Fibra Optica

¿Cómo funciona la Fibra Óptica?

En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original.

El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo ), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida.

Los diodos emisores de luz y los diodos láser son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas.

Concepto:

Medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el núcleo de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED.

Las fibras permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio o cable. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas.

Las aplicaciones de la fibra óptica hoy en día son múltiples. Además, está en un continuo proceso de expansión, sin conocer exactamente límites sobre ello.
Partiendo de que la fibra óptica transmite luz, todas las aplicaciones que se basan en la luminosidad (bien sea por falta de esta, por difícil acceso, con fines decorativos o búsqueda de precisión) tiene cabida este campo.
Si a todo esto sumamos la gran capacidad de transmisión de información de este medio, (debido a su gran ancho de banda, baja atenuación, a que esta información viaja a la velocidad de la luz, etc.) dichas aplicaciones se multiplican.
Campos tales como las telecomunicaciones, medicina, arqueología, prácticas militares, informatica, mecánica y vigilancia se benefician de las cualidades de esta herramienta óptica.

Materiales utilizados:

La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. Se requieren dos filamentos para una comunicación bi-direccional: TX y RX.

El grosor del filamento es aproximadamente de 0,1 mm. En cada filamento de fibra óptica podemos apreciar 3 componentes:

La fuente de luz: LED o laser.

el medio transmisor: fibra óptica.

el detector de luz: fotodiodo.

Un cable de fibra óptica está compuesto por:

El Núcleo: En sílice, cuarzo fundido o plástico - en el cual se propagan las ondas ópticas. Diámetro: 50 o 62,5 uno para la fibra multimodo y 9mm para la fibra monomodo.

La Funda Óptica: Generalmente de los mismos materiales que el núcleo pero con aditivos que confinan las ondas ópticas en el núcleo.

El revestimiento de protección: por lo general está fabricado en plástico y asegura la protección mecánica de la fibra.

Ventajas:

·        Fácil de instalar, empaquetado de alta densidad.

·        Transmisión de datos a alta velocidad.

·        Conexión directa de centrales a empresas.

·        Gran ancho de banda.

·        El cable fibra óptica, al ser muy delgado y flexible es mucho más ligero y ocupa menos espacio que el cable coaxial y el cable par trenzado.

·        Acceso ilimitado y continuo las 24 horas del día, sin congestiones.

·        La fibra óptica hace posible navegar por Internet, a una velocidad de 2 millones de bps, impensable en el sistema convencional, en el que la mayoría de usuarios se conecta a 28.000 0 33.600 bps.

·        Video y sonido en tiempo real.

·        La materia prima para fabricarla es abundante en la naturaleza.

·        Compatibilidad con la tecnología digital.

·        Gran seguridad. La intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable, por el debilitamiento de la energía luminosa en recepción, además no radia nada, lo que es particularmente interesante para aplicaciones que requieren alto grado de confidencialidad.

·        Resistencia al calor, frío y a la corrosión.

·        Se pueden agrupar varios cables de fibra óptica y crear una manguera que transporte grandes cantidades de tráfico, de forma inmune a las interferencias.

·        Insensibilidad a la interferencia electromagnética, como ocurre cuando un alambre telefónico pierde parte de su señal.

·        Uso dual, es resistente al agua y a emisiones ultravioleta.  Cobertura más resistente: La cubierta contiene un 25% más material que las cubiertas convencionales.

Desventajas:

·        Sólo pueden suscribirse las personas que viven en las zonas de la ciudad por las cuales ya este instalada la red de fibra óptica.

·        El costo es alto en la conexión de fibra óptica, las empresas no cobran por tiempo de utilización, sino por cantidad de información transferida al computador que se mide en megabytes.

·        El costo de instalación es elevado.

·        El costo relativamente alto en comparación con los otros tipos de cable.

·        Fragilidad de las fibras.

·        Los diminutos núcleos de los cables deben alinearse con extrema precisión al momento de empalmar, para evitar una excesiva pérdida de señal.

·        Dificultad de reparar un cable de fibra roto.

·        La especialización del personal encargado de realizar las soldaduras y empalmes.

Tipos de Fibra Óptica:

Fibra Monomodo:

Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar.

El dibujo muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 mm.

Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión que aún se dominan mal.

Fibra Multimodo de Índice Gradiante Gradual:

Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta.

Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en el dibujo. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra. La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 m (diámetro del núcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras:

·         Multimodo de índice escalonado 100/140 mm.

·         Multimodo de índice de gradiente gradual 50/125 mm.

Fibra Multimodo de índice escalonado:

Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro.

En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado.

Tipos de conectores:

Estos elementos se encargan de conectar las líneas de fibra a un elemento, ya puede ser un transmisor o un receptor. Los tipos de conectores disponibles son muy variados, entre los que podemos encontrar se hallan los siguientes:

• FC, que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones.

• FDDI, se usa para redes de fibra óptica.

• LC y MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos.

• SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos.

• ST o BFOC se usa en redes de edificios y en sistemas de seguridad.

Emisores del haz de luz
Estos dispositivos se encargan de convertir la señal eléctrica en señal luminosa, emitiendo el haz de luz que permite la transmisión de datos, estos emisores pueden ser de dos tipos:

·         LEDs. Utilizan una corriente de 50 a 100 mA, su velocidad es lenta, solo se puede usar en fibras multimodo, pero su uso es fácil y su tiempo de vida es muy grande, además de ser económicos.

·         Lasers. Este tipo de emisor usa una corriente de 5 a 40 mA, son muy rápidos, se puede usar con los dos tipos de fibra, monomodo y multimodo, pero por el contrario su uso es difícil, su tiempo de vida es largo pero menor que el de los LEDs y también son mucho más costosos.

Conversores luz-corriente eléctrica. Este tipo de dispositivos convierten las señales luminosas que proceden de la fibra óptica en señales eléctricas. Se limitan a obtener una corriente a partir de la luz modulada incidente, esta corriente es proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma de onda de la señal moduladora.

Se fundamenta en el fenómeno opuesto a la recombinación, es decir, en la generación de pares electrón-hueco a partir de los fotones. El tipo más sencillo de detector corresponde a una unión semiconductora P-N.
Las condiciones que debe cumplir un fotodetector para su utilización en el campo de las comunicaciones, son las siguientes:

·         La corriente inversa (en ausencia de luz) debe ser muy pequeña, para así poder detectar señales ópticas muy débiles (alta sensibilidad).

·         Rapidez de respuesta (gran ancho de banda).

·         El nivel de ruido generado por el propio dispositivo ha de ser mínimo.

Hay dos tipos de detectores:

los fotodiodos PIN y los de avalancha APD.

·         Detectores PIN: Su nombre viene de que se componen de una unión P-N y entre esa unión se intercala una nueva zona de material intrínseco (I), la cual mejora la eficacia del detector.

Se utiliza principalmente en sistemas que permiten una fácil discriminación entre posibles niveles de luz y en distancias cortas.

·         Detectores APD: Los fotodiodos de avalancha son fotodetectores que muestran, aplicando un alto voltaje en inversa, un efecto interno de ganancia de corriente (aproximadamente 100), debido a la ionización de impacto (efecto avalancha). El mecanismo de estos detectores consiste en lanzar un electrón a gran velocidad (con la energía suficiente), contra un átomo para que sea capaz de arrancarle otro electrón.

Estos detectores se pueden clasificar en tres tipos:

·         de silicio: presentan un bajo nivel de ruido y un rendimiento de hasta el 90% trabajando en primera ventana. Requieren alta tensión de alimentación (200-300V).

·         de germanio: aptos para trabajar con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y 1300 nm y con un rendimiento del 70%.

Cable de estructura holgada:

Consta de varios tubos de fibra rodeando un miembro central de refuerzo, y rodeado de una cubierta protectora. El rasgo distintivo de este tipo de cable son los tubos de fibra. Cada tubo, de dos a tres milímetros de diámetro, lleva varias fibras ópticas que descansan holgadamente en él. Los tubos pueden ser huecos o, más comúnmente estar llenos de un gel resistente al agua que impide que ésta entre en la fibra. El tubo holgado aísla la fibra de las fuerzas mecánicas exteriores que se ejerzan sobre el cable.

Cable de tubo Holgado

El centro del cable contiene un elemento de refuerzo, que puede ser acero, Kevlar o un material similar. Este miembro proporciona al cable refuerzo y soporte durante las operaciones de tendido, así corno en las posiciones de instalación permanente. Debería amarrarse siempre con seguridad a la polea de tendido durante las operaciones de tendido del cable, y a los anclajes apropiados que hay en cajas de empalmes o paneles de conexión.

La c ubierta o protección exterior de l cable se puede hacer , entre otros materiales, de pol ietileno, de armadura o coraz a de acero, goma o hilo de aram ida, y para aplicaciones tanto exteriores com o interiores. Con objeto d e l ocalizar los fallos con e l OTDR d e un a manera más fácil y precisa, la cubierta está secuenc ialm e nt e numerada cada metro (o cada pie) por el fabricante.

Tubo holgado de cable de fibra óptica

Los cables de estructura holgada se usan en la mayoría de las instalaciones exteriores, incluyendo aplicaciones aéreas, en tubos o conductos y en instalaciones directamente enterradas. El cable de estructura holgada no es muy adecuado para instalaciones en recorridos muy verticales, porque existe la posibilidad de que el gel interno fluya o que las fibras se muevan.

Cable de estructura ajustada:

Contiene varias fibras con protección secundaria que rodean un miembro central de tracción, y todo ello cubierto dc una protección exterior. La protección secundaria de la fibra consiste en una cubierta plástica de 900 μm de diámetro que rodea a! recubrimiento de 250 μm de la fibra óptica.

Cable de estructura ajustada

La protección secundaria proporciona a cada fibra individual una protección adicional frente al entorno así como un soporte físico. Esto permite a la fibra ser conectada directamente (conector instalado directamente en el cable de la fibra), sin la protección que ofrece una bandeja de empalmes. Para algunas instalaciones esto puede reducir cl coste de la instalación y disminuir el número de empalmes en un tendido de fibra. Debido al diseño ajustado del cable, es más sensible a las cargas de estiramiento o tracción y puede ver incrementadas las pérdidas por microcurvaturas.

Por una parte, un cable de estructura ajustada es más flexible y tiene un radio de curvatura más pequeño que el que tienen los cables de estructura holgada. En primer lugar. es un cable que se ha diseñado para instalaciones en el interior de los edificios. También se puede instalar en tendidos verticales más elevados que los cables de estructura holgada, debido al soporte individual de que dispone cada fibra.

Sistema de cableado submarino de fibra ópticaContexto histórico/actual

Los cables submarinos o interoceánicos se instalan en un momento de la historia de los medios de transmisión a mediados de 1858. Se empezaron a usar cables coaxiales apantallados para las comunicaciones telefónicas.

Finalmente, en 1980, llegó la fibra óptica, que no es sensible a las interferencias electromagnéticas y, además, puede llegar más lejos usando menos repetidores que los cables coaxiales. Las interferencias electromagnéticas en los cables submarinos coaxiales se producen porque, cuando pasa la corriente, en el medio en el que se encuentra (tierra o agua), se genera una corriente eléctrica en el sentido contrario que puede inducir ruido.

Actualmente, los cables de fibra óptica se construyen con 8 tipos de recubrimiento para protegerlos. Dentro de cada cable, viajan muchos canales de comunicación que se mezclan gracias a distintos tipos de técnicas de multiplexación (ésta consiste en diferenciar los canales de alguna manera para que puedan viajar por el mismo cable).

Estos cables transportan el 99% de las comunicaciones del mundo, ya que es el medio de transmisión más barato. El 1% restante se transmite vía satélite. Más del 70% del cableado está dedicado a Internet; el resto pertenece, principalmente, a redes privadas de grandes compañías y, un pequeño porcentaje (entorno al 1%), al teléfono.

Sistema de cableado submarino (vista exterior)

Sistema de cableado submarino (vista interior)

Sistema de cableado submarino (vista interior)

1. Polietileno.

2. Cinta de tereftalato de polietileno.

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.

Fabricantes y Tipos de cables submarinos:

El cable tipo SL, fabricado por la ATT americana, tiene un nucleo de 6 fibras con proteccion adherente de material plastico, con 2,5mm. de diametro y, sobre el, dos coronas de hilos de acero, una banda de cobre soldada longitudinariamente, que llegan a los 11mm. de diametro y todo ello rodeado de una cubierta de politeno cuyo conjunto alcanza un diametro de 21mm.

El cable tipo NL-1, de la marca britanica STC, parte de un nucleo formado por 4 fibras opticas y otras cuatro textiles, inmersas en proteccion adherente y rodeado todo él por una banda de cobre soldada; sobre esta, dos armaduras de hilos de acero, hasta alcanzar los 13mm de diametro y sobre ellas, una cubierta de politeno, con un diametro de 26mm.

Submarcom es el fabricante frances del cable tipo s-280, en el que el nucleo está soportado por un elemento de plastico tigido, con 6 acanaladuras helicoidales, en las que se encajan otras tantas fibras ópticas, doreado el conjunto de tela de nylon, formando un cilindro de 6mm de diametro. Sobre este, dos armaduras de hilos de acero, con un diametro conjunto de 13mm., rodeadas de una banda de cobre de 14,5mm. de diametro, soldada longitudinalmente y protegida por una cubierta de politeno de 25mm. de diametro.

El cable FS-400M, fabricado por la compania japonesa NTT,para enlaces entre las diversas islas que constituyen el territorio japones, el nucleo consta de 6 fibras rodeadas de una cubierta plástica sobre la que van dos coronas de hilos de acero rodeados de un tubo de cobre estañado. Sobre este, y segun las necesidades pueden ir o una sola cubierta de politeno, con un diametro de 25mm. o una segunda sobre ella hasta alcanzar los 32mm.

Para los trayectos transoceánicos, la compania japonesa KDD, fabrica el cable tipo OS-280M, constituido por un nucleo de 6 fibras opticas, con proteccion adherente, rodeado de un cilindro de 11mm. de diametro, constituido por tres piezas longitudinales de acero, rodeado de una armadura de hilos de acero, sobre la que va una banda de cobre y todo protegido por una o dos cubiertas de politeno, con 25mm. o 32mm. de diametro.

La casa Pirelli fabruica un cable que parte de un nucleo formado por un cilindro plástico, con 6 acanaladuras helicoidales, en las que se colocan las fibras opticas, rodeado por tres bandas de aluminio helicoidales y estas, a su vez, por otras 2 de acero arrolladas helicoidalmente en distinto sentido y todo ello recubierto de una banda de cobre. Los diametros respectivos son: 5, 8, 9, 17, 17,5mm. Todo el conjunto se protege con una cubierta de politeno que llega a los 31mm.