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AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA AUTOR: Matías Guillen

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AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA

•AUTOR:

Matías Guillen

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Al principio se empleaban regeneradores o repetidores electrónicos. Estos realizan una conversión de la señal del dominio óptico al eléctrico, amplifican la señal eléctrica, la resincronización, recuperan su forma y realizan una conversión del dominio eléctrico al óptico. Atendiendo al procesado que se efectúa sobre una señal, los regeneradores se clasifican en tres tipos, como se muestra en la figura:

1R, Regeneración. Amplificación de la señal. Son por tanto transparentes al formato de la modulación y se pueden aplicar a señales analógicas. Contra, añaden ruido y no contrarrestan los efectos de la dispersión y de las no linealidades.

2R, Regeneración & Reshaping. Además de amplificar, se recupera de la forma de la señal. Por tanto sólo son aptos para señales digitales.

3R, Regeneración, Reshaping & Reclocking. Además de amplificar y regenerar la señal, la sincroniza. Este tipo de regeneradores cancela los efectos de las no linealidades y de la dispersión.

Fig.2.8.1.: Ondas a la salida de los diferentes de tipos de regeneradores

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Amplificadores Ópticos En fibra óptica, un amplificador óptico es un

dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin la necesidad de convertir la señal al dominio eléctrico, amplificar en eléctrico y volver a pasar a óptico. Un amplificador óptico es capaz de amplificar un conjunto de longitudes de onda. [1]

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Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican.

Típicamente, las longitudes de onda de

bombeo son 980 nm o 1480 nm y para obtener los mejores resultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en la misma dirección que la señal.

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La amplificación se realiza mediante el proceso de emisión estimulada.

Su existencia fue propuesta por Albert Einstein en 1917

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Proceso de estimulación

En la figura se muestra el principio del proceso de emisión estimulada. En él tenemos la interacción entre un fotón y un átomo que inicialmente se encuentra en su estado excitado. Como resultado de esta interacción el átomo pasa a su estado base emitiendo en el proceso un fotón que tiene las mismas características de dirección y de fase que el fotón inicial.[2]

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FUNCIONAMIENTO

El amplificador óptico es un sistema tal que al introducirle un flujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujo final de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si.

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La condición necesaria para tener amplificación del flujo inicial de fotones Si es que el número de átomos excitados que se encuentra en la cavidad amplificadora sea mayor que el número de átomos que se encuentra en su estado base. La condición anterior se conoce como condición de inversión de población y el problema central para la realización práctica de un amplificador óptico está en cómo lograr dicha inversión de población.

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Para lograr dicha inversión de población es necesario algún dispositivo que proporcione la energía que los átomos de la cavidad amplificadora requieren para pasar de su estado base a un estado excitado. Este dispositivo recibe el nombre de "sistema de bombeo" y puede ser de varios tipos, aunque los más usuales son de tipo óptico o de tipo eléctrico.

La amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del material, así como su estructura.

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TIPOS DE AMPLIFICADORES ÓPTICOS

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Tipos de amplificadores ópticos según su aplicación.

Como amplificador de línea en un enlace con fibra monomodo, como el que se muestra en la figura, se emplea para elevar el nivel de potencia de la señal y compensar así las pérdidas sufridas por la propagación de la señal. Frecuentemente se instalan varios amplificadores en cascada a lo largo de la línea.

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Como preamplificador front-end en un receptor, como muestra la figura b, su misión es amplificar la señal antes de ser detectada por el fotodetector para mejora así la relación señal ruido.

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Como amplificador de potencia situándose a continuación de la fuente láser, se emplea para elevar el nivel de potencia de la señal e incrementar la distancia de transmisión. En la configuración de la figura (c) su objetivo es compensar las pérdidas debidas al modulador externo. En la configuración de la figura (d) busca compensar las pérdidas que sufre una señal al atravesar un divisor.

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Tipos de amplificadores

Los dos principales tipos de amplificadores ópticos son:

los SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers, y los DFAs, Doped-Fiber Amplifiers.

En los SOA la zona activa esta construida con aleaciones de elementos semiconductores como el fósforo, el indio, el galio y el arsénico.

En los DFA es un núcleo de fibra óptica dopada con iones de tierras raras como el Erbio (Er), el Praseodimio (Pr), el Iterbio (Yb) o el Neodimio (Nd).

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Comparación entre amplificadores

El amplificador óptico de semiconductor suele ser de pequeño tamaño y el bombeo se implementa de forma eléctrica. Podría ser menos caro que un EDFA y puede ser integrado con otros dispositivos (láseres, moduladores...).

Sin embargo, en la actualidad, las prestaciones no son tan buenas como las que presentan los EDFAs. Los SOAs presentan mayor factor de ruido, menos ganancia, son sensibles a la polarización, son muy no lineales cuando se operan a elevadas velocidades

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Comparación entre amplificadores

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EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier

Características Generales:

Están basados en fibras dopadas con tierras raras: que presenta ganancia en la región de tercera ventana. (EDFA)y (PDFA) con ganancia en 2ª ventana.

Su gran ventaja es que son dispositivos todo-fibra, eliminándose los problemas de los SOA: no hay que alinear fibras, no dependen de la polarización, no existe cruce de canales.

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•Ganancia es independiente de la tasa Digital

•Ancho de banda amplio 1525 – 1565 nm

•Alta ganancia y eficiencia cuántica

•Bajo ruido y diafonía

•Alto nivel de potencia de saturación

•Independiente de la polarización

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En 3ª y 4ª ventana se usan amplificadores que tienen fibra óptica dopada con erbio (metal usado en algunas aleaciones) llamados EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)

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Las dos longitudes de onda de bombeo más adecuadas son 1480nm (mediante un diodo láser de InGaAsP) y 980nm (mediante un diodo láser de InGaAs).

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Ganancia de un EDFA en 3ª ventana

Rejilla ITU-T

(nm)

Ganancia (dB)

Perfil de ganancia

EDFA Lambdas individuales

30

El bombeo a 1480nm supone un amplificador más ruidoso pero más inmune a la saturación de ganancia. Mientras que el bombeo a 980nm proporciona un amplificador con prestaciones de ruido excelentes pero es más proclive a la saturación de ganancia. En ambos casos es posible obtener ganancias entre 30 y 50 dB.

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Configuraciones de bombeo

Los elementos básicos para implementar un EDFA son:

1.El medio activo donde se produce la inversión de población. Formado por un tramo de fibra óptica de Si02 con el núcleo dopado con iones de erbio. 2.La fuente de bombeo óptico a 1480 o 980nm, formada por un láser semiconductor.

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Configuraciones de un EDFA

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Ganancia de un EDFA La siguiente figura presenta la ganancia de un EDFA en función de la longitud de onda para diferentes valores de potencia de entrada, con una señal de bombeo a 1480nm.

Su principal inconveniente es que sólo opera en la tercera ventana, aunque se existen dispositivos similares pero dopados con otros elementos que pueden operar en otra ventana. Otro problema es que su ganancia no es uniforme para todas las longitudes de onda, aunque esto se solventa trabajando cerca de su saturación, pues la curva de ganancia es más plana.

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Amplificadores Ópticos de Semiconductor Características Generales:Están basados en estructuras de semiconductor

como las de los diodos láser, pero en donde se ha eliminado el resonador.

Tienen problemas de dependencia de la polarización, de cruce de canales (crosstalk), y de dificultad de encapsulado.

Pueden funcionar en segunda ventana.

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Principio de Funcionamiento Están basados en dobles

heteroestructuras con los mismos materiales con los que se construyen los diodos láser, y el principio de funcionamiento es el mismo: se inyectan portadores y se potencia la emisión estimulada esperando a que cuando llegue la señal por la fibra de entrada se generen nuevos fotones y por tanto se amplifique.

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Características Generales Según como se evite esta oscilación se tienen tres subtipos de

amplificadores. Amplificadores de enganche por inyección . Son los menos

empleados y consisten en láseres de semiconductor polarizados por encima del umbral que se emplea para amplificar una señal óptica de entrada.

Amplificador Fabry-Perot (FP) . Alto rizado de la ganancia por resonancia Ancho de banda estrecho 5GHz Sensible a las variaciones de temperatura, corriente y polarización de la señal • Filtrado de ruido inherente

Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA ) . En el se eliminan las reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando así la realimentación de la señal, por lo que la amplificación se produce por el paso de la señal un sola vez por el dispositivo.

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Estructura del Amplificador SemiconductorSu estructura consiste en

una unión pn polarizada en directa con los extremos de la zona activa recubiertos con un material antirreflectante, como se muestra en la siguiente figura.

Estructura de un SOA de onda viajera, en la izquierda el medio activo se sitúa de forma no ortognal a las caras de entrada y salida; en la derecha las caras no son paralelas

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Ventajas e InconvenientesSus principales ventajas son,Control por corrienteTecnología en usoCompactos e integrables Buen Ancho de banda. Sus principales inconvenientes son:Sensibilidad a lapolarizaciónDiafoníaPérdidas de acoploFactor de ruido relativamente altoPotencia de saturación pequeña

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Amplificadores de Raman Características Generales: Este amplificador se basa en el efecto Raman, SRS Stimulated

Raman Scattering . Esta no linealidad de las fibras ópticas tiene lugar cuando ésta es atravesada por una radiación monocromática de alta intensidad. Bajo ciertas condiciones, la radiación interactúa con el material dando como resultado la aparición de una nueva longitud de onda, de mayor intensidad que la inicial.

El efecto Raman estimulado, en principio es similar a una emisión estimulada, fenómeno en el cual se basan los amplificadores de fibra dopada. En la emisión estimulada, el fotón que interactúa con el medio provocando la emisión estimulada de otro fotón sigue presente. En el caso del Raman estimulado, después de la interacción entre el fotón y el medio, se genera un nuevo fotón de menor energía (menor frecuencia) y la diferencia de energía se transfiere al material dando lugar a vibraciones moleculares, desapareciendo el fotón inicial.

Las frecuencias que se pueden generar dependen las frecuencias características de las moléculas que componen el material. Si al tiempo que pasa por la fibra óptica la señal de bombeo pasa otra señal con una frecuencia característica del material, esta frecuencia será estimulada.

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Características PrincipalesGran Ancho de banda aproximadamente

(6THz)Potencia de bombeo altaPotencia de saturación alta (orden 1 w)Figura de ruido próxima a 3 dBPrincipal problema: FUENTE DE BOMBEO

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Características PrincipalesUn amplificador óptico multiplexa

luces de la bomba, teniendo diversas longitudes de onda estas se propagarán a través de una trayectoria de transmisión para proporcionar la amplificación de Raman.

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Amplificadores RamanComparado con un EDFA, la utilización de

amplificadores Raman produce una mejor distribución de potencia a lo largo de la fibra óptica, reduciendo así los efectos no lineales.

Desventaja: requiere mucha potencia para operar (Ppalto).Pp > 5 W para 1 km de fibra (Aeff = 50mm2) =>30 dBTx

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InconvenientesLos principales inconvenientes que presentan estos

amplificadores es la necesidad de una alta potencia de bombeo, cercana al vatio. Por el contrario una de sus ventajas es que cubre un margen de longitudes de onda no cubierto por los EDFA, por lo que pueden emplearse de forma complementaria. Este hecho queda reflejado en la siguiente figura, en la que se representa de forma aproximada las zonas de trabajo de cada uno. Como se ve empleando ambos amplificadores se obtiene en el rango comprendido entre los 1530 y 1600 nm una curva ganancia prácticamente plana.

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Obtención una ganancia constante con la longitud de onda, empleando un EDFA junto con un amplificador Raman

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AplicacionesAmplificación de pulsos cortosIndustria del CATVAmplificadores en cascada a 1.300 nm

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Últimos descubrimientosUno de los principales problemas de las comunicaciones

ópticas a muy largas distancias es el relacionado con la amplificación de la señal original, que se va atenuando en la fibra a medida que circula por el enlace, necesitando ser amplificada y/o regenerada cada cierta distancia para mantener sus características iniciales.

Hoy hemos conocido un avance importante en este campo, llevado a cabo por investigadores de la Universidad de Tecnología de Chalmers en Suecia, que promete revolucionar el mundo de los amplificadores ópticos (aquellos que amplifican directamente la señal óptica sin tener que convertirla primero al dominio eléctrico), al lograr alcances de hasta 4.000 Km entre dos nodos con un sólo amplificador.

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En concreto, se trata de un amplificador denominado PSA (phase-sensitive fiber-optic parametric amplifier) que es capaz de reducir la figura de ruido hasta aproximadamente 1 dB, mucho mejor que los cerca de 3 dB de otros tipos de amplificadores usados actualmente, como por ejemplo los EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier).

Esto permitirá transmitir señales ópticas en enlaces de hasta 4.000 Km, pudiendo situar los nodos amplificadores mucho más separados entre sí, algo que resultará especialmente útil en tramos que por ejemplo crucen océanos o mares. Además es compatible con todas las modulaciones y transmisores usados en la actualidad, y los principios teóricos del nuevo amplificador son extensibles a otras longitudes de onda, como por ejemplo el espectro visible o el infrarrojo

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SISTEMAS SUBMARINOS DE FIBRAS ÓPTICAS

•Actualmente, existen cerca de 70 sistemas de cableado submarino de fibra óptica instalados en todos los océanos. En total se estima que la longitud es mayor a los 450 mil kilómetros de acuerdo con una división internacional de cuatro regiones: a) Océano Pacífico –Asia, b) Océano Atlántico, c) Europa–Asiay d) Sudamérica. Todas estas regiones se comunican entre sí.•Estos sistemas submarinos se componen de cables de fibra óptica interconectados, a través de repetidores, que amplifican las señales y permiten alcanzar distancias de hasta nueve mil kilómetros por tramo.•Una de las ventajas importantes de la fibra óptica colocada dentro del mar, con respecto a la comunicación vía satélite, es que es más barata e implica menor riesgo de interrumpir el enlace por razones climáticas como tormentas.

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Funcionamiento y operaciónLos sistemas de cableado submarino se extienden através de los océanos y, en términos generales, cuentancon puntos intermedios instalados cada tres mil kilómetros

máximo por tierra.Se conectan a sistemas de transmisión y recepción,integrados por moduladores y multiplexores ópticos queconstituyen los sistemas de observación y control, loscuales, en conjunto con los amplificadores empalmadosal cable cada 30 o 50 kmsgarantizan la integridad de lasseñales que viajan por las fibras ópticas para permitir latelecomunicación.

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Estos sistemas de cableado submarino manejan capacidades de varios Terabitspor segundo, gracias al manejo de la tecnología DWDM (Dense WavelengthDivisionMultiplexing), y transportan de forma indistinta voz, datos y servicios de Internet sobre el protocolo IP.

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•La instalación del tendido de fibra óptica es llevada a cabo por dos barcos, que después de partir de diferentes áreas geográficas, van desenrrollandoy sumergiendo el cable, hasta que se encuentran en un punto determinado del oceano, es ahídonde se realiza la conexión de los dos puntos. Finalmente, después de comprobar que el enlace funciona correctamente, sumergen los dos extremos de los cables conectados.

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Enlaces Submarinos de Fibras Opticas

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El repetidor es muy compacto y es actualmente uno del más pequeño en el mercado. La Figura muestra el diagrama esquemático genérico del repetidor. Para algunas aplicaciones, donde el factor de bajo ruido es requerido junto con un alto poder de rendimiento de salida del repetidor, un esquema bombeado se usa con bombas de 980 nmy 1480 nm.

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Capacidad del Repetidor•De 2.5 Gbpso 10 Gbpspor el par de fibra (1 canal)•A 40 Gbpspor el par de fibra para sistemas de 2.5

Gbps(16 canales)•A 600 Gbpspor el par de fibra para sistemas de 10

Gbps(60 canales)•Para 8 pares de fibra en sistemas de 2.5

Gbps(capacidad máxima del cable 320 Gbps)•Para 8 pares de fibra en sistemas de 10

Gbps(capacidad máxima del cable 4.8 Tbps)•Un amplificador óptico sirve a un par de fibraLa Confiabilidad•El diseño del repetidor asegura que no más de un viaje

de reparación requerida en el terminal, dentro de por lo menos 25 años al que fue diseñado su tiempo de vida para sistemas transoceánicos de 4 pares de fibra en unos 5000 km

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Son usadas (BUs) en sistemas de cable submarinos de fibra óptica dónde se requieren puntos de desembarque múltiples. •Pueden lograrse las conexiones tanto en el dominio óptico asícomo en el dominio eléctrico.

Pueden ofrecerse tres tipos de conectividad, en el dominio óptico en base a un proyecto específico; fibra en drop/add, canal en add/drop, y por último fibra y canal en add/drop. Estos dos últimos tipos se ofrecen para sistemas que usan la tecnología WDM.

Pueden ofrecerse dos tipos de conectividad en el dominio eléctrico; BU eléctrico pasivo y BU poder de conmutación.

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•Las BU WDM representan uno de los elementos mas importantes de un sistema de WDM que permite ofrecer varias combinaciones de longitud de onda o conexiones de fibra.

•El dropy addde la longitud de onda es el posible uso de una combinación de diseminadores ópticos y filtros de fibra.

•Para el mantenimiento se propone la consideración especial a limitar el número de unidades branchingde repuesto requerido para un sistema y un BU de repuesto universal desarrollado.

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Encaminamiento simple de la fibra

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SLTE (EQUIPO TERMINAL DE LINEA SUBMARINA)

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El OALW40 SLTE es una línea terminalsubmarina WDM que permite la transmisión entre 1 a 16 canales ópticos, cada uno llevando una señal STM-16 SDH (equivalente a la señal SONET, OC48).

•La capacidad de tráfico de un sistema equipado con el OALW40 SLTE puede ir desde 2.5 Gbpsa 40 Gbps

•Para cada terminalde 2.5 Gbps, las interfases del SLTE con la red terrestre usa una interfase óptica STM-16 . El código de aplicación típico es S.16.1.

•Sobre el lado que transmite el SLTE deriva la transmisión del reloj desde 2.5 Gbpsde señal entrante. Cuando la señal de reloj se pierde, el SLTE tiene un modo que permite la generación de Alternancia.

•En el lado de recepción, el SLTE recupera el reloj de línea y desde aquílo deriva al reloj de 2.5 Gbpspara manejar la señal de salida.

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El SLTE estáequipado con una señal de supervisión de generación/detección de línea usando baja frecuencia de sobremodulacióndel portador óptico. La vasta información del supervisor es pasada al Sistema de Dirección Submarino (SMS).

•La información también estádisponible vía un término de embarcación (Terminal Craft).

•Este nuevo terminalde línea WDM ha permitido la conexión a la red terrestre a nivel de STM-16 por cada canal diseñado. Se perfecciona de 1 a 16 canales. Un aumento en el número de canales, de 1 a 16, es posible en el servicio interno o externo. Puede ofrecerse en una versión no protegida o protegida(amas de 8 canales). Sobre la capacidad de 8 longitudes de onda, la protección de anillo es propuesta. El SLTE incluye alta performanceen transmisores y receptores ópticos con polarización opcional y pre-énfasis automático.

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PFE Equipo de Fuente de Poder(SubmarinePowerFeedEquipment)

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El diseño Compact ofrece gran exactitud, alta confiabilidad y alto poder de salida .

El Suministro de Poder DC a DC usando para cuatro, conversores de 3 kW. •Modelos para 2.5 kV, 5 kV, 7.5 kVy 10 kV. •1.3A (máximo) de corriente. •Ajustable 1% a 115%. La regulación de corriente es 0.2%, mejor que encima del rango total de voltaje

Confiabilidad muy alta. •Operación y monitoreo local.

Monitoreo remoto a través del Sistema de Dirección.

El rango de suministro de poder DC -DC se diseña para impulsar sistemas de cable No Repetidores que requieren muy alta confiabilidad y control.

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SISTEMAS NO REPETIDORES (NR)Los sistemas NR incluye una serie de sistemas

capaces de alcanzar distancias a mas de 400 kmsin repetidores sumergidos. Los sistemas de gran capacidad se aprovechan de la tecnología DWDM.

Los sistemas NR son principalmente usados para cruzar estrechos pequeños de agua en diferentes tipos de conexiones: continente a continente, continentea isla o isla a isla. Haciendo festones de segmentos NR permite hacer conexiones mas largas. Porque no hay electrónica sumergida, los sistemas No Repetidores ofrecen soluciones rentables, competitivo con microondas, cables de tierra y alternativas de satélite.

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Las distancias típicas que puede lograrse depende del número de canales y la operación de tasa de bit. Las soluciones óptimas son posibles para sistemas dónde se requiere sólo un canal a 2.5 Gbps, usando los 1666UT.

Pueden ofrecerse las configuraciones diferentes de sistema, para lograr distancias específicas. Pueden limitarse configuraciones que usan amplificadores remotos por lo que se refiere al número de pares de fibra por cable.

Profundidad máxima de 7000 m.El diseño de cada sistema es tal que todo el error que

ofrece es mejor que el de la ITU-T G.826. El uso de la Corrección de Error (FEC) tiene el beneficio adicional de eliminar virtualmente el error del fenómeno de superficie.

La disponibilidad del sistema depende del esquema de protección usado para la red por ejemplo protección de equipo, protección de la ruta, protección del anillo o una combinación de éstos. Para una aplicación de punto a punto típica cuenta con 1+1 protecciones de línea, falta de disponibilidad en el sistema seráa menos de 10 minutos por año.

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Cable de Fibra Óptica para Sistemas Submarinos No Repetidores

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Alcatelha desarrollado un rango completo de cable de fibra óptica submarina, uno de ellos siendo la familia del cable URC1. El cable URC1 se ha diseñado especialmente para los sistemas No Repetidores.

•El diseño del cable esta basado en un tubo de acero soldado, alojando a 48 fibras en un ambiente tensión-libre asegurando su larga duración. El centro del cable puede acomodar un máximo de cuatro tubos de acero con un total de 192 fibras.

•Las fibras tienen una longitud de exceso relativa hacia el tubo que estállenado con un compuesto de agua. El tubo de acero de protección mecánica e hidrostática actúa como una barrera hermética contra el hidrógeno para las fibras ópticas.

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Una envoltura de polietileno es aplicada encima del tubo de acero para completar el núcleo del cable. Las propiedades mecánicas necesarias de este cable URC1 se adapta para cada aplicación. Las diferentes estructuras externas al tubo de acero, como el número y diámetro de la armadura del alambre, difiera según profundidades marinas, topologiadel lecho marino y el grado de protección necesario. Dos capas de polypropilenoen exteriores, inundados en betún, son aplicados encima de la coraza para proporcionar protección de corrosión.

El cable URC1 puede fabricarse en cambio con una envoltura externa de polietileno, para una buena densidad y durabilidad en sus aplicaciones en los lagos y ríos.

Los cables URC1 y familias asociadas son diseñados para trabajar confiablemente durante por lo menos 25 años. Los cables URC1 también están calificados para el uso con el UQJ.

El diseño del cable asegura que ninguna tensión se de en las fibras durante el normal funcionamiento. En el caso de una ruptura del cable, tensiones altas e ingreso del agua estanlimitados a distancias cortas para que la mayoría del cable permanezca servible.

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Page 70: ampli fibra optica

Una sección transversal de un cable de comunicaciones submarino.1. Polietileno.2. Cinta de mylar.3. Alambres de acero trenzado.4. Barrera de aluminio resistente al agua.5. Policarbonato.6. Tubo de cobre o aluminio.7. Vaselina.8. Fibras ópticas.

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Redes de fibra globales