Enlaces de fibra óptica para video

Las características de la fibra óptica la han convertido en una importante opción para la industria de la televisión en el proceso de digitalización, por encima de los enlaces de cobre.

Por Scott Bosen*

La velocidad de transferencia de datos requerida para el video digital va en aumento, mientras que los costos de los enlaces de fibra óptica van en descenso. La confluencia de estos dos factores está volviendo los enlaces de fibra óptica cada vez más populares en aplicaciones de video digital actualmente. Por eso, vale la pena conocer los fundamentos del diseño de los sistemas de fibra óptica para las aplicaciones de video.

Las señales de video digital que viajan por un cable coaxial corriente de 75-ohm solo pueden alcanzar una distancia de 300 metros para señales de definición estándar y 100 metros para señales de alta definición.

Aunque los equipos HD usualmente pueden llegar a 140 metros aproximadamente, el uso cada vez mayor de los formatos de señal de alta definición de 1080p significa que 100 metros es el máximo real para el transporte de estas señales en un cable coaxial. Por esta razón, los diseñadores de sistemas deben encontrar otros enlaces de transporte para aplicaciones en varias sedes y para cableados más extensos dentro de construcciones de gran tamaño.

El video por fibra óptica es ideal para esas situaciones. Incluso los enlaces de fibra óptica para video más básicos pueden transportar señales de alta definición a lo largo de decenas de kilómetros, eliminando de manera eficaz limitaciones de distancia, y protegiendo, al mismo tiempo, contra los problemas eléctricos que pueden afectar un enlace de cobre.

Avances recientes en la tecnología de los semiconductores han provocado una disminución espectacular en el costo del láser en estado sólido que se usa en los módulos transmisores de fibra óptica. Dicha disminución, sumada a la amplia disponibilidad y al bajo costo de la fibra óptica en sí, ha acercado mucho más el costo de un enlace de fibra óptica al de un cableado coaxial similar. De hecho, cuando se requieren varios enlaces, la solución de fibra óptica puede costar menos.

Los tres componentes básicos
Todo enlace de fibra óptica está conformado por tres elementos básicos: la fibra óptica en sí, el receptor y el transmisor.

Fibra
Los dos tipos principales de fibra óptica son el multimodo y el monomodo. El uso de la fibra óptica multimodo está muy extendido en la comunicación de datos, especialmente en cableados Ethernet (LAN, red de área local). Este tipo de fibra es económica y viene en una amplia variedad de cables. La estructura interna de la fibra multimodo consiste en un núcleo de gran tamaño (más de 50 micrones de diámetro) con un revestimiento de 125 micrones de diámetro.

Debido a que se ha optimizado para su uso en aplicaciones LAN, la fibra multimodo tiene un ancho de banda limitado y una pérdida relativamente alta por kilómetro. La fibra monomodo tiene el mismo diámetro del revestimiento, pero el diámetro del núcleo interno que transporta la luz es de solamente 9 micrones de diámetro. Debido al modo de reflexión interna dentro de este pequeño núcleo, esta fibra tiene aproximadamente una décima parte de la pérdida por kilómetro y un ancho de banda prácticamente ilimitado.

Ambos tipos de fibra vienen en distintos tipos de cables. Los cables pueden transportar una o muchas fibras, y tienen distintos elementos de revestimiento y soporte para satisfacer los requerimientos de la instalación.

Dado el volumen de fibras multimodo que se instalan actualmente, es tentador intentar emplear esas fibras existentes en aplicaciones de transporte de video. Quienes han decidido hacerlo deben tener cuidado, pues puede ser muy difícil trabajar con la fibra multimodo en aplicaciones de video digital. La mayoría de equipos de enlace de video están diseñados para ser utilizados con fibras monomodo.

Son escasos los transmisores y receptores de video que usan fibra multimodo y las distancias de enlace, así como las tasas de datos que ésta permite, podrían no ser suficientes para la aplicación que usted necesita. Asimismo, no es seguro usar equipos diseñados para fibra monomodo con fibra multimodo, o intentar conectar los dos tipos de fibras. Las diferencias entre ambas son demasiado grandes.

Receptores
Los receptores de fibra óptica son dispositivos sencillos conformados por un diodo fotorreceptor PIN y algunos circuitos de interfaz eléctrica. Cuando el diodo es iluminado por la energía óptica, se genera una corriente eléctrica y la señal resultante pasa de la fibra a la fase eléctrica del dispositivo. Los receptores son dispositivos de banda ancha que pueden funcionar con una gama de longitudes de onda óptica.

Las sensibilidades típicas de los receptores modernos están en el rango de  -20 dBm. Existen modelos en el mercado que emplean un fotodiodo de avalancha (APD, por sus siglas en inglés) como componente de sensibilidad para obtener algunos decibeles de sensibilidad adicional. Sin embargo, en la mayoría de aplicaciones de enlace de video casi nunca se justifica incurrir en el costo adicional de estos dispositivos.

Transmisores
Los transmisores, por otro lado, son más complejos, y los diseñadores de sistemas tienen distintas opciones. En los inicios de la tecnología de fibra óptica, las personas usaban transmisores LED debido a su bajo costo. Pero actualmente los transmisores LED prácticamente han desaparecido y han sido reemplazados por transmisores láser  de estado sólido que ofrecen mejoras enormes en cuanto a desempeño y funcionalidad.

Actualmente se usan tres tipos de láser de estado sólido en los enlaces de fibra óptica. Difieren en la manera en que están construidas las capas de semiconductores dentro del dispositivo, y cada tipo ofrece ciertas ventajas y desventajas. Los láseres de cavidad vertical y emisión superficial (VCSEL, por sus siglas en inglés) son los menos costosos y generalmente están optimizados para su uso en aplicaciones específicas de comunicación de datos como ciertas clases de redes Ethernet.

Los láseres Fabry-Pérot (F-P), que usan la mayoría de enlaces de video, proporcionan la mejor relación entre precio y desempeño, niveles de potencia razonables y una buena estabilidad de potencia. El tercer tipo de laser, el láser de retroalimentación distribuida (DFB, por sus siglas en inglés) es el más costoso de todos pero proporciona ventajas significativas en cuanto a niveles de potencia y control  espectral que permiten ajustar el dispositivo para que funcione en una longitud de onda específica.

Los transmisores y receptores suelen estar envueltos en paquetes SFP (enchufables de formato reducido) que representan beneficios significativos en términos de diseño del sistema y mantenimiento al separar las etapas ópticas y las eléctricas de los elementos del enlace.

La forma del paquete SFP se presta para ser utilizado en diseños de canal doble, en los que un solo módulo SFP puede contener dos transmisores, dos receptores o un  par transceptor. Estos dispositivos generalmente usan el conector óptico LC, el cual se está convirtiendo rápidamente en el conector estándar para estas aplicaciones.

Debido a que es estable, asequible y confiable la fibra óptica es una clara alternativa frente a los cables de cobre en un número cada vez mayor de aplicaciones. El diseño efectivo de un sistema de fibra óptica es una habilidad que hace parte de las herramientas de los diseñadores de sistema y conocer los conceptos básicos que hemos tratado es el primer paso para  desarrollar dicha habilidad.

*Scott Bosen es director de mercadeo de Utah Scientific.