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FIBRAS ÓPTICAS Ana María Cárdenas Soto Septiembre de 2008.

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1 FIBRAS ÓPTICAS Ana María Cárdenas Soto Septiembre de 2008

2 MEDIO DE TRANSMISION ANALISIS MODAL DE LA PROPAGACION EN FIBRA DE INDICE ESCALONADO. MODOS OPTICOS FRECUENCIA DE CORTE DISPERSION INTERMODAL CROMATICA ( MONOMODO) DISPERSION DEL MATERIAL DISPERSION DE GUIA ONDA DISPERSION MODIFICADA

3 MEDIO DE TRANSMISION PERDIDAS EN LA FIBRA COEFICIENTE DE ATENUACION ABSORCION DEL MATERIAL INTRINSECA EXTRINSECA SCATTERING DE RAYLEIGH IMPERFECCIONES EN EL GUIADO

4 PARTES CONSTITUTIVAS NUCLEO o DIELECTRICO n 1 o ZONA DE GUIADO REVESTIMIENTO o DIELECTRICO n 2, n 2 < n 1 o REDUCE PERDIDAS o CONSISTENCIA MECANICA REVESTIMIENTO o PLASTICO RESISTENTE A LA ABRASION o CONSISTENCIA MECANICA

5 Descripción de la fibra óptica La fibra óptica es una estructura básicamente constituida por tres partes: la chaqueta, el núcleo y el revestimiento (cladding).

6 Descripción de la fibra óptica

7 Apertura numérica Determina la cantidad de luz que puede aceptar una fibra, y cuyos rayos presentarán reflexión total interna. La apertura numérica está dada en términos de los índices de refracción del núcleo (n 1 ) y del revestimiento (n 2 ), así:

8 Ángulo de aceptación Se entiende ángulo de aceptación como el máximo valor del ángulo, en el que los rayos incidentes al interior de la fibra pueden sufrir reflexión total interna.La fibra óptica solo conducirá los rayos que estén dentro del cono de aceptación determinado por.

9 Tipos de perfil y de fibras Con el perfil se describe la variación radial del índice de refracción del conductor de fibra óptica desde el eje del núcleo hacia la periferia del recubrimiento. La propagación de los modos en la fibra depende de la forma de éste perfil de índices de refracción.

10 Modos de propagación

11 FIBRAS INDICE GRADUAL n(r) = n 1 (1 - r / a), r < a n(r) = n 1 (1 - n 2, r > a

12 PARAMETRO DEL PERFIL EN FIBRAS INDICE GRADUAL

13 PROPAGACIÓN EN FIBRAS SEGÚN T.E.M.

14 Ecuación de onda

15 Modos TMz

16 Modos TEz

17 Fibras monomodo Las fibras monomodo presentan características de ancho de banda notablemente superiores a las de las fibras multimodo, y de aquí la extensión de su uso en las comunicaciones.

18 FIBRAS ÓPTICAS ATENUACIÓN

19 Atenuación La atenuación de un conductor de fibra óptica es un parámetro importante para la planificación de redes de cables para telecomunicaciones ópticas y la producen principalmente fenómenos físicos como son absorción y dispersión.

20

21 ATENUACION DEBIDA AL MATERIAL

22 EVOLUCION DE LA ATENUACION

23 COEFICIENTE DE ATENUACION dP/dz = - P Pout = Pin e - L L) log 10 (Pout/ Pin)

24 COEFICIENTE DE ATENUACION

25 ABSORCION DEL MATERIAL INTRINSECA o CADA MATERIAL ABSORBE CIERTAS o RESONANCIA ELECTRONICA PARA SÍLICA m o RESONANCIA VIBRATORIA PARA SÍLICA m EXTRINSECA o IMPUREZAS DEL SILICE o ATENUACION FUERTE ENTRE m o RESONANCIA VIBRATORIA IONES OH A 1.39, 1.24 Y 0.95 m. VAPOR DE AGUA EN EL SILICE.

26 ABSORCION DEL INFRAROJO

27 ABSORCION POR EL ION OH

28 EFECTO DEL AGUA EN EL CABLE

29 ABSORCION POR TRANSICIONES METALICAS

30 ATENUACION

31 IMPERFECCIONES DEL GUIADO RADIO VARIABLE MENOR DEL 1% MANTIENE PERDIDAS DEBAJO DE 0.03 dB/km CURVATURAS: R > 5 mm, PERDIDAS MENORES DE 0.01 dB/km DISTORSIONES DEL EJE POR MICROCURVATURAS EN FABRICACION: SE REDUCEN ACERCANDO LA FRECUENCIA V A LA FRECUENCIA DE CORTE

32 SCATTERING RAYLEIGH DEBIDO A FLUCTUACIONES MICROSCOPICAS DE DENSIDAD DE MOLECULAS PRODUCIDAS DURANTE LA FABRICACION R = C/ PARA = 1.55, R = 0.12 Y 0.16 dB/km PARA ESTA ES EL FACTOR DOMINANTE

33 SCATTERING RAYLEIGH

34 Ventanas de la fibra óptica

35 Diámetro del núcleo y su ingerencia en la atenuación

36 FIBRA ÓPTICA DISPERSION

37 Por qué se da la dispersión? Cuando ondas con un ligera diferencia de longitud de onda se propagan a través de un medio dispersión, es decir, con distintas velocidades aparece la velocidad de grupo. T= L/ g

38 DISPERSIÓN D= S.

39 Dispersión Dependiendo del índice de refracción y de la longitud de onda, se producirán ensanchamientos temporales de los pulsos cuyo efecto se acumula con la distancia. El ensanchamiento de los pulsos también puede ser causado por las diferentes estructuras ópticas y geométricas de las fibras. Este conjunto de efectos forman un parámetro llamado dispersión.

40 Dispersión La dispersión define la capacidad máxima de información que, por unidad de longitud, se puede transmitir. La capacidad se mide en MHz.Km. Este fenómeno se debe a tres factores principalmente: o Dispersión modal, m o Dispersión espectral, intramodal o del material, e. o Dispersión por efecto guíaondas, g. 2 = m 2 + c 2

41 DISPERSION INTERMODAL EN FIBRAS MULTIMODO. LOS RAYOS VIAJAN EN DIFERENTES TRAYECTORIAS. FIBRAS INDICE GRADUAL DISMINUYEN ESTA DISPERSION. FIBRAS MONOMODO NO LA PRESENTAN.

42 Dispersión Intermodal RAYOS DISTINTOS VIAJAN POR CAMINOS DISTINTOS. PULSO SE ENSANCHA DISPERSIÓN INTERMODAL O MULTIRUTA LIMITACION DE CAPACIDAD CONDICION EN FIBRAS M.M.S.I. BL n 2 c / [(n 1 ) 2 CONDICION EN FIBRAS M.M.G.I. BL 8c / [(n 1 ) 2

43 DIPERSION EN FIBRAS MONOMODO DISPERSION CROMATICA o Cada componente espectral de frecuencia llega con un retardo de tiempo: T = L / Vg o Vg depende de la frecuencia, las componentes espectrales se dispersan y llegan desincronizadas.

44 DISPERSION CROMATICA (GVD) D = D M + D W DISPERSION DEL MATERIAL DISPERSION DE GUIAONDA

45 DISPERSION DEL MATERIAL ANCHO ESPECTRAL DEL PULSO = (-2 c/ ENSANCHAMIENTO DEL PULSO T = EFECTO DISPERSION EN TASA BINARIA. D L B < 1

46 DISPERSION DE GUIAONDA

47 PARAMETRO GVD - DISPERSION MATERIAL

48 DEPENDENCIA LONGITUD DE ONDA DEL INDICE DE REFRACCION

49

50 Optimización de las características de transmisión Desplazamiento del punto de mínima dispersión hacia el de mínima atenuación. Esto se logra alterando el perfil del índice del núcleo (perfil, W). Dispersión desplazada. Diseñando la fibra de modo que su curva de dispersión sea lo más plana posible y casi nula en la región de mínima atenuación. Dispersión aplanada.

51 ESPECIFICACION DE FIBRAS MONOMODO SEGÚN SU DISPERSIÓN Fibra de Silicio Convencional o fibra con dispersión no desplazada (SMF), recomendación ITU G 652. Fibra con Pico de Agua Nulo (ZWPF), recomendación ITU G 652.C. Fibras de Dispersión Desplazada DSF, recomendación ITU G 653. Fibras con Pérdidas Minimizadas en 1550 nm recomendación ITU G 654. Fibras con dispersión desplazada no nula (NZDSF), recomendación ITU G 655. Una máxima dispersión asegura que la dispersión cromática sealo suficientemente pequeña para permitir altas tasas de transmisión individuales por canal (del orden de 10 Gbps) a largas distancias (superiores a los 250 km), sin compensación de dispersión.

52 ESPECIFICACION DE FIBRAS MONOMODO SEGÚN SU DISPERSIÓN

53 PROPAGACION SEÑALES DIGITALES PROVENIENTES DE FUENTE MONOCROMÁTICA

54 PROPAGACION SEÑALES DIGITALES PROVENIENTES DE FUENTE NO MONOCROMÁTICA Aparece el término V 0, siendo

55 PROPAGACION SEÑALES ANALOGICAS A es la señal y f es de la fuente optica Una vez modulada la señal de la fuente óptica, la señal resultante a ser transmitida dentro de la fibra es:

56 Efecto del ensanchamiento en la propagación: efecto de dispersión, con C=0 Parametro de la fuente lejos de ZD 3 0 Cerca de ZD 2 0 Fuentes gran ancho espectral Vw>> Fuentes con bajo ancho espectral Vw 0 Parametro la fibra

57 PMD Dispersión debido a la pérdida de simetría circular del núcleo, el índice de refracción del material del núcleo de la fibra varía continuamente entre un valor máximo y un mínimo. La diferencia entre el valor máximo y el mínimo es llamada birrefringencia (doble refracción). Cuando un pulso de luz se introduce en la fibra, se divide en dos pulsos polarizados u orientados ortogonalmente. Ante estos diferentes índices de refracción, cada uno de los modos de polarización se propaga con velocidades de grupo ligeramente diferentes, lo cual produce un ensanchamiento del pulso (PMD). D PMD = 0.5 ps/Km½ Valores tipicos D PMD = 2 ps/Km½

58 Ancho de banda de la fibra Lejos de ZD Cerca ZD

59 FIBRA ÓPTICA COMPENSADORES DE DISPERSIÓN

60 COMPENSADORES Debido al uso de pulsos ópticos relativamente anchos (>50 ps), la dispersión de tercer orden, 3, desempeña un papel poco importante en la transmisión del pulso. Sin embargo, debido a la dependencia de 2 de la longitud de onda, debe compensarse la dispersión de segundo orden sobre el amplio rango de espectro cubierto por la señal DWDM. En una fibra estándar con dispersión alta en 1550 nm, las componentes de alta frecuencia del pulso óptico se propagan más rápido que las componentes de baja frecuencia.

61 COMPENSADORES Las técnicas de compensación deberán introducir una dispersión que tenga un efecto contrario para disminuir esta diferencia en las velocidades de propagación y así conseguir mayor capacidad de transmisión del sistema óptico. Existen dos esquemas : o En uno se toma ventaja de la naturaleza periódica del espectro de señal para introducir filtros con características de dispersión periódica. o En el otro, se emplea una fibra DCF (Dispersion Compensating Fiber), capaz de compensar el GVD sobre el ancho de banda completo de la señal.

62 COMPENSACIÓN MEDIANTE FILTROS CON CARACTERÍSTICAS DE DISPERSIÓN PERIÓDICA Es el caso del filtro Fabry Perot, que no es muy utilizado en la práctica debido a sus altas pérdidas de inserción y su ancho de banda angosto. Una alternativa la constituyen las rejillas de Bragg de fibra (FBG)las cuales proveen un buen nivel de GVD pero son más adecuadas para sistemas de un solo canal. Sin embargo, se han desarrollado otro tipo de filtros conocidos como rejillas de fibra muestreada (sampled fiber grating), las cuales trabajan bien para sistemas DWDM de canales, pero se vuelve difícil hacer coincidir la pendiente de dispersión media de la rejilla con la dispersión de la fibra cuando el número de canales se incrementa, haciendo que, en ciertas longitudes de onda, algunas porciones de pulsos se desplacen en el tiempo respecto al resto del tren de pulsos, causando serias distorsiones.

63 COMPENSACIÓN MEDIANTE FIBRAS DE ALTA DISPERSIÓN Consiste en fibras construidas con altos valores negativos de pendientes de dispersión, de tal manera, que 2 y 3 de las DCF tengan signos opuestos La ecuación que determina la compensación de la pendiente de dispersión es: Para evaluar el desempeño de un DCF comúnmente se emplea la figura de mérito (FOM),

64 COMPENSADORES la cual se define como : FOM se mide en ps/nm-dB, siendo DCF las pérdidas introducidas por el DCF.

65 FIBRA ÓPTICA NO LINEALIDADES

66 Pérdidas no lineales

67 Dispersión Estimulada Raman (SRS) La expresión de este efecto es : Donde g R es el coeficiente de ganancia Raman (1310, 1550), Leff es la longitud efectiva (1310 y 1550), P la potencia de la señal óptica, Ae área efectiva del núcleo de la fibra (50 2 para fibras con diámetro de 8 m) y b una constante que depende de las características de conservación de polarización de las fibras. Cuando no son conservativas b =2. Si se tienen N canales cada uno con potencia P y el espaciamiento entre canales, ningún canal experimentará una penalización de potencia si se mantiene la siguiente restricción: [ N.P][(N-1) ]Leff <40000 nm.mW.Km

68 Dispersión Estimulada Brilloin (SBS) La expresión del efecto es : Donde g B es el coeficiente de ganancia Brilloin (1310, 1550), Leff es la longitud efectiva (1310 y 1550), P la potencia de la señal óptica, Ae área efectiva del núcleo de la fibra (50 2 para fibras con diámetro de 8 m) y b una constante que depende de las características de conservación de polarización de las fibras. Cuando no son conservativas b =2. El efecto de Brillouin depende del ancho de línea espectral de la fuente fs, según la expresión: Esta interferencia ocurrirá cuando 2 canales con propagación inversa (contrapropagación) difieran en la frecuencia de desplazamiento Brillouin, alrededor de 11 GHz para longitudes de onda de 1550 nm. Dado que el ancho de banda de la ganancia del SBS fB es muy estrecho (0,001 nm), es fácil evitar esta interferencia.

69 Mezcla de Cuatro Ondas (FWM) La mezcla de cuatro ondas (Four Wave Mixing, FWM) ocurre cuando dos longitudes de onda, operando en frecuencias f 1 y f 2 respectivamente, se mezclan para producir señales en las frecuencias 2f 1 – f 2 y 2f 2 - f 1. De igual manera, la mezcla puede ocurrir por combinación de tres o más longitudes de onda. El decrecimiento en el espaciamiento entre canales y el decrecimiento de la dispersión en la fibra hace que se incremente el efecto FWM.

70 Modulación por fase cruzada (XPM) La modulación por fase cruzada (XPM) es un desplazamiento en la fase de la señal transmitida en una determinada longitud de onda, causado por el cambio en la intensidad de una señal que se propaga en una longitud de onda diferente. XPM puede generar asimetrías en el pulso óptico y, combinada con la dispersión del material, puede afectar la forma del pulso en el dominio del tiempo.

71 Modulación por fase cruzada (XPM) El fenómeno XPM puede limitar el desempeño de los sistemas ópticos, pero puede también aprovecharse como ventaja para modular señales a una longitud de onda dada, a partir de una señal modulada en una longitud de onda diferente, esta técnica se utiliza para implementar dispositivos de conversión de longitud de onda.

72 FIBRA ÓPTICA COMPENSACION DE NO LINEALIDADES

73 Las no linealidades en la fibra puede afectar los siguientes dos esquemas de ubicación de canales. Canales ubicados en la región de cero dispersión. Canales ubicados bien sea al lado de la región de cero dispersión donde tiene casi las mismas velocidades de grupo, o lo que es lo mismo el walk off – wo, entre canales es pequeño. EL EFECTO PRINCIPAL ES EL INCREMENTO DE LA BER

74 Estrategias para minimizar los dos efectos no lineales, en UDWDM. Evitar la región de de cero dispersión y colocar todos los canales a un lado de la región de cero dispersión, no ambos lados. Si se necesita simultáneamente usar ambos lados de la región de de cero dispersión, emplear transmisión bidireccional banda por banda. Esto asegura un w.o muy grande entre canales y resulta en desacoplo de fase en FWM y promediada XPM y SRS sobre bits. Si la región de cero dispersión se usa, emplear la ubicación de canal desigual para prevenir que las nuevas frecuencias generadas a través del proceso FWM caigan en cualquiera de las señales lanzadas. COMPENSACION DE NO LINEALIDADES

75 Para fibras DSF hay dos maneras principales de mitigar la interacción no lineal. Evitar la región de dispersión cero y transmitir los canales ubicados a ambos lados de la región de dispersión cero, bidireccionalmente. Emplear espaciamiento desigual para la región de dispersión cero y transmitir canales bidireccionalmente. La razón de la configuración bidireccional debería incluso acompañarse en el último caso de interacción no lineal, el cual existe en la región de dispersión cero. De otro lado en la SMF la gran dispersión cromática en la región de bajas pérdidas hace que el w.o entre canales sea grande y mitigue las interacciones no lineales, a expensas de requerir grandes niveles de compensación de dispersión. COMPENSACION DE NO LINEALIDADES

76 FIBRA ÓPTICA ESPECIFICACIÓN DE FIBRAS

77 Revisión de especificación de fibras ópticas Norma G 652 o Características de la fibra. o Características del cable. o Cuadro de valores recomendados Norma G 655 o Características de la fibra. o Características del cable. o Cuadro de valores recomendados

78 Norma G 652/G 655 ATRIBUTODETALLE VALOR HASTA STM G652.A VALOR HASTA STM G652.B VALOR HASTA STM G652.C VALOR HASTA 655.A (monocanal) VALOR HASTA 655.B (multicanal) Diámetro de campo modificado Longitud de onda1310 nm 1550 nm Rango de valores nominales m 8-11 m Tolerancia±0.7 m diametro del cladding Nominal125 m Tolerancia±1 m error de concentricidad delnúcleo Maximo0.8 m no circularidad del cladding Maximo2.00% longitud de onda de corte Maximo pérdidas macrocurvaturas Radio37.5 nm Número de vueltas100 Maximo en 1550 nm0.50 dB MAXIMO EN 16 XX nm (nota 1)0.50 dB presión de prueba minimo0.69 Gpa

79 Norma G 652/G 655 ATRIBUTODETALLE VALOR HASTA STM -16. G652.A VALOR HASTA STM -64. G652.B VALOR HASTA STM -64. G652.C VALOR HASTA 655.A (monocanal) VALOR HASTA 655.B (multicanal) coeficiente de dispersión cromática 0min 1300 nm 1530 nm 0max 1324 nm 1565 nm S 0max ps/nm².km ver cuadro Valor Dmin (no necesaria/ en 0min)0.1 ps/nm.km Valor Dmax (no necesaria/ en 0max)6,0 ps/nm.km10,0 ps/nm.km signo positivo o negativo coeficiente PMD fibra no cableada maximo ps/ km (nota 2) Coeficiente de atenuación LONGITUD DE ONDA máximo en 1310 nm0.5 dB/km0.4 dB/km máximo en yyyy nm (nota 3)nota 4 máximo en 1550 nm0.4 dB/km0.35 dB/km MAXIMO EN 16 XX nm (nota 1)0.4 dB/km PMD COEFFICIENT M20 cables Q0.01% MAXIMO PMD Q (nota 2)0.5 ps/ km

80 FIBRA ÓPTICA Fabricación

81 FABRICACION DE FIBRAS FIBRAS INDICE ESCALONADO: o SE CONSIGUE LA DIFERENCIA DE INDICES DE REFRACCION, AÑADIENDO DOPANTES. o Ge O 2 y P 2 O 5 aumentan el índice (núcleo). o B 2 O 3 y la fluorina disminuyen el indice (revestimiento) o Diametro del revestimiento estandar: 125 m FABRICACION EN DOS ETAPAS: o FABRICACION DE PREFORMA o ESTIRADO

82 Métodos de fabricación El método de varilla en tubo (rod in tube). Altas pérdidas. Método phase separable glass o phasil. Este método permite construir fibra óptica con perfil de índice escalonado y gradual con atenuación de 10 hasta 50 dB/Km a 850 nm. Con el método Vapor Deposition se logró construir conductores de fibra óptica con atenuaciones extremadamente reducidas. Este método fue utilizado por primera vez en 1970 por la empresa Corning (E.E.U.U.). La deposición se puede efectuar de diferentes formas:

83 FABRICACION DE LA PREFORMA SE REALIZA MEDIANTE DEPOSICION DE VAPOR. DIMENSIONES TIPICAS: 1m POR 2 cm DE DIAMETRO. CONTIENE NUCLEO Y REVESTIMIENTO EN DIMENSIONES RELATIVAS ADECUADAS. METODOS UTILIZADOS PARA DEPOSICION QUIMICA EN FASE DE VAPOR: o MCVD. DEPOSICION INTERNA. o OVD. DEPOSICION EXTERNA. o VAD. DEPOSICION AXIAL.

84 Fabricación Método OVD (Outside vapor deposition). Sobre la superficie externa de una varilla de sustrato en rotación. Método VAD (Vapor axial deposition). Sobre la superficie frontal de una varilla de cuarzo. Método MCVD (Modified chemical vapor deposition). Sobre la superficie interior de un tubo de vidrio de cuarzo en rotación. Método PCVD. Similar al método MCVD. La diferencia esta en la reacción. Por medio de la excitación de un gas, con ayuda de microondas por ejemplo, se obtiene un plasma. El gas que se ioniza, es decir se descompone en sus cargas eléctricas, al reunificarse libera calor que se utiliza para fundir materiales de elevado punto de fusión.

85 PERDIDAS EN LA FIBRA SEGUN METODO FABRICACION

86 MCVD: EL MAS USADO EN EL INTERIOR SE DEPOSITAN CAPAS DE SiO 4, MEZCLADO CON CAPAS DE SiCl 4 Y O 2

87 CONTROL INDICE REFRACCION MCVD: LA TASA DE FLUJO DE LOS VAPORES DETERMINAN LA CANTIDAD DE DOPANTE Y AUMENTO DEL INDICE DEL NUCLEO. o PARA INDICE GRADUAL, SE VARIA CAPA A CAPA. o UNA VEZ FORMADAS LAS CAPAS, SE ENFRIA EL TUBO OBTENIENDOSE LA PREFORMA. OVD Y CVD: LAS CAPAS CRECEN EN EL EXTERIOR DE UN TUBO QUE ROTA. EL TUBO QUEDA HUECO. SE PROCEDE A SACAR EL VAPOR DE AGUA EN ATMOSFERA Cl 2 - He. o APARECE CAIDA DE PERFIL DEL NUCLEO AL CERRAR EL HUECO.

88 ESTIRADO CALENTAMIENTO DE LA PREFORMA A 2000 °C. EL DIAMETRO SE CONTROLA OPTICAMENTE EMPLEANDO EL PATRON DE DIFRACCION PRODUCIDO POR UN LASER. LA VARIACION DEL DIAMETRO VARIA EL PATRON, CAMBIA LA CORRIENTE DE UN FOTODIODO, QUE CONTROLA UN SERVOMECANISMO. ERROR INFERIOR AL 0.1% SE AÑADE CAPA DE POLIMERO PARA PROTECCION MECANICA. VELOCIDAD DE ESTIRADO 0.2 A 0.5 m/s. DE UNA PREFORMA SALE APROXIMADAMENTE 1 km DE FIBRA.

89 ESQUEMA DEL ESTIRADO

90 Métodos de Fabricación OVD VAD MCVD PVCD ESTIRADO

91 FIBRA ÓPTICA Tipos de Cables

92 Los recubrimientos sobre la fibra óptica pueden ser básicamente de dos tipos: Recubrimiento TIGHT o Adherente Recubrimiento LOOSE o No Adherente

93 Conformación del cable

94 Tipos de Cables

95 TIPOS DE FIBRA

96 FIBRA ÓPTICA Equipos de medición de pruebas

97 OTDR Cuando se aplica luz dentro de la fibra óptica, la retrodispersión y la refracción de luz de Fresnel regresan hacia la fuente de luz. Utilizando este fenómeno, es posible hacer una evaluación de los siguientes aspectos: Localización de la falla Pérdida óptica entre dos secciones transversales Pérdida en la unión (empalme )

98 Medidores de Potencia La longitud de onda de la fuente puede ser un factor crítico en la realización de medidas de pérdida exactas, dado que la atenuación de la fibra es sensible a la longitud de onda especialmente en las longitudes de onda cortas.

99 FIBRA ÓPTICA Mapa de cables submarinos

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101 Mapa proporcionado por Alcatel

102 Red de Global Crossing

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