El documento describe la evolución histórica de los sistemas de comunicaciones ópticas. Comenzó con el uso de señales de humo y fuego para comunicaciones a larga distancia en civilizaciones antiguas. En 1880, Alexander Graham Bell construyó el primer sistema de comunicaciones ópticas moderno llamado el fotófono. En la década de 1960, el desarrollo del láser permitió el uso de la luz como medio de transmisión para comunicaciones a larga distancia a través de fibras ópticas, lo que llevó al surgimiento de las comunicaciones

1. II.1
Evolución histórica de los
sistemas de comunicaciones
Auria Vázquez Cid
1

2. Índice
• CCOO:
- ¿Qué son?..........................................pág.3
- Modelo general……………………..pág.3
- Aspectos fundamentales……………pág.4
- Ventajas…………………………….pág.5
• Evolución histórica:
- Antecedentes……………………….pág.6
- Evolución………………………….pág.11
• Glosario...……………………….pág.15
2

3. Comunicaciones ópticas
La comunicación óptica es cualquier forma de comunicación que utiliza la luz como
medio de transmisión. Existen muchas formas de comunicaciones ópticas. El lenguaje
corporal y el de signos están dentro de las no tecnológicas, mientras que las banderas de
señales, señales de humo o el semáforo óptico están dentro de las tecnológicas.
Modelo general de sistema de CCOO
Un enlace de comunicaciones ópticas es un caso particular de sistema de
telecomunicaciones.
Su estructura física básica constituída por cinco partes esenciales:
1.- Fuente de mensajes
2.- Bloque transmisor
3.- Medio de transmisión
4.- Receptor
5.- Destino
El transmisor codifica el mensaje proveniente de la fuente dentro de un canal que
transporta la señal a su destino, y ya en el receptor, éste reproduce el mensaje desde la
señal óptica recibida.
La diferencia con otras tecnologías está en la banda de frecuencias que se emplea en la
transmisión de señales.
3

4. La banda de comunicaciones ópticas ,incluyendo sistemas guiados (basados en fibra
óptica) y no guiados (basados en la transmisión atmosférica de haces láser), abarca
desde el infrarrojo cercano (f = 3·1013Hz) hasta ultravioleta cercano (f = 1,5·1015Hz).
Actualmente, la gran mayoría de los sistemas disponibles son los que utilizan la fibra
óptica como medio de transmisión.
Aspectos fundamentales de un sistema de CCOO
A la vista del esquema anterior, tenemos:
4

5. - Datos: señal eléctrica (analógica o digital) generada por un equipo terminal de
línea (ETL).
- Transmisor óptico: es el encargado de transformar la señal procedente del ETL.
Consta de dos partes:
a) Driver: circuitería electrónica que se ocupa de acomodar los niveles y formato
de la señal electrónica generada por el ETL a los exigidos por el conversor
electroóptico (fuente óptica).
b) Fuente óptica: genera la señal (luz) que propaga la fibra.
- Receptor óptico: la señal que se propaga por la guía ha de detectarse y
transformarse en señal eléctrica otra vez. El receptor consta de tres partes:
a) Conversor optoelectrónico o fotodiodo: es un diodo semiconductor polarizado
en inversa conectado al pigtail o rabillo de fibra que transforma la señal óptica
entrante en corriente eléctrica a su salida.
b) Etapa preampificadora de bajo ruido.
c) Electrónica para el procesado.
Ventajas de las CCOO
• La energía EM (ondas luminosas) utilizan frecuencias mil veces más altas que
las ondas de radio, luego debido a la alta frecuencia de la onda portadora es
posible transmitir a través de ella mucha información.
• Se utilizan menos amplificadores que en el cable coaxial.
• Material (silicio) muy abundante en la naturaleza.
• Grandes anchuras de banda y bajas pérdidas en la fibra monomodo actual.
• Inmunidad a las interferencias EM: por el carácter dieléctrico de las fibras, les
proporciona un total aislamiento eléctrico.
• Resistentes a cambios extremos del medio ambiente.
• Reducido tamaño, peso y coste.
La gran desventaja de la fibra óptica es que su fabricación debe ser en un ambiente
muy limpio, libre de impurezas.
5

6. Evolución histórica
Antecedentes
El uso de la radiación óptica para transmitir señales es bastante arcaico. Prácticamente
todas las civilizaciones antiguas utilizaron el fuego o las señales de humo para las
comunicaciones a largas distancias:
Por ejemplo, en la antigua Grecia se comunicó la caída de Troya en el siglo VI a.C.
por medio de señales de fuego. Además los griegos observaron el guiado de luz a través
de cristales minerales.
Los indios norteamericanos utilizaban las señales de humo.
Los barcos también han empleado lámparas de señales. Claude Chappe (1792)
extendió esta idea que derivó en el denominado telégrafo óptico.
El telégrafo óptico estaba basado en la transmisión de señales codificadas
mecánicamente a través de largas distancias (aproximadamente 100Km) mediante el
empleo de estaciones intermedias que actuaban a modo de repetidores. En este caso la
luz actuaba como vehículo para hacer visibles las señales. Su velocidad de transmisión
era menor de 1b/s.
En 1830, surgió el telégrafo eléctrico, utilizando un esquema digital de transmisión, a
través de dos pulsos eléctricos de duraciones diferentes, sustituyó el uso de la luz por la
electricidad. Inicio a la era de la comunicación eléctrica.
Su velocidad de transmisión aumento hasta 10 b/s gracias al uso de nuevas técnicas de
codificación como el código Morse. El uso de estaciones repetidoras permitió la
comunicación sobre largas distancias de hasta 1000Km.
En 1866, entró en operación el primer cable trasatlántico.
En 1870, J. Tyndall ejemplificó, ante la Royal Society, el guiado de la luz dentro de
un chorro de agua, demostrando el principio de reflexión total interna.
6

7. Para ello utilizó un recipiente iluminado por uno de sus extremos. La luz se propagó a
lo largo del agua saliendo por un orificio existente en una de sus paredes, iluminando el
recipiente que recogía el agua saliente del orificio.
En 1873 Maxwell introdujo el concepto de onda EM.
En 1874, Baudot utiliza una sola línea para transmitir varios mensajes a la vez
(multiplexión de la señal)
El 14 de febrero de 1876, Alexander Graham Bell patenta el 1er teléfono, este sistema
estaba compuesto de micrófono y parlante. Casi al mismo tiempo, Elisa Gray patenta el
micrófono.
En 1880, surgió el primer sistema de comunicaciones ópticas en el sentido actual, el
fotófono. Fue construido por A. G. Bell junto a Charles Sumner Tainter.
El fotófono consistía en un espejo reflector de luz solar, que se modulaba
acústicamente. La señal del sol modulada, después de avanzar 200m, incidía sobre una
placa metálica cuya resitencia eléctrica dependía de la radiación incidente. De este
modo, controlaba la corriente eléctrica que se podía convertir de nuevo en señal acústica
mediante un auricular.
El fotófono es similar al teléfono, sólo que utiliza la luz como medio de transmisión
de información, mientras que el teléfono utiliza la señal eléctrica modulada.
7

8. En 1888, Hertz confirmó la existencia de las ondas EM.
En 1894, el italiano Marconi efectúa la transmisión de señales inalámbricas a través
de una distancia de 2 millas.
En 1897 Rayleigh analizó la propagación por guiaondas.
En 1910, Hondros junto a Debye particularizaron el estudio para guiaondas cilíndricas
dieléctricas.
En 1927, Baird y Housell consiguieron transmitir imágenes por fibras sin cubierta.
1940: Entra en servicio el 1er sistema basado en cable coaxial.
Durante el siglo pasado, hubo importantes avances en los sistemas de comunicaciones
eléctricas. La utilización de los cables coaxiales como sustitutivo de los cables de pares
aumentó la capacidad de transmisión sustancialmente. Su método de transmisión
imponía una restricción que para remediarla era necesario intercalar repetidores a cada
vez menor distancia, aumentando así los costes. Esta limitación estimuló el desarrollo
de los sistemas de comunicaciones por microondas.
Se desarrollaron los sistemas de comunicaciones por microondas, donde la portadora
EM tenía f = 1 – 10GHz. En 1948 entró en funcionamiento el 1er sistema que utilizaba
una portadora a 4GHz.
Los sistemas de microondas han evolucionado considerablemente, siendo capaces de
transmitir velocidades de 100 a 200 Mb/s.
 La capacidad de un sistema de comunicaciones se especifica a través del
producto capacidad · distancia entre repetidores (BL).
8

9. La gráfica anterior nos muestra la evolución del parámetro B·L para las diferentes
tecnologías que se han ido desarrollando desde mitad del siglo XIX hasta finales del
XX. Se ve claramente que crece exponencialmente.
 La única solución posible para incrementar el producto BL era incrementar el
valor de la f de portadora. Para llegar a esta solución, se investigaron dos ramas:
- Propagación del modo TE a frecuencias milimétricas en guiaondas huecas de d
= 5cm. Esta opción ofrecía la posibilidad de incrementar notablemente la
capacidad, pero las canalizaciones debían ser completamente rectas para la
instalación de las guías.
- Frecuencia de portadora en la banda óptica. Esta opción es la que más éxito
tuvo. Había dos inconvenientes para su empleo:
1º.- Inexistencia de medio de transmisión con características adecuadas.
2º.- No se había conseguido un oscilador óptico coherente de características
análogas a los de microondas.
La atmósfera no era adecuada para la transmisión, por lo que se investigó un medio
que actuase como una guiaonda.
De este modo, en 1950, se comenzó a utilizar la fibra óptica para la transmisión de
imágenes.
Gobau (1958) propuso y demostró guiaondas de lentes.
Kapany (1959) desarrolló las fibras con cubierta.
Con la invención del láser (principios de los 60), se resolvió el 2º problema. La alta
frecuencia de la portadora (1014Hz) permitía, en teoría, una transmisión de gran ancho
de banda. Se disponía así de una fuente coherente y monocromática que abrió la
posibilidad de las comunicaciones ópticas.
En 1966, Kao y Hockman sugirieron el empleo de fibras ópticas para largas
distancias. Fue un punto clave para el desarrollo de las comunicaciones ópticas.
→ Valores de atenuación que especificaron en vidrio de sílice eran del orden de
1000dB/Km.
→ Apuntaron que el motivo podía ser por las impurezas que pudiese haber en el
vidrio.
Efectivamente, las atenuaciones se debían, principalmente, a la existencia de iones
metálicos en la fibra. Teniendo en cuenta que la ateniación venía dominada por la
dispersión de Rayleigh, se siguió un camino para lograr bajas pérdidas de
transmisión.
9

10. Investigando, se lograron tener menores pérdidas, llegando hasta los 0,2dB/Km en
1979.
 También se estudiaron los mecanismos de dispersión que limitaban la máxima
capacidad que podían transmitir las fibras. En concreto, en las fibras multimodo
se propagan modos con vg diferentes. A esto se debe la dispersión intermodal.
Esta dispersión intermodal se puede minimizar variando el índice de refracción del
núcleo con el radio del mismo. Así, se consiguió la fibra monomodo disminuyendo el
diámetro del núcleo, ya que no existe dispersión intermodal.
→ En una fibra monomodo, la dispersión se debe a la combinación de dos fenómenos:
- Variación no constante de ng con λ.
- Ancho de banda ≠0 del espectro de emisión de la fuente óptica.
Esta dispersión se llama material o cromática.
En 1975, Payne y Gambling, predijeron teóricamente la λ de dispersión nula en fibras
monomodo de sílice (1,27μm), que se midió experimentalmente en 1978 por Gambling
y Matsumura.
Estas nuevas posibilidades que ofrecían las fibras, animaron la investigación hacia
fuentes y detectores compatibles en tamaño, fiabilidad, consumo y rango espectral de
trabajo.
Los semiconductores eran los más prometedores.
En 1962 se lograron los 1os resultados de la acción láser en GaAs, enfriado hasta
77ºK. El año siguiente se encontró emisión incoherente p-n.
En 1968 se anunció el láser de doble heteroestructura de AsGam, que emitía en λ de
0,85μm (1ª ventana), lográndose en 1970 la emisión continua, pero de pocas horas.
Desde entonces se ha intentado obtener una mayor vida efectiva, aumentar la potencia
emitida y reducir el ancho espectral.
Paralelamente, también comenzaron a desarrollarse los fotodetectores, que han
evolucionado hacia los p-i-n y de avalancha.
Evolución
Gracias a la disponibilidad de un medio de transmisión de características aceptables y
de fuentes y detectores basados en la tecnología de semiconductores, los sistemas de
CCOO progresaron notablemente.
10

11. Esta evolución que comenzó en 1974 y que continúa aún hoy día, se puede resumir en
el desarrollo de 5 generaciones de sistemas de CCOO:
1 ª generació n Emplean el mismo formato de
modulación y d etección:
2 ª generaci ó n Modulación de Intensidad y
3 ª generaci ó n Detección Directa (MI-DD)
4 ª generaci ó n  Sistemas coherentes
5 ª generaci ó n  Solitons
1ª generación:
Comenzó a instalarse en 1978. Utilizaba fibras multimodo de salto de índice y λ ~
0,8μm. La capacidad que podía conseguirse oscilaba entre 50-100Mb/s (B), con una
separación entre repetidores (L) de 10Km. Luego BL = 500-1000Mb·Km/s.
11

12. Estos valores eran tan modestos (comparados con los actuales) debido principalmente
a la dispersión intermodal. Aún con estos valores, tenían ventaja sobre los cables
coaxiales, ya que éstos necesitaban una L menor.
Se vislumbró que una forma eficiente para aumentar la L era cambiar la λ de
transmisión de 0,85μm (1ª ventana) a 1,3μm (2º ventana), ya que las pérdidas
disminuían de 2,5 a 0,5dB/Km, además de que la dispersión cromática era mínima en
dicha región.
El gran problema era que no había una fuente óptica capaz de transmitir dicha λ.
Éste problema se solucionó en 1977 cuando se desarrollaron los láseres Fabry-Perot
de InGaAsP y los fotodetectores de Ge.
2ª generación:
Estaba basada en el empleo de los componentes mencionados anteriormente y la fibra
multimodo (inicialmente). Comenzó su instalación en 1980. La L aumentaba hasta
20Km, aunque la B estaba limitada a 100Mb/s. Esta restricción se solucionó mediante el
uso de fibra monomodo.
Los experimentos realizados en 1981, apuntaron una mejora decisiva con este tipo de
fibra, consiguiéndose una L = 44Km para una B = 2Gb/s.
Los 1os sistemas comerciales empezaron a instalarse en 1983. En 1987 ya habían
alcanzado su madurez al funcionar sistemas de hasta B = 1,7Gb/s con L = 50Km.
La L de los sistemas de esta generación venía limitada por la atenuación en la fibra
(0,5dB/Km). Una forma de aumentar L consistía en trasladar la λ de transmisión a la 3ª
ventana (1,55μm), donde la atenuación de la fibra posee un mínimo local de
0,18dB/Km.
Había un inconveniente: la dispersión cromática en dicha ventana era considerable y
limitaba la velocidad de transmisión
3ª generación:
Basada en la tecnología antes citada. Para resolver el problema de la dispersión en la
3ª ventana, había dos opciones:
1ª.- Desplazar la λ de mínima dispersión de 2ª a 3ª ventana, alterando la geometría y/o
composición del material de la fibra. Obteniéndose así las fibras de dispersión
desplazada y aplanada. Problema: no permitía aprovechar la fibra estándar ya instalada.
2ª.- Reducir el ancho espectral de las fuentes ópticas. Este tipo de fuentes se
consiguieron con el desarrollo de los láseres de realimentación distribuida (DFB), de
cavidad externa y retrorreflectores de Bragg distribuidos (DBR).
12

13. Esta generación comenzó en 1985 cuando se demostró experimentalmente que se
podía transmitir con B = 4Gb/s y L = 100Km. En 1990 comenzaron a comercializarse
utilizando una B = 2,5Gb/s.
En la mayoría de los países europeos utilizan enlaces de estas características en su red
telefónica. Actualmente muchos laboratorios han demostrado concluyentemente la
posibilidad de transmitir a esa velocidad. La mejor solución para esta configuración es
utilizar fibra de dispersión desplazada con láseres monomodo.
Se podría decir que estos sistemas llegan a B = 10Gb/s si no se tienen en cuenta
factores de degradación y la aparición transitoria de un 2º modo de oscilación
Tienen una ventaja adicional: su λ de operación coincide con la banda de ganancia del
amplificador óptico de fibra dopada con erbio. Esto permite aumentar, sin repercusiones
para la señal, la L.
Sin repetidores: L = 150Km B = 17Gb/s
Con repetidores: L = 505Km B = 10Gb/s
4ª generación:
Se basan en detección coherente.
Ventajas:
1ª.- Puede incrementar la sensibilidad del receptor hasta en 20dB (en comparación
con sistemas MI-DD), lo que supone un aumento de 100Km en L en la 3ª ventana.
2ª.- Es viable la transmisión multicanal por multiplexación por división de frecuencia
óptica (OFDM).
En teoría, la configuración más adecuada es la modulación PSK y detección
homodina. En la práctica es más habitual utilizar la configuración heterodina porque
son mucho más sencillas de montar.
La utilización de cualquier sistema coherente conlleva a una serie de problemas de
estabilización (longitud de onda de transmisión y oscilador local) y control (ajustar la
polarización del oscilador a la de la señal de salida) que hay que considerar.
Con la implementación de amplificadores de fibra, se consigue aumentar la
sensibilidad sin problemas de estabilidad y control.
El desarrollo de amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio han relegado a un
segundo plano a los sistemas coherentes.
5ª generación:
13

14. Se introdujeron comercialmente en 2002. Se basan en la transmisión de solitones. Un
solitón es un pulso ultracorto que preserva su forma temporal -es decir, que no se
ensancha- a lo largo de su propagación por la fibra.
La existencia de solitones fue predicha por Hasegawa en 1973 y verificada
experimentalmente en 1988. El amplificador de fibra dopada con erbio utiliza esta
técnica para la transmisión de alta velocidad.
Onda solitaria en un canal de laboratorio.
Formación del solitón:
Se genera un pulso ultracorto y muy intenso a la salida del láser. Este pulso, al
inyectarse en la fibra provoca la aparición de fenómenos no lineales.
En concreto, el fenómeno no lineal que nos interesa es el efecto Kerr gracias al cual el
ng (y por tanto, la dispersión cromática de la fibra) varía con la intensidad.
Se puede compensar (mediante el efecto Kerr) la dispersión cromática, cancelándose
así la dispersión total y por tanto, manteniéndose la forma del pulso.
Para que el pulso se mantenga, la fibra no puede tener pérdidas. Esto se consigue con
la utilización de amplificadores ópticos, pero éstos imponen otra restricción debido al
efecto Gordon-Haus que limita el producto BL.
Este efecto se puede solventar con el uso de filtros ópticos posteriores a los
amplificadores.
Esta generación de sistemas de comunicación por fibras ópticas se halla en estado de
investigación y desarrollo.
14

15. Glosario
* ETL: es un sistema de transmisión conformado por un conjunto de elementos
interconectados que se utiliza para la transmisión de una señal de un lugar a otro que
puede ser eléctrica, óptica o de radiofrecuencia.
* Ventanas: Las fibras ópticas presentan una menor atenuación (pérdida) en ciertas
porciones del espectro, las cuales se denominan ventanas y corresponden a las
siguientes λ:
1ª ventana: 800 a 900nm; λutilizada = 850nm
2ª ventana: 1250 a 1350nm; λutilizada = 1310nm
3ª ventana: 1500 a 1600nm; λutilizada = 1550nm
* Detección homodina: es aquella en la que el oscilador local y la señal recibida tienen
la misma frecuencia. La frecuencia recibida se pasa directamente a frecuencias bajas sin
empleo de una frecuencia intermedia.
* Detección heterodina: es aquella en la que se utiliza una frecuencia baja de unos
100KHz, distinta a la frecuencia más alta recibida en antena a diferencia de la detección
homodina.
* Efecto Gordon-Haus: es la acumulación de ruido de emisión espontánea amplificada
que provoca la existencia de jitter en el tiempo de llegada de un solitón.
* Jitter: suele considerarse como una señal de ruido no deseada. En general se
denomina jitter a un cambio indeseado y abrupto de la propiedad de una señal. Esto
puede afectar tanto a la amplitud como a la frecuencia y la situación de fase. El jitter es
la primera consecuencia de un retraso de la señal.
15