT-T G.694.2. El límite de longitud de onda inferior es la longitud de onda central del canal menos la desviación de longitud de onda central indicada n la UIT-T G.694.2. A continuación, se indica el plan de longitudes de onda CWDM en la gama que abarca de 1271 nm a 1611 nm. Se debe utilizar un valor "c" (velocidad de la luz en el vacío) para la conversión entre longitud de onda y frecuencia igual a 2,99792458 × 108 m/s.


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Las aplicaciones eficaces de CWDM, que utilizan láser sin sistemas de refrigeración y filtros pasobanda anchos, requieren un espaciamiento de longitud de onda central nominal de al menos 20nm. Se espera que una variación total de la longitud de onda de la fuente de aproximadamente ±6-7 nm sea compatible con las tecnologías existentes para los filtros. Tal como ocurre con la banda de guarda, basta con un tercio del espaciamiento mínimo


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entre canales y, por lo tanto, se ha escogido el valor de 20 nm con el fin de maximizar la cantidad de canales. Se han de definir valores y atribuciones específicos para esta variación en cada aplicación. La variación de longitud de onda depende fundamentalmente de dos factores: primero, el fabricante del sistema láser puede variar la longitud de onda alrededor de la longitud de onda nominal con el fin de obtener un mayor rendimiento y/o reducir las tolerancias de fabricación. Segundo, la utilización de láser sin refrigeración hará variar la longitud de onda en función de la temperatura, dentro de la gama de temperaturas especificadas para el láser.


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DWDM Multiplexación por división de longitud de onda densa

La multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM), se caracteriza por un espaciamiento de canal menor que el de la tecnología WDM aproximada (CWDM). En general, los transmisores utilizados en las aplicaciones DWDM requieren un mecanismo de control que les permita cumplir con los requisitos de estabilidad de frecuencia de las aplicaciones, contrario a lo que ocurre con los transmisores CWDM que no lo necesitan. El plan de frecuencias que se definen en DWDM soporta diversos espaciamientos de canal que abarcan de 12,5 GHz hasta 100 GHz y espaciamientos mayores (múltiplos enteros de 100 GHz). Asimismo, se pueden utilizar espaciamientos no uniformes entre canales. El espaciamiento de frecuencia actual entre canales resulta de la evolución histórica del plan inicial de 100 GHz, que se ha subdividido sucesivamente por factores de dos. Las frecuencias (en THz) permitidas, para espaciamientos de canales de 12,5 GHz en una fibra, se definen de la siguiente manera: 193,1 + n × 0,0125, donde n es un entero positivo o negativo incluido el 0


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Las frecuencias (en THz) permitidas, para espaciamientos de canales de 25 GHz en una fibra, se definen de la siguiente manera: 193,1 + n × 0,025, donde n es un entero positivo o negativo incluido el 0 Las frecuencias (en THz) permitidas, para espaciamientos de canales de 50 GHz en una fibra, se definen de la siguiente manera: 193,1 + n × 0,05, donde n es un entero positivo o negativo incluido el 0 Las frecuencias (en THz) permitidas, para espaciamientos de canales de 100 GHz en una fibra, se definen de la siguiente manera: 193,1 + n × 0,1, donde n es un entero positivo o negativo incluido el 0


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Componentes Pasivos Splitter

El splitter es un divisor de potencia de señal. La utilización de splitters en una red óptica permite implementar en una red PON la arquitectura punto a multipunto, es decir, una fibra o cable procedente de la central se divide para atender diferente número de usuarios en diferentes unidades habitacionales. Son dispositivos puramente

pasivos. Dividen la señal de entrada óptica de 1490 nm enviada desde el OLT en partes iguales entre los números de los puertos de salida. Los envía aguas abajo a las unidades ONU. Los módulos de splitters se construyen en diferentes formatos, siendo típico que tengan 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128 salidas. Entonces, un splitter posee diferentes capacidades de división y se representan de la siguiente manera: 1x2, 1x4, 1x8, 1x16, 1x32, 1x64, 1x128. Podemos además determinar la cantidad de clientes a servir según el tipo de splitters que se encuentren en la red. Asi, por ejemplo, con un 1er nivel de 1:4 y un 2do nivel de 1:8 tendremos servicio para 4x8= 32 clientes. De la misma forma, con un 1er nivel de 1:4 y un 2do nivel de 1:16 tendremos servicio para 4x16= 64 clientes. Esta última configuración es la más empleada por los operadores. Cada vez que realizamos una división en un splitter experimentamos una pérdida de señal a la salida de 3 dB, esto significa que hemos dividido por la mitad la potencia de entrada. El término “dB” es debido a que hacemos uso de cantidades logarítmicas. La potencia, que usualmente se mide en unidades de watts (en el caso de potencia óptica, en el orden de los miliwatts), es llevado a decibel (dB) y decibel referido a 1 miliwatt (dBm) para una más fácil manipulación. Recordemos que la potencia de señal se suele expresar en dBm y las pérdidas (o ganancias) de señal se expresan en dB. Consideremos el caso más simple: un splitter


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1:2, y que la potencia de entrada al splitter es de 2 mW. Observemos la imagen que abajo muestra un splitter 1:2 (izquierda), y nuestro escenario para el ejemplo, con una entrada de potencia de 2mW y la potencia a la salida, que como es de esperar es la mitad (1mW).

Expresando nuestro escenario en decibeles, tenemos: Pin= 2mW = 3dBm (esto ya lo hemos calculado) Pout= 1mW Por tanto: Pout= 1mW = 0 dBm Recordemos que 0 dBm no significa ausencia de señal o potencia cero, significa que tenemos una potencia de 1 mW, lo que en una transmisión en comunicaciones ópticas es alta potencia. La pérdida de potencia de señal por división que se habrá experimentado sera: Pérdida = Pout - Pin= 0dBm – 3dBm = -3dB Por tanto, las perdidas que tendremos por cada división que ocurre en un splitter será de 3 dB.


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En general, las pérdidas por cada etapa de división que tenemos en un splitter será: Pérdidas = Nº etapas de división x (-3 dB) Por ejemplo, para un splitter 1:16, como los implementados en las cajas CTO, tendremos:


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Ilustración 1. Una entrada y 16 salidas. Composición interna con múltiples etapas de división. muestra el splitter 1:16 y sus 4 etapas de división. El total de pérdidas por división de este splitter será n x 3dB = 4 x 3 dB = 12 dB.


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Atenuadores Ópticos

Los atenuadores de fibra óptica se suelen utilizar para reducir la potencia de señal en enlaces ópticos por una pérdida fija o variable. Estos modelos pueden dividirse en atenuador ‘bulk head’ (hembra-hembra), ‘plug-in fijo’ (hembra-macho) y ‘variable’. Los atenuadores poseen un

rango de atenuación que oscila entre 1 y 25 dB con un incremento de 1 dB y son compatibles con la mayoría de conectores SC / UPC, SC / APC, FC / UPC, FC / APC, LC / UPC, LC / APC, ST / PC y MU. Ventajas y Beneficios

• Comodidad en la instalación • Solución rápida sin necesidad de elementos adicionales • Fácil montaje • Sin necesidad de herramientas especiales o kits de terminación.

Características

• Atenuación precisa. • Factor de reflexión fiable. • Funcional a varias longitudes de onda. • Estabilidad y durabilidad. • Férulas cerámicas de gran precisión. • Perfecto contacto físico entre conectores. • Baja PDL, pérdida dependiente de polarización

Aplicaciones

• Sistemas de telecomunicaciones.


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• CATV y LAN. • Equipos de prueba y datos. • Redes PON. • Áreas de pruebas y laboratorios.

También existen los atenuadores variables, que permiten setear los valores de atenuación por ejemplo, entre 2,5 dB y hasta 60 dB, trabajando para la optimización del control de salida de potencia, seteo de atenuación absoluta y relativa, ajuste de atenuación absoluta y relativa, ajuste de saltos de atenuación, desde 0.02 dB, 0.1 dB, 1 dB y hasta 10 dB.


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Aisladores Ópticos El Aislador óptico es un dispositivo pasivo que permite a la luz transmitirse en solamente una dirección. Los aisladores ópticos pueden bloquear la retroflexión y retrodispersión en la dirección de reflexión en cualquier estado de polarización, cuentan con dispersión de modo de polarización baja. Se utilizan entonces para evitar que cualquier luz que se refleja hacia la fuente cause problemas de retrodispersión y la retroalimentación.

Hay dos tipos principales de aisladores ópticos: Aislador óptico en línea y Aislador óptico de espacio libre. Aisladores ópticos de espacio libre, no tienen un sistema de conexión integral. Se debe montar directamente al objeto que requiere aislamiento.


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Los aisladores de fibra se utilizan en muchas aplicaciones de fibra óptica a nivel corporativo, industrial y laboratorio. Son dispositivos fiables cuando se utiliza en conjunción con amplificadores de fibra óptica, láseres de fibra óptica, enlaces de fibra óptica en aplicaciones de televisión por cable y sistemas de comunicación óptica de fibra de alta

velocidad. También se utilizan aisladores óptica de fibra única de polarización con diodos láser, sistemas giroscópicos, interfaces modulares de fibra óptica y una variedad de otros como controles mecánicos y pruebas de aplicaciones.


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Amplificación Pasiva de una señal óptica Resulta evidente que solamente podían ser útiles aquellos amplificadores ópticos que fuesen fácilmente conectables a las redes de comunicaciones por fibra óptica. Esto limitó las posibilidades realistas a dos: los amplificadores de semiconductor, por su pequeño tamaño y los amplificadores de fibra óptica, por su facilidad de integración en la red. A ambos tipos de amplificadores se ha dedicado un considerable esfuerzo de investigación y desarrollo y ambos se han llegado a implantar en redes. No obstante, las apreciables ventajas de los amplificadores de fibra que desarrollaremos a continuación (tales como pérdidas de inserción y sensibilidad a la polarización muy inferiores) han hecho que su uso sea más frecuente. Existen dos ventajas básicas de los amplificadores de fibra óptica, respecto a los amplificadores convencionales. En primer lugar, la potencia de bombeo necesaria es mucho menor, debido a que ésta se distribuye en una zona de unas pocas micras, en el interior de la fibra, lo que permite conseguir más fácilmente la intensidad de bombeo necesaria para la amplificación. En segundo lugar, la fibra óptica puede enrollarse fácilmente, ocupando poco volumen, lo que permite utilizar amplificadores muy largos, para conseguir la máxima ganancia compatible con la potencia de bombeo utilizada. En la actualidad existen tres tipos básicos de amplificadores de fibra óptica: los de núcleo dopado con iones de tierras raras, los de difusión Brillouin estimulada y los de difusión Raman estimulada. En los de núcleo dopado con tierras raras (concretamente lantánidos) la acción láser se obtiene por emisión estimulada, correspondiente a la transición entre dos niveles del ion de tierra rara, y las longitudes de onda de bombeo y de amplificación quedan fijadas por la estructura de niveles de dichos iones. La longitud de fibra amplificadora necesaria es de unas decenas de metros y la potencia de bombeo típica es de varias decenas o centenas de mW, dependiendo del ion dopante. Se consiguen curvas de ganancia con una anchura de banda espectral del orden de 10 nm. En los amplificadores por difusión Brillouin o Raman estimuladas, la longitud de onda de amplificación queda fijada por la longitud de onda de bombeo y cambia con ella y con las propiedades del material del que está hecha la fibra. Los basados en difusión Brillouin requieren algunas decenas de km de fibra, potencias de bombeo de unos pocos mW y amplifican en un espectro de una anchura de banda de tan solo


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0.001 nm. Los basados en difusión Raman requieren unos pocos km de fibra, potencias de bombeo de algunos vatios y la anchura de banda del espectro de amplificación es superior a 20 nm. El pequeñísimo ancho de banda de los amplificadores basados en efecto Brillouin y la considerable potencia de bombeo necesaria en los amplificadores basados en efecto Raman, han hecho que se hayan dedicado esfuerzos mucho más considerables a la investigación y desarrollo de amplificadores de fibra dopada con tierras raras, para su aplicación en las tres ventanas de comunicaciones ópticas. Concre- tamente el de erbio en fibra de sílice para la tercera ventana, el de praseodimio en fibra de ZBLAN para la segunda ventana y el de mezcla de tulio y erbio en fibra de ZBLAN para la primera ventana. En estos últimos tipos de amplificadores nos centraremos a partir de ahora.


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Amplificadores de Fibra Optica dopada con Tierras Raras

En este tipo de amplificadores, los iones de tierra rara (introducidos como dopantes en el interior del núcleo de la fibra) proporcionan dos niveles (niveles inferior y superior de la transición láser) entre los que se producen transiciones de absorción y emisión, a la longitud de onda para la que se quiere conseguir amplificación. Para ello es preciso que domine la emisión estimulada frente a la absorción, lo que, en términos de niveles no degenerados, significa que en el nivel superior de la transición láser la población debe ser mayor que la que existe en el nivel inferior. Teniendo en cuenta que en el equilibrio térmico ocurre lo contrario, debido a la ley de Boltzman que regula la distribución de poblaciones, la situación requerida para que haya amplificación se denomina inversión de población. Para conseguir esta inversión es preciso que intervenga en el proceso al menos un tercer nivel del ion dopante (nivel de bombeo) situado por encima de los niveles correspondientes a la transición láser, y que presente unas características muy peculiares. En el caso de los amplificadores de fibra óptica, debe existir una transición radiativa intensa desde el nivel fundamental del ion al nivel de bombeo, que sea capaz de subir muchos iones a dicho nivel, mediante absorción de luz. Además debe de haber una transición no radiativa (por mecanismos colisionales) desde el nivel de bombeo hasta el nivel superior de la transición láser, que permita un trasvase muy rápido de iones a dicho nivel. Pero esto no serviría de mucho si los iones no fuesen capaces de permanecer un tiempo considerable en este nivel (nivel de vida media larga) para así conseguir en él una


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acumulación, que permita una inversión de población con el nivel inferior de la transición láser. Este mecanismo de consecución de la inversión de población se denomina bombeo óptico. Cuando el nivel inferior de la transición láser coincide con el fundamental, el esquema de bombeo se llama de tres niveles. En caso contrario es preciso la participación de un cuarto nivel (por debajo de los tres primeros) para permitir que el nivel inferior de la transición láser se despueble rápidamente (por desexcitación no radiativa) lo que facilita la inversión de población del superior respecto al inferior. Este esquema de bombeo se llama de cuatro niveles y requiere mucha menos energía de bombeo, porque no hay que producir la inversión de población respecto al nivel fundamental que está muy poblado, sino respecto a un nivel poco poblado.

Para entender los detalles finales del mecanismo de bombeo es preciso recordar que, en el caso de iones de tierras raras en el interior de fibras ópticas, hay que considerar los mecanismos de ensanchamiento de los niveles, que los convierten en bandas de energía. El campo eléctrico creado, sobre cada ion de tierra rara, por los diferentes iones que lo rodean (los de la matriz vítrea que compone la fibra y los propios del dopante) desdobla cada nivel energético en varios subniveles Stark. Las energías de estos subniveles cambian, en cada punto, debido a fluctuaciones térmicas de los iones. Esto es equivalente, desde un punto de vista estadístico, a un ensanchamiento de cada uno de dichos subniveles, denominado ensanchamiento homogéneo. Por otra parte, el campo eléctrico cambia de un punto a otro, debido a inhomogeneidades en la distribución de iones, lo que origina un ensanchamiento efectivo adicional, denominado ensanchamiento inhomogéneo. La suma de los tres efectos comentados origina la transformación de cada nivel de energía de los iones de tierra rara en una banda de energía de cierta anchura. Esto permite la existencia aparente


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de esquemas de bombeo entre dos niveles (lo cual es estrictamente imposible) que realmente corresponden a esquemas de bombeo entre dos bandas. En la práctica, hay que considerar una serie de fenómenos, cuyo conocimiento nos puede permitir mejorar las prestaciones del amplificador. La luz de bombeo se acopla a la fibra amplificadora por uno o por ambos extremos. De esta forma, el bombeo, al propagarse de forma guiada a lo largo de la fibra, va invirtiendo la población. Por ello, la señal, que debe acoplarse a la fibra por uno de sus extremos, es amplificada, debido al predominio de la emisión estimulada (que tiene lugar en la dirección de la fibra) frente a la absorción. La producción de inversión de población a lo largo de la fibra, va debilitando progre- sivamente la intensidad del bombeo, hasta que éste comienza a ser incapaz de producirla. Este fenómeno condiciona la longitud que debe tener la fibra, llamada longitud óptima, para no desaprovechar su capacidad de amplificación, si se hace más corta, y evitar que parte de la fibra sea absorbente, si se hace más larga. Por otra parte, los iones que se encuentran en el nivel superior de la transición láser, no solamente pasan al nivel inferior por emisión estimulada, sino que también lo hacen por emisión espontánea, que se distribuye por igual en todas las direcciones del espacio. Parte de esta emisión espontánea queda acoplada en la fibra y se amplifica al propagarse en ambos sentidos, constituyendo lo que se denomina fluorescencia amplificada copropagante y contrapropagante, que se superpone a la señal, siendo la causa principal del ruido del amplificador. Por ello, cuando la aplicación para la que va a usarse el amplificador lo permite, se colocan filtros espectrales que eliminen la mayor cantidad posible de fluorescencia, sin deteriorar la señal. Además, si la fluorescencia amplificada se refleja en los extremos del amplificador, puede producir emisión láser, al amplificarse en pasos sucesivos por la fibra dopada, lo que resulta tremendamente perjudicial, al superponerse con la señal. Para evitar este efecto, se colocan aisladores ópticos (basados en el efecto Faraday) en uno o ambos extremos del amplificador, para de esta manera evitar los retornos no deseados. Otro fenómeno a tener en cuenta, para conseguir un funcionamiento óptimo del amplificador, es la influencia de la concen- tración del dopante. A primera vista, parece más cómodo (por problemas de espacio) utilizar fibras cortas altamente dopadas, que fibras largas débilmente dopadas. Pero este argumento deja de ser válido cuando se tiene en cuanta que las altas concentraciones provocan interacciones entre los iones dopantes, que los desexcitan y contribuyen a destruir la inversión de población, lo que disminuye la eficiencia del amplificador. Esta es la razón por la cual se usan fibras amplificadoras largas (de unas decenas de metros),


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con baja concentración de dopante (algunas centenas de partes por millón en peso). Incluso a estas concentraciones, se suelen añadir codopantes en el núcleo de la fibra, tales como aluminio, fósforo o germanio, que permiten que el dopante amplificador se diluya mejor, evitando así la formación de agregados. Finalmente, hay que procurar evitar efectos como la absorción desde estados excitados, consistente en transiciones radiativas desde el nivel de bombeo o desde el nivel excitado de la transición láser. En el primer caso parte de los iones dopantes van a niveles superiores de energía en lugar de ir al nivel excitado de la transición láser. En el segundo caso son los iones que ya han llegado a este nivel los que van a niveles superiores. En ambos casos se reduce la inversión de población y, por ello, la eficiencia en la amplificación.


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Amplificadores Dopados de Erbio Los amplificadores de fibra de sílice dopada con erbio son los que mejores prestaciones presentan, en comparación con otros amplificadores de fibra óptica dopada con tierras raras. Por una parte, se consiguen hasta 50 dB de ganacia (en régimen de baja señal de entrada), con potencias de bombeo moderadas (de varias decenas de mW). Por otra parte, la zona espectral en la que amplifican se encuentra típicamente en torno al intervalo que va desde 1.53 a 1.55 mm, correspondiente a la tercera ventana, que tiene especial interés en comunicaciones ópticas por la baja atenuación que presentan las fibras de sílice a estas longitudes de onda.

La transición láser tiene lugar desde niveles de la banda 4I13/2 hasta niveles de la banda 4I15/2. Examinando las bandas superiores y las transiciones radiativas permitidas desde la banda fundamental 4I15/2 hasta estas bandas, se encuentran posibles transiciones de bombeo en torno a 530, 665, 800 y 980 nm. Aparece una última transición de bombeo en torno a 1480 nm, que tiene lugar entre niveles de las mismas bandas que intervienen en la amplificación (la 4I15/2 y la 4I13/2). Para ello es preciso que la longitud de onda de bombeo sea inferior a la de la señal que se amplifica. A la hora de seleccionar las longitudes de onda de bombeo más apropiadas, hay que eliminar las de 530 y 665 nm porque


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no existen fuentes pequeñas y suficientemente potentes. En cuanto a la posibilidad de bombear a 800 nm, hay que tener en cuenta que esta longitud de onda provoca transiciones intensas desde el estado excitado de la transición láser, que debilitan fuertemente el mecanismo de bombeo. Por estos motivos es la luz de longitudes de onda de 980 ó 1480 nm la que se suele usar para el bombeo en amplificadores de erbio. En los últimos años se han desarrollado láseres de semiconductor, operando a estas longitudes de onda, que proporcionan más de 100 mW de potencia. Para conseguir estabilidad en la potencia y longitud de onda emitidas, es preciso un control estricto de la corriente de alimentación y de la temperatura de los láseres emisores. Esto último se lleva a cabo mediante refrigeradores que operan por efecto Peltier. Para ayudar en la estabilización de la longitud de onda, suelen usarse también redes de Bragg de fibra óptica. Los láseres que emiten a 980 nm suelen estar fabricados a base de compuestos de GaAs con In y P y los que emiten a 1480 nm a base de compuestos de GaAs y Al. En los últimos años se está utilizando otro mecanismo de bombeo consistente en codopar la fibra con iterbio y bombear con luz de 980 nm, que provoca la excitación de los iones de iterbio con gran eficiencia, que se transfiere posteriormente a los iones de erbio. De esta manera consigue aumentarse la eficiencia del bombeo.


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Amplificadores de Praseodimio A pesar de las buenas prestaciones de los amplificadores de erbio y de su régimen de operación en tercera ventana, que es la que más interés presenta para comunicaciones a larga distancia, hay que considerar que una parte muy importante de las redes de larga distancia que están instaladas, están formadas por fibras ópticas optimizadas para la propagación de luz con longitud de onda de 1.3 mm, que corresponde a la segunda ventana de comunicaciones ópticas. Por ello es también interesante disponer de amplificadores ópticos que operen en esta ventana.

En este momento las mejores prestaciones se obtienen con el amplificador de praseodimio. La amplificación en segunda ventana se lleva a cabo mediante la emisión estimulada desde la banda 1G4 hasta la 3H5. Cuando el praseodimio se introduce como dopante en el núcleo de una fibra de sílice, aparecen transiciones no radiativas muy fuertes desde la banda 1G4, que impiden la inversión de población con la banda 3H5, y por lo tanto imposibilitan la amplificación. Para solventar este problema es preciso recurrir a fibras de ZBLAN, que es una mezcla de fluoruros de circonio, bario, lantano, aluminio y sodio. Esto origina un fuerte encarecimiento del amplificador. Los iones dopantes no van a ser bombeados de manera uniforme sobre la sección transversal de la misma. La distribución de intensidad de bombeo en dicha sección está regulada por los perfiles de intensidad de los modos que se propagan confinados en la fibra. En consecuencia, la intensidad de bombeo es mayor en el centro del núcleo que en sus bordes, lo que conduce a que habitualmente solamente


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se alcance inversión de población en la parte central del núcleo. Por lo tanto, es preciso tener la precaución de no dopar con iones amplificadores las zonas en las que no se va a conseguir inversión de población, porque en ellas se produce absorción de señal, en lugar de amplificación, con la consiguiente merma de la ganancia global del amplificador. Una vez fabricada la fibra, es preciso considerar que la optimización de la ganancia depende de la aplicación concreta que vaya a darse al amplificador, debido a la dependencia de la longitud óptima de la fibra con la longitud de onda y potencia del bombeo y la señal. Parece claro que si la potencia de bombeo aumenta, éste será capaz de invertir la población en un trozo de fibra más larga, lo que aumenta la longitud óptima de ésta. Además, la longitud óptima es menor para las longitudes de onda en las que el bombeo es más eficiente, puesto que la potencia de bombeo es absorbida más rápidamente a lo largo de la fibra y pierde antes su capacidad para invertir la población. Si aumenta la potencia de la señal, ésta es capaz de provocar más emisiones estimuladas, lo que contribuye a disminuir la inversión de población y, por tanto, a acortar la longitud óptima. En este caso la ganancia es menor, pero la potencia de salida es mayor, lo cual tiene su utilidad como veremos posteriormente. Al cambiar la longitud de onda cambia la probabilidad de emisión estimulada y por tanto la ganancia, de forma que cuando éstas son mayores, la inversión de población disminuye y con ella la longitud óptima. Los comentarios anteriores muestran que la distribución de dopante de la fibra, así como las longitudes de onda y potencias del bombeo y la señal, influyen claramente en el diseño del amplificador. Para llevar a cabo éste es de gran ayuda disponer de modelos teóricos que permitan simular su comportamiento. En este campo se ha llevado a cabo abundante trabajo y se dispone de modelos que permiten calcular la evolución, a lo largo de la fibra, de las potencias de bombeo y señal, así como de las fluorescencias copropagante y contrapropagante. El bombeo suele considerarse monocromático y, por tanto, solamente es preciso plantear una ecuación diferencial para describir su evolución. La señal que se introduce en el amplificador a través de la red, suele ser o bien monocromática o bien el resultado de la multiplexación de varias señales monocromáticas, que constituyen un espectro discreto. Por ello hay que introducir una ecuación diferencial de evolución por cada una de las longitudes de onda que contenga este espectro. En cuanto a la fluorescencia, su espectro es continuo y suele ser bastante ancho, lo que obliga a dividirlo en muchos canales de pequeña anchura espectral y plantear dos ecuaciones diferenciales de evolución para cada uno de ellos (una para la fluorescencia copropagante y otra para la contra-


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propagante). Como en las ecuaciones de evolución de las potencias intervienen las poblaciones que tienen los distintos niveles del ion amplificador sobre todo el volumen de la fibra, hay que plantear también ecuaciones diferenciales de evolución de estas poblaciones, en las que a su vez intervienen las potencias de bombeo, señal y fluorescencia. Se obtiene, por tanto, un considerable número de ecuaciones diferenciales acopladas, que se resuelven en general de forma numérica, aunque también se han desarrollado algunos métodos analíticos aproximados. La resolución de estas ecuaciones requiere el conocimiento de las potencias del bombeo y de las distintas señales multiplexadas y de otros parámetros, como son: distribución de densidad del dopante amplificador, vidas medias de los niveles que intervienen en las ecuaciones de evolución y secciones eficaces de las transiciones que tienen lugar entre estos niveles, además de los parámetros que describen a la fibra desde el punto de vista pasivo. Para medir los parámetros que describen a la fibra desde un punto de vista activo se han desarrollado una serie de técnicas de caracterización, que en algunos casos (como en la medida de la distribución de dopante amplificador) presentan considerables dificultades. Otro parámetro importante del amplificador es el ruido, que deteriora la señal amplificada. Como hemos visto anteriormente, la población del nivel excitado de la transición láser origina la fluorescencia amplificada, que es un parásito que se superpone a la señal. Consi- derando que la potencia de bombeo se mantiene constante en el tiempo, la potencia de la fluorescencia debe ser en principio constante, lo que supone añadir un nivel constante de potencia parásita a la señal. Teniendo en cuenta que las señales que se usan en comunicaciones ópticas son variables con el tiempo y de frecuencias elevadas, esto no supondría un problema importante. El verdadero problema estriba en que al superponer ondas electromagnéticas con frecuencias diferentes, aparece una modulación sinuosidad de la intensidad de la onda resultante, con una frecuencia que es la diferencia entre las frecuencias de las dos ondas. Por lo tanto, a la salida del amplificador aparecerán todas las modulaciones debidas a la mezcla de la señal con cada una de las frecuencias de la fluorescencia, y de las distintas frecuencias de la fluorescencia entre sí, originando fluctuaciones temporales de intensidad, que pueden ser de alta frecuencia (debido a la considerable anchura del espectro de fluorescencia) y pueden dificultar el reco- nocimiento de la señal. El ruido originado por estos fenómenos se evalúa mediante la figura de ruido, que expresa, en escala logarítmica, la relación entre el cociente señal/ruido a la entrada y a la salida del amplificador. Existen modelos sencillos que permiten obtener la figura de ruido a partir de la medida de la


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fluorescencia amplificada. Como ésta puede ser simulada mediante los modelos descritos anteriormente, éstos permiten predecir la figura de ruido además de la ganancia. Considerando que las señales que se emplean en comunicaciones ópticas son señales variables con el tiempo, es preciso analizar otros efectos perjudiciales como son la distorsión de la señal al amplificarse (originada por la posible dependencia de la ganancia con la potencia de la señal introducida en el amplificador) y el cruce de canales (consistente en la transferencia de información de un canal de comunicación a otro). Al amplificarse la señal a su paso por la fibra dopada, se origina un despoblamiento del nivel excitado de la transición láser, que crece con la potencia de la señal y es apreciable si ésta no es excesivamente débil. Este despoblamiento origina un decrecimiento de la ganancia, que pasa así a disminuir cuando la potencia de la señal aumente y viceversa, lo que origina distorsión sobre la señal amplificada. Por otra parte, la variación de la potencia de la señal con el tiempo origina una modulación en la inversión de población, que a su vez origina una modulación en la ganancia. Cuando una segunda señal, correspondiente a otro canal de comunicación, se introduce en el amplificador, ésta se ve afectada por una ganancia que está modulada por la primera y que, por tanto, transfiere su modulación a la segunda, originándose así un cruce de canales. En la práctica, para conocer la magnitud de estos efectos, hay que considerar que la dinámica de la inversión de población viene regulada por el valor de la vida media del nivel superior de la transición láser. Es fácil comprender que la población de este nivel no puede verse afectada por variaciones de la potencia de la señal que se lleven a cabo en tiempos pequeños frente a su vida media. En el caso del erbio, esta vida media (que depende ligeramente de los codopantes del núcleo) toma valores próximos a 10 ms, lo que implica que variaciones de señal que tengan lugar en tiempos inferiores a 0.1 ms no pueden afectar a la inversión de población. Esto quiere decir que para señales con frecuencias superiores a 10 KHz no se presentan los efectos de distorsión ni de cruce de canales. En el caso del praseodimio la vida media del nivel en cuestión es de unos 100 ms, lo que significa que dejan de presentarse estos efectos a frecuencias superiores a 1MHz. Como estas frecuencias son bajas en comparación con las que se utilizan en comunicaciones ópticas, se puede concluir que los amplificadores citados se encuentran, en la práctica, libres de efectos de distorsión e intermodulación.


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Aplicaciones de los Amplificadores Los amplificadores de fibra óptica, y en particular los de fibra dopada con tierras raras, se desarrollaron para tratar de sustituir los repetidores eléctricos por repetidores ópticos, en las redes de comunicaciones por fibra óptica. En un repetidor se introduce la señal que se ha debilitado, debido a la atenuación experimentada en su propagación por la red de fibra, para volver a recuperar la potencia que tenía al comienzo del recorrido.

Por tanto, el amplificador opera en régimen de baja señal, en el cual se consigue la ganancia suficiente (típicamente entre 30 y 40 dB) para que la señal amplificada pueda seguir propagándose a lo largo de alrededor de medio centenar de kilómetros, antes de necesitar otro repetidor. Estos repetidores, que son transparentes al tipo de codi- ficación, se usan tanto en redes digitales (en telefonía, transmisión de datos, transmisión de vídeo digital, etc.) como en redes analógicas (fundamentalmente para transmisión de señales de audio y vídeo analógicos). Su uso, de gran utilidad en comunicaciones a larga distancia, es vital en el caso de cables submarinos, debido a su simplicidad y buenas prestaciones. Utilizando varios carretes con fibra óptica enrollada, unidos por amplificadores de erbio, se ha llegado a conseguir la propagación de una señal de 2.5 Gb/s a lo largo de 21000 km. Se han realizado pruebas en instalaciones de red de fibra óptica, llevadas a cabo por las empresas AT&T y KDD, que consiguieron propagar una señal de 5 Gb/s, a lo largo de 9000 km, utilizando 274 amplificadores de erbio, situados a una distancia media de 33 km. Estos ejemplos evidencian que los citados amplificadores permiten cubrir perfectamente las distancias necesarias en nuestro planeta. En las redes de fibra, no solamente se necesitan amplificadores ópticos para ser usados como repetidores, sino también para otras finalidades. Por ejemplo, cuando


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se llega a una ramificación en la red, la potencia en cada rama puede quedar considerablemente reducida. Este problema puede solventarse poniendo un repetidor en cada rama, o bien poniendo un amplificador óptico antes de la ramificación, que eleve la potencia de la señal al nivel necesario para que la potencia después de la ramificación sea suficiente. Es evidente que se ahorran dispositivos utilizando esta última solución. Por otra parte, en los cables submarinos es preciso escatimar al máximo el número de repetidores (por razones evidentes) lo que puede llevarse a cabo utilizando amplificadores de potencia antes del extremo de entrada de la señal al cable. En concreto, los amplificadores de erbio son capaces de conseguir señales amplificadas de varios vatios de potencia, con la potencia de bombeo adecuada. A estos niveles de potencia hay que tener en cuenta que los efectos no lineales que se producen en las fibras pueden perturbar a las señales que se propagan, por lo que es preciso estudiar cuidadosamente el valor máximo de potencia que cada tipo de fibra permite. Otra de las aplicaciones importantes de los amplificadores se basa en que la colocación de un amplificador óptico justo antes de un detector de señal, lo que produce un efecto de mejora de la sensibilidad del detector, permitiendo alargar la distancia que va desde éste hasta el último repetidor. En estas condiciones el amplificador óptico actúa como preamplificador del detector. Los preamplificadores ópticos (colocados antes del detector) tienen la ventaja de producir mucho menos ruido que los preamplificadores electrónicos (colocados después del detector) para las altas frecuencias que se utilizan en comunicaciones ópticas. Combinando un amplificador de potencia con un preamplificador (ambos ópticos) se puede alargar la distancia sin repetidores hasta unos 300 km. Si intercalamos una fibra dopada con tierra rara a la que se le envía la potencia de bombeo desde el extremo inicial del recorrido (bombeo remoto) la distancia que puede recorrer la señal sin necesitar dispositivos electrónicos (como la fuente de alimentación de la fuente de bombeo del amplificador) pasa a ser del orden de 500 km. Este tipo de montaje es muy útil en cables submarinos. Como es bien sabido, el fenómeno de dispersión cromática que presentan las fibras ópticas, hace que los pulsos representativos de los diferentes bits del mensaje se ensanchen en el recorrido, lo que limita la capacidad de transmisión de información. A lo largo de los años se ha hecho un progreso importante en la reducción de la dispersión, llegando a valores inferiores al ps/km.nm que son muy difíciles de mejorar. Hay dos alternativas para aumentar la capacidad de transmisión de información: la transmisión mediante solitones y la multiplexación en longitud de


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onda. En ambos casos los amplificadores de fibra óptica dopada con tierras raras juegan un papel importante. La transmisión mediante solitones consiste en compensar el desplazamiento que sufren las componentes espectrales del pulso, originado por la dispersión, con un desplazamiento de valor opuesto, que puede obtenerse gracias al efecto Kerr no lineal. De esta manera se consiguen pulsos, llamados solitones, cuya anchura se mantiene a lo largo del recorrido, siempre que la potencia sea superior a un umbral, lo que aumenta considerablemente la capacidad de transmisión de información. Para compensar las pérdidas por atenuación, que llegarían a disminuir la potencia por debajo del umbral, es necesario colocar amplificadores ópticos a lo largo del recorrido. Se ha llevado a cabo mucho trabajo sobre la teoría y tecnología de solitones, pero no se han obtenido todavía los resultados esperados, en comparación con los obtenidos mediante pulsos dispersivos. Se ha conseguido a nivel de laboratorio la propagación de señales de 10 Gb/s a lo largo de un millón de kilómetros y en red real la propagación de señales de 40 Gb/s a distancias de 4000 km. La multiplexación por división de longitud de onda consiste en propagar por una misma fibra señales de distintas longitudes de onda, lo que multiplica la capacidad de transmisión por el número de longitudes de onda empleadas. Aquí los amplificadores ópticos juegan un papel importante, pues permiten la amplificación simultanea de todas las señales multiplexadas. Naturalmente hay que utilizar longitudes de onda que se encuentren dentro del espectro de ganancia de los amplificadores. En el caso de los amplificadores dopados con erbio (que son los más usados dentro de la familia de amplificadores dopados con tierras raras) la curva de ganancia espectral hace que las señales de las diferentes longitudes de onda puedan alcanzar potencias muy diferentes, lo que no es deseable. Para evitar esto se han desarrollado varios métodos de aplanamiento: utilizando altas concentraciones de aluminio en el núcleo de las fibras dopadas, usando filtros espectrales, redes de Bragg o filtros activos (por ejemplo filtros acustoópticos) para controlar de forma dinámica la potencia de salida de las distintas longitudes de onda. Con estos métodos se han conseguido buenos resultados con multiplexación de hasta cien longitudes de onda. Por ahora, la alternativa de multiplexación por división de longutid de onda ofrece mejores perspectivas que la de propagación de solitones.


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Filtros ópticos

Fibra ópticos permiten que longitudes de onda específicas de una señal óptica pase en un sistema más grande de fibra óptica. Están diseñados para conectar a un sistema de fibra óptica y pasar longitudes de onda específicas y rechazar otros. Pueden ser filtros pasa bajos o filtros pasa altos.

Un filtro pasa bajos de fibra óptica permite solamente que pasen las longitudes de onda más cortas de luz al pasar por el filtro. Un filtro pasa alto de fibra óptica permite solamente que pasen las longitudes de onda más altas. Estos filtros de fibra óptica pueden afinarse para seleccionar

longitudes de onda muy estrechas. Se utilizan ampliamente en las redes de telecomunicaciones ópticas y aplicaciones aeroespaciales. Los filtros ópticos de alto aislamiento son diseñados para diferentes longitudes de onda ópticas en amplificadores ópticos.


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En la imagen de abajo, es posible apreciar un esquema básico del funcionamiento de un sistema WDM. Para cada uno de los canales hay un láser emitiendo a diferente frecuencia. Posteriormente se multiplexan todos los canales en una fibra óptica de gran capacidad. En el receptor se encuentra un filtro óptico que selecciona cada uno de los canales.


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Arquitecturas de Redes PON Se han desarrollado nuevas arquitecturas de red para reducir el costo de la instalación de servicios de alto ancho de banda en el hogar, a menudo agrupados en el acrónimo FTTx para "Fibra a la x". Estos incluyen FTTC para fibra hasta la acera, también llamado FTTN o fibra al nodo, FTTH para fibra al hogar y FTTP para fibra al local (premises), usando "locales" para incluir hogares, departamentos, condominios, pequeñas empresas, etc. Recientemente incluso se ha añadido FTTW para fibra a enlaces inalámbricos.

FTTC: Fiber To The Curb (Node, FTTN) La fibra a la acera lleva la fibra al la acera, o simplemente por la calle, lo suficientemente cerca del cableado de cobre que ya conecta la casa y transporta DSL (línea de abonado digital o señales digitales rápidas en cobre).

El ancho de banda de FTTC depende del rendimiento de DSL donde el ancho de banda disminuye en longitudes largas desde el nodo hasta el hogar. Hay muchos tipos de DSL (ADSL, HDSL, RADSL, VDSL, UDSL, etc., que ofrecen más de 22


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variedades) que ofrecen un rendimiento variable a lo largo de la longitud, incluidos algunos que "unen" más pares de cables para mejorar el ancho de banda.

Comparación de velocidad y distancia entre ADSL2+, VDSL, y VDSL2

Las casas más nuevas que tienen buen cobre y están cerca de donde se encuentra el conmutador DSL pueden esperar un buen servicio de hasta 20 Mbps. Las casas con cobre más antiguo o distancias más largas tendrán menos ancho de banda disponible. El FTTC es menos costoso que el FTTH cuando se instala por primera vez, pero como el rendimiento depende de la calidad del cableado de cobre actualmente instalado en el hogar y de la longitud que debe alcanzarse desde el nodo al hogar, el nivel de servicio puede quedar obsoleto rápidamente por las demandas del cliente. En áreas más antiguas donde los cables de cobre son de peor calidad o se han degradado con el tiempo, el DSL es difícil o imposible de implementar y muy costoso de mantener. La buena noticia es que FTTC está listo para actualizarse a FTTH.


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FTTW: Fiber to Wireless Por supuesto, los usuarios de dispositivos móviles de hoy dependen de las conexiones inalámbricas para sus computadoras portátiles, teléfonos inteligentes y tabletas. Incluso muchos hogares y empresas están usando conectividad inalámbrica, especialmente aquellas fuera de las áreas donde FTTH o FTTC no están disponibles o se consideran económicas para futuras instalaciones. Las opciones inalámbricas incluyen los sistemas celulares que son la solución inalámbrica más ampliamente disponible en todo el mundo, WiFi que se ha hecho disponible en muchas empresas e incluso en el exterior en áreas atendidas por redes municipales e inalámbricas por satélite, utilizadas en muchas áreas rurales donde las distancias son tan grandes que Cableado o WiFi es inviable. Las opciones futuras incluyen

WiMAX y Super WiFi, redes inalámbricas terrestres con rangos más largos y mayor capacidad de ancho de banda que la mayoría de los sistemas celulares y antenas celulares más pequeñas con cobertura más localizada como esta radio LightCube de Alcatel-Lucent que se puede colocar en cualquier lugar

y conectarse con fibra y energía . Todas estas opciones están dirigidas a proporcionar más ancho de banda a los usuarios de manera más eficiente. Este nuevo servicio se llama FTTW y con él el propósito es combinar lo mejor de las dos tecnologías que están resultando ser ganadoras en el mercado para proporcionar conexión a Internet. FTTW es el acrónimo de Fiber To The Wireless o la posibilidad de proporcionar conexiones de fibra a través de enlaces inalámbricos. Por lo tanto, es fácil imaginar el enorme potencial de este servicio, ya que con él se puede pensar en tener disponible el poder de la fibra con la facilidad de transporte de la conexión en sí. Por lo tanto, podemos proporcionar una conexión muy estable


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y rápida en aquellas áreas que otros pueden considerar de "menor importancia". Otro aspecto muy importante de este producto se refiere a los costos, ya que no es necesario realizar un trabajo costoso para colocar la fibra en la última milla, el costo de instalación del servicio y el servicio en sí son muy competitivos, tanto que demuestra que Interesante incluso en áreas donde otros operadores también están presentes. Las tecnologías LTE de rápido desarrollo, como 4T4R1 de banda ancha y MIMO, han mejorado significativamente el ancho de banda inalámbrico, la capacidad y se ha reducido considerablemente el costo del Gbps o de la descarga de GB. El LTE se ha convertido en una solución viable para mejorar la velocidad de banda ancha. El lanzamiento del espectro 5G y varias nuevas tecnologías 5G mejorarán aún más la eficiencia espectral, la capacidad y reducirán el costo por GB para mejorar la capacidad de la banda ancha de fibra inalámbrica. La banda ancha inalámbrica de fibra se ha convertido en una opción para mejorar las tasas de banda ancha. De acuerdo con el Informe del índice de economía y sociedad digital de 2018 en Europa, las tasas de banda ancha alámbricas en Europa están entre 7 Mbit / sy 23 Mbit / s, y la tasa LTE ya ha alcanzado entre 20 Mbps y 42 Mbps. El 37% de los hogares en Finlandia y el 23% en Italia utilizan solo las tecnologías inalámbricas LTE para acceder a Internet. La banda ancha inalámbrica de la fibra óptica acelera la popularización de la banda ancha en los países en desarrollo. Los servicios inalámbricos de banda ancha se han implementado en muchos países en desarrollo. Así, la tasa de crecimiento de la banda ancha inalámbrica ha superado la de la banda ancha fija. Como resultado, la tasa de penetración de banda ancha aumentó en el mundo. En los últimos cinco

1 4T4R es la configuración predeterminada para experiencias de tipo 5G en el entorno WIFI que se usa actualmente. Las capacidades potenciales de velocidad y cobertura de 5G móvil que llegará en el futuro la anticipa el sistema 4T4R de WIFI. La tecnología WIFI AC más avanzada lleva una configuración 4T4R para permitir alta potencia inalámbrica con cuatro antenas externas. Las principales características de estos equipos 4T4R es su doble banda simultánea Wi-Fi AC de alto rendimiento, compatible con todos los estándares 802.11a/b/g/n/ac. Las cuatro antenas son para crear 4 canales de trásmisión de datos y tener los hasta 600Mbps en la banda de 2.4GHz. Las antenas WIFI de Doble Banda 4T4R trabajan con cuatro antenas externas duales que tienen un total de 8 radios y 16 amplificadores inalámbricos de los cuales cuatro emisores son de alta ganancia. Al emitir y recibir simultáneamente en las frecuencias de 2.4GHz y 5GHz para conseguir una velocidad de hasta 600Mbps en la banda de 2.4GHz con Wi-Fi N y hasta 1300Mbps en la banda de 5GHz.


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años, 230 operadores en 124 países han desplegado WTTx para proporcionar servicios de banda ancha inalámbrica fija para 75 millones de hogares, pequeñas y medianas empresas (PYME), escuelas y hospitales. La solución FTTW crea los siguientes beneficios:

• Servicios completos • Experiencia de fibra • Despliegue rapido • Flexibilidad, velocidad flexible bajo demanda. • Evolución orientada a 5G • Servicios completos

Con la popularización de este tipo de servicios, las personas tienen cada vez más requisitos diversificados para el acceso de banda ancha, como el acceso telefónico, Internet y VOD a través de los decodificadores de banda ancha. En cuanto a los servicios de acceso a la línea privada de banda ancha para empresas, la sede y las sucursales de las PYMES requieren servicios de intranet y de oficina móvil basados en VPN. Estos servicios dependen de VoIP, VPN, videovigilancia y otras capacidades de red. La solución es compatible con una amplia gama de servicios, que incluyen banda ancha, video, VoIP y VPN, lo que ayuda a los operadores a implementar una red de banda ancha básica y de servicio completo para hogares y empresas. La solución de FTTW ofrece una experiencia de banda ancha de nivel Gbps, que ayuda a los operadores a proporcionar servicios superiores. Las innovadoras estaciones MIMO de banda ancha usan 4T4R para mejorar la eficiencia espectral entre tres y cinco veces. Todos estos sistemas inalámbricos dependen de la misma red troncal de comunicaciones de fibra óptica que todos los demás. A medida que crecen, una mayor demanda de ancho de banda significa más tráfico hacia las antenas locales, lo que hace que la fibra sea más atractiva. La mayoría de los usuarios de celulares están convirtiendo torres de antena más antiguas conectadas por cables de cobre o inalámbricas de línea de visión a fibra. La fibra se usa incluso para conexiones de


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torres a antenas inalámbricas, ya que es más pequeña y liviana que los cables coaxiales utilizados anteriormente. El mayor inconveniente de Internet inalámbrico es el costo. Los clientes que desean descargar HDTV para ver en casa encontrarán que las conexiones inalámbricas en general son prohibitivamente caras.


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FTTH Active Star Network La forma más sencilla de conectar hogares con fibra es tener un enlace de fibra que conecte cada hogar a los conmutadores de la compañía telefónica, ya sea en la oficina central (CO) más cercana o a un switch local activo.

El dibujo de arriba muestra una casa con conexión desde el hogar directamente al CO. En FTTH Active Star Network se tiene un switch local y luego la fibra a cada hogar, altamente flexible, pero simplemente se mueve la electrónica cerca del hogar. Piense en ello como un sistema FTTC con la acera sobre fibra para el hogar también.

Casa

Departamento

Negocio

Cable Drop hasta el cliente

Punto de Fusión

Cable Multifibra

CO Oficina Central


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Home Run A continuación, otra de las arquitecturas del sistema FTTx, en que el hogar está conectado a un switch local, como el FTTC actualizado al FTTH. Las fibras de CO a cada hogar ofrecen la mayor flexibilidad, pero a un costo más alto, ya que no se comparten productos electrónicos. Una buena solución para pequeños desarrollos o conexiones rurales.

Una red activa de enlaces al hogar tiene una fibra dedicada a cada hogar (o instalaciones en el caso de negocios, departamentos o condominios). Esta arquitectura ofrece la máxima cantidad de ancho de banda y flexibilidad, su costo es mayor, tanto en electrónica como en cada extremo si es comparado con una arquitectura PON (Red Óptica Pasiva), y las fibras dedicadas que se requieren para cada hogar.

Casa

Departamento

Negocio


Nodo Activo

Cable Multifibra

CO Oficina Central


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FTTH PON: Passive Optical Network Un sistema PON permite compartir componentes costosos para FTTH. Un “Splitter” o divisor pasivo que toma una entrada y la divide para transmitir a muchos usuarios reduce el costo de los enlaces de manera sustancial al compartir, por ejemplo, un láser costoso con hasta 32 hogares. Los divisores PON son bidireccionales, es decir, las señales pueden enviarse en sentido descendente desde la oficina central, transmitirse a todos los usuarios, y las señales de los usuarios pueden enviarse en sentido ascendente y combinadas en una sola fibra para comunicarse con la oficina central. Debido a todos los divisores y enlaces cortos, además, como algunos sistemas están diseñados para video de AM como sistemas CATV, generalmente se usan conectores no reflectantes, como el conector de contacto pulido angulado SC-APC.

El Splitter puede ser una unidad en una sola ubicación como se muestra arriba o varios Splitters en cascada como se muestra a continuación. Los divisores en cascada se pueden usar para reducir la cantidad de fibra necesaria en una red colocando los divisores más cerca del usuario. La relación de división, es la división

Casa

Departamento

Negocio


Splitter Óptico

Cable Multifibra

CO Oficina Central


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de cada acoplador multiplicada entre sí, por lo que un splitter de 4 vías seguido por un splitter de 8 vías sería una división de 32 vías. La conexión en cascada se hace generalmente cuando las casas que se sirven se agrupan en grupos más pequeños. Los splitters a veces se alojan en la oficina central y las fibras individuales van desde la oficina a cada suscriptor. Esto puede mejorar la capacidad de servicio de la red, ya que todo el hardware de la red se encuentra en un solo lugar con una pequeña penalización en el costo general, ya sea para áreas urbanas densas o sistemas rurales largos.

La mayoría de los Splitters PON son 1X32 o 2X32 o un número menor de divisiones en una secuencia binaria (2, 4, 8, 16, 32, etc.). Los acopladores son básicamente simétricos, digamos 32X32, pero la arquitectura PON no necesita más que una conexión de fibra en el lado de la oficina central, o tal vez 2, por lo que uno está disponible para monitoreo, prueba y como repuesto, por lo que las otras fibras están cortadas. Los acopladores funcionan dividiendo la señal por igual en todas las fibras del otro lado del acoplador. Los Splitters agregan una pérdida considerable a un enlace FTTH, lo que limita la distancia de un enlace FTTH en comparación con el enlace de telecomunicaciones punto a punto típico. Al diseñar una red de fibra óptica, aquí hay pautas sobre la pérdida en los acopladores PON.

Casa

Departamento


Splitter Óptico

Cable Multifibra

CO Oficina Central

Splitter Óptico

A más casas


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Splitter Ratio 1:2 1:4 1:8 1:16 1:32

Pérdida ideal / puerto (dB) 3 6 9 12 15

Exceso de Pérdida (dB, max)

1 1 2 3 4

Pérdida Típica (dB) 4 7 11 15 19

Cada hogar debe estar conectado a la oficina central local con fibra monomodo a través de un Splitter óptico. Cada hogar tendrá un enlace de fibra monomodo en un conducto subterráneo o conectado a los cables de la compañía telefónica que corren por la calle. La compañía Verizon en EEUU ha sido pionera en la instalación de enlaces de fibra prefabricados que requieren poco empalme de campo.

Aquí hay un sistema de distribución de fibra que se

ha empalmado en cables conectados a la oficina central local. El cable de acometida o cable drop preterminado a la casa simplemente se conecta al cierre en el poste en el círculo rojo y generalmente está atado al cable del teléfono ya conectado a la casa. Si el cable está bajo tierra, por lo general se pasará a través de un conducto desde la conexión al cable de distribución o el splitter a la casa. Aquí, un sistema preterminado tiene dos cables drop domésticos conectadas al cable de distribución.


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El splitter se puede alojar en una oficina central o en un gabinete en el vecindario cerca de las casas atendidas. Aquí hay un gabinete típico que tiene conexiones con el CO, splitters y fibras a cada hogar en un recinto sellado. La ventaja de las PON es que este gabinete es pasivo: no requiere conexiones de energía eléctrica, como lo haría un Switch o nodo para la FTTC.

Se instalará un dispositivo de interfaz de red que contenga transmisores y receptores de fibra óptica en el exterior de la casa. El cable entrante debe terminarse en la casa, probarse, conectarse a la interfaz y se debe probar el servicio.

A continuación se muestra el diseño de una red PON típica con el equipo requerido en el CO, el centro de distribución de fibra y el hogar. Este dibujo muestra la ubicación del hardware utilizado para crear una red PON completa. Este dibujo también define la jerga de la red para los cables: un cable "alimentador" se extiende desde la OLT (terminal de línea óptica) en el CO (oficina central) hasta un FDH (centro de distribución de fibra) donde se encuentra el divisor PON (red óptica pasiva) . Luego se conecta a los cables de "distribución" que se dirigen hacia la ubicación del suscriptor, donde se utilizarán cables drop o acometida para conectar el enlace final a la ONT (terminal de red óptica).


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Casa

Departamento

Cable Drop

FDH Fiber Distribution Hub

Feeder

OLT Optical

Line Terminal

Splitter Óptico

A más casas

Cable Drop

Distribución

ONT: Optical Network Terminal

ONT: Optical Network Terminal


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Sistemas Triple Play

La mayoría de los sistemas FTTH son sistemas "triple play" que ofrecen voz (teléfono), video (TV) y datos (acceso a Internet). Para proporcionar los tres servicios a través de una fibra, las

señales se envían de manera bidireccional a través de una sola fibra usando dos o tres longitudes de onda de luz separadas. Tres protocolos diferentes están en uso hoy en día, BPON, que se muestra a continuación, utiliza una tercera longitud de onda para el video de AM, mientras que EPON y GPON usan la transmisión digital de IPTV. Las señales digitales en sentido descendente desde el CO a través del divisor hasta el hogar se envían a 1490 o 1550 nm. Esta señal transporta tanto voz como datos al hogar. El video en los sistemas BPON utiliza la misma tecnología que CATV, una señal modulada analógica, emitida por separado utilizando un láser de 1550 nm que puede requerir un amplificador de fibra para proporcionar suficiente potencia de señal para superar la pérdida del divisor óptico. Las señales digitales ascendentes para voz y datos se envían de vuelta al CO desde el hogar utilizando un láser económico de 1310 nm. Los acopladores WDM separan las señales tanto en el hogar como en el CO.


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Alimentando FTTH Tradicionalmente, los servicios telefónicos, al menos lo que se llama "POTS" (Plain Old Telephone Service) o servicio telefónico simple, se han autoalimentado desde la oficina central. Los teléfonos POTS se encontraban en un circuito de corriente alimentado por baterías o algún otro tipo de energía ininterrumpida en el CO. Cuando un suscriptor sufría un corte de energía eléctrica, podían seguir usando su teléfono para llamar a la empresa de servicios públicos de electricidad y reportar el corte. Obviamente, en FTTH no va a funcionar de la misma manera. La fibra no entrega energía eléctrica, aunque los sistemas que se han desarrollado para alimentar sensores sobre la luz en la fibra, es ineficiente y costoso. Muchos sistemas FTTH proporcionan un respaldo de batería en las instalaciones del cliente alimentados por el sistema eléctrico del cliente para mantener el sistema operativo durante cortes de energía. Algunos sistemas utilizan los viejos cables de cobre reemplazados por la fibra para entregar energía de respaldo, de modo que el proveedor del sistema FTTH paga por la energía que necesita el sistema. Y algunos sistemas, reconociendo que la mayoría de las personas tienen un teléfono móvil, no abordan el problema de la energía de respaldo en absoluto.


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Principales Componentes de la Red PON OLT: Terminal Óptico de Línea

Es el elemento activo situado en la central telefónica. De él parten las fibras ópticas hacia los usuarios. Cada OLT suele tener capacidad para dar servicio a varios miles de usuarios. Agrega el tráfico proveniente de los clientes y lo encamina hacia la red de agregación.Realiza

funciones de router para poder ofrecer todos los servicios demandados por los usuarios. Al elegir un OLT, el usuario tiene dos opciones: EPON y GPON. Otra cuestión es si se debe utilizar o 1 Gbps 10 Gbps. Existen OLT que pueden manejar 1Gbps y 10Gbps simultáneamente, proporcionando gran flexibilidad al diseño de la red Las preguntas clave para los clientes en la fase de diseño de la red son:

• ¿Cuántos usuarios necesita soportar la red para y dónde están ubicados? • ¿Qué servicios necesita proporcionar la red? • ¿Cuáles son los requisitos de ancho de banda total actuales y futuras?


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CABLE FEEDER En cada arquitectura del tipo PON, las ubicaciones de hardware (CO, LCP, etc.) están conectadas a través de cables ópticos. El cable desde la salida de CO hasta la primera ubicación del splitter se considera cable de alimentación o “Feeder”. Un cable alimentador grande puede servir múltiples LCP (Local Convergence Point) al "dejar caer" suficientes fibras en cada LCP que pasa. Este cable contiene fibra monomodo del tipo G.652D, que tiene una longitud de onda de dispersión cero alrededor de 1310 nm. La fibra está definida en la recomendación de la UIT-T G.652 y fue optimizada originalmente para su uso en la región de longitud de onda de 1310 nm, pero también se puede usar en la región de 1550 nm. Es plenamente compatible con la fibra G.657A, que es utilizada en el cable de acometida o cable drop.


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SPLITTER

El splitter es un divisor de potencia de señal. La utilización de splitters en una red óptica permite implementar en una red PON la arquitectura punto a multipunto, es decir, una fibra o cable procedente de la central se divide para atender diferente número de usuarios en diferentes unidades habitacionales. Son dispositivos puramente

pasivos. Dividen la señal de entrada óptica de 1490 nm enviada desde el OLT en partes iguales entre los números de los puertos de salida. Los envía aguas abajo a las unidades ONU. Los módulos de splitters se construyen en diferentes formatos, siendo típico que tengan 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 128 salidas. Entonces, un splitter posee diferentes capacidades de división y se representan de la siguiente manera: 1x2, 1x4, 1x8, 1x16, 1x32, 1x64, 1x128. Podemos además determinar la cantidad de clientes a servir según el tipo de splitters que se encuentren en la red. Asi, por ejemplo, con un 1er nivel de 1:4 y un 2do nivel de 1:8 tendremos servicio para 4x8= 32 clientes. De la misma forma, con un 1er nivel de 1:4 y un 2do nivel de 1:16 tendremos servicio para 4x16= 64 clientes. Esta última configuración es la más empleada por los operadores.


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ODN: Red de distribución óptica EL ODN es una parte integral del sistema PON, ya que proporciona el medio de transmisión óptica para la conexión física entre las ONT y la OLT. Su alcance es de 20 km o más. Dentro de la ODN, los cables de fibra óptica, los conectores de fibra óptica, los divisores ópticos pasivos y los componentes auxiliares colaboran entre sí. El ODN tiene específicamente cinco segmentos que son el cable Feeder, el punto de distribución óptica, el cable de fibra óptica de distribución, el punto de acceso óptico y el cable drop o acometida. Un ODN se compone principalmente de cableado monomodo de fibra óptica, splitter ópticos, conectores de fibra óptica y algunos otros accesorios de fibra óptica tales como paneles de conexión y la placa frontal. El ODN puede representar el 70% del costo total de la red POL. Al diseñar el ODN, algunas cosas a tener en cuenta son:

• Cuando se calcula el presupuesto de pérdida de enlace de la OLT a la ONU, incluir un margen adicional para asegurar la confiabilidad de la red considerando las demandas de ancho de banda estadísticos para cualquier grupo en un solo puerto PON

• Los divisores deben colocarse tan cerca de los grupos de usuarios como sea posible

• Entornos difíciles pueden requerir el uso de ciertas características de protección dentro del ODN

• Proporcionar redundancia y apoyar la expansión futura, el ODN debe incluir fibras adicionales

• Tenga presente los 10 Gbps a la hora de invertir en un ODN para red PON de 1 Gbps


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LCP: Local Convergence Point La agregación de los Splitters generalmente se ubica en un gabinete llamado LCP, “Local Convergence Point” o punto de convergencia local. Aquí es donde los extremos del cable de alimentación o Feeder finaliza, y el cable de distribución comienza. Dependiendo de la arquitectura, tambien desde aquí, cada cliente puede tener una fibra dedicada.


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CABLES DE DISTRIBUCIÓN Se llama cable de distribución (distribution cable system) al cable de fibra óptica que va desde el LCP (Local Convergence Point) al terminal que sirve a una unidad residencial o de vivienda en un edificio


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NAP: NETWORK ACCESS POINT

Estas cajas de conexión en son bastante útiles en las redes PON, ya tienen como principal función derivar los filamentos principales a diferentes tramos de Interconexiones o también a los usuarios finales o suscriptores. Estas cajas se diferencian de las Mufas, porque contienen internamente a los splitter, y la cantidad de Splitter puede variar.

Lo más habitual son de 1×4, 1×8 o 1×16. Las encontraremos en formatos de interior y exterior. Las NAP de exterior son mucho más robustas con un diseño apto para planta externa, y un mayor sistema de protección. Además, otros usos alternativos de los NAP son la protección de los de empalmes de fusión en la parte interna inferior de estas cajas NAP. Se puede realizar montaje superficial en el muro o colocarla adherida a un Poste. Los splitters de segundo nivel, serán ubicados en la propia NAP para una distribución de los servicios hacia los usuarios, al permitir que cada splitter deje una salida libre para futuros crecimientos de la red. Además, es recomendable que los cables de acometida no atraviesen las calles, por lo que, deben ser soterrados o enterrados por debajo de la acera, pudiendo así, atender los servicios de una sola manzana. A su vez, cada manzana tiene dimensiones de aproximadamente 100 metros de largo, representado por un cuadrado en un plano y asumiendo que las calles tienen un ancho de 10 metros.


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CABLE DROP o ACOMETIDA

Los cables que se extienden desde el último terminal (generalmente cables de una sola fibra) y que hacen conexiones a hogares individuales o unidades de vivienda se llaman cables drop o acometida. Este tipo de cable de fibra óptica es un cable que debe llevar filamento del tipo G.657A, puesto que son cables ópticos monomodo insensibles a la pérdida por flexión para la red de acceso.

La UIT-T especifió sus recomendaciones a causa de la alta densidad de distribución y los cables de derivación en la red de acceso, así como al espacio limitado y a las numerosas manipulaciones en esta parte de la red, estableciendo nuevos requisitos de las fibras para que los cables puedan optimizarse de manera diferente a la de su utilización en una red de transporte general. La finalidad de fue obtener características diferentes a las consignadas en G.652, así como otras clases de fibras monomodo. un comportamiento muy mejorado ante las flexiones en comparación con los cables y fibras monomodo G.652. Así se introduce en G.657 dos clases de fibras monomodo: una de clase A, en total conformidad con las fibras monomodo G.652 y que también puede utilizarse en otras partes de la red, y otra de clase B, que no está necesariamente conforme con G.652 pero que puede acusar menores pérdidas por macroflexión a unos radios de flexión muy bajos y está concebida principalmente para su utilización dentro de edificios.


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ONU: Unidad de red óptica La ONU convierte las señales ópticas transmitidas por fibra a señales eléctricas. Estas señales eléctricas se envían a los suscriptores individuales. En general, hay una distancia u otra red de acceso entre la ONU y las instalaciones del usuario final. Además, la ONU puede enviar, agregar y preparar diferentes tipos de datos provenientes del cliente y enviarlos en sentido ascendente a la OLT. La preparación es el proceso que optimiza y reorganiza el flujo de datos para que sea más eficiente. OLT admite la asignación de ancho de banda que permite que la entrega de datos fluya sin problemas a la OLT, que generalmente llega en ráfagas del cliente. La ONU se puede conectar mediante varios métodos y tipos de cable, como cable de cobre de par trenzado, cable coaxial, fibra óptica o Wi-Fi. ONT es lo mismo que la ONU. Sin embargo, ONT es un término de UIT-T, mientras que ONU es un término de la IEEE. Ambos se refieren al equipo del lado del usuario o suscriptor en los sistemas PON. Pero en la práctica, hay una pequeña diferencia entre ONT y ONU según su ubicación. La ONT es generalmente instalado dentro de las instalaciones del cliente.

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Introducción a las Redes PON...Introducción a las Redes PON 290 dispositivo pasivo o activo, que se asemeja al principio del prisma de Newton en su funcionamiento. Un sistema WDM