Un ramo de fibras ópticas.
Un cable de fibra óptica de TOSLINK para audio iluminado desde un extremo.
La fibra óptica es un 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 interior 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 se utilizan ampliamente en telecomunicaciones,
ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con
velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable
convencional. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a
las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes
locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica
sobre otros medios de transmisión.
Historia
Daniel Colladon fue el primero en describir la "fuente de luz" en el artículo que en 1842 tituló
On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Ilustración de este último artículo de Colladon, en 1884.
El uso de la luz para la codificación de señales no es nuevo, los
antiguos griegos usaban espejos para transmitir información, de modo
rudimentario, usando luz solar. En 1792, Claude Chappe
diseñó un sistema de telegrafía óptica, que mediante el uso de un
código y torres y espejos distribuidos a lo largo de los 200 km que
separan Lille y París, conseguía transmitir un mensaje en tan sólo 16
minutos.
La gran novedad aportada en nuestra época es la de haber conseguido
“domar” la luz, de modo que sea posible que se propague dentro de un
cable tendido por el hombre. El uso de la luz guiada, de modo que no
expanda en todas direcciones, sino en una muy concreta y predefinida se
ha conseguido mediante la fibra óptica, que podemos pensar como un
conducto de vidrio -fibra de vidrio ultra delgada- protegida por un
material aislante que sirve para transportar la señal lumínica de un
punto a otro.
Además tiene muchas otras ventajas, como bajas pérdidas de señal,
tamaño y peso reducido, inmunidad frente a emisiones electromagnéticas y
de radiofrecuencia y seguridad.
Como resultado de estudios en física enfocados de la óptica, se descubrió un nuevo modo de empleo para la luz llamado rayo láser.
Este último es usado con mayor vigor en el área de las
telecomunicaciones, debido a lo factible que es enviar mensajes con
altas velocidades y con una amplia cobertura. Sin embargo, no existía un
conducto para hacer viajar los fotones originados por el láser.
La posibilidad de controlar un rayo de luz, dirigiéndolo en una trayectoria recta, se conoce desde hace mucho tiempo. En 1820,
Augustin-Jean Fresnel
ya conocía las ecuaciones por las que rige la captura de la luz dentro
de una placa de cristal lisa. Su ampliación a lo que entonces se conocía
como cables de vidrio fue obra de
D. Hondros y
Peter Debye en 1910.
El confinamiento de la luz por refracción, el principio de que posibilita la fibra óptica, fue demostrado por
Daniel Colladon y
Jacques Babinet en París en los comienzos de la década de 1840. El físico irlandés
John Tyndall
descubrió que la luz podía viajar dentro de un material (agua),
curvándose por reflexión interna, y en 1870 presentó sus estudios ante
los miembros de la Real Sociedad.
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A partir de este principio se llevaron a cabo una serie de estudios, en
los que demostraron el potencial del cristal como medio eficaz de
transmisión a larga distancia. Además, se desarrollaron una serie de
aplicaciones basadas en dicho principio para iluminar corrientes de agua
en fuentes públicas. Más tarde,
J. L. Baird
registró patentes que describían la utilización de bastones sólidos de
vidrio en la transmisión de luz, para su empleo en un primitivo sistema
de televisión de colores. El gran problema, sin embargo, era que las
técnicas y los materiales usados no permitían la transmisión de la luz
con buen rendimiento. Las pérdidas eran grandes y no había dispositivos
de acoplamiento óptico.
Solamente en 1950 las fibras ópticas comenzaron a interesar a los
investigadores, con muchas aplicaciones prácticas que estaban siendo
desarrolladas. En 1952, el físico
Narinder Singh Kapany, apoyándose en los estudios de
John Tyndall, realizó experimentos que condujeron a la invención de la fibra óptica.
Uno de los primeros usos de la fibra óptica fue emplear un haz de fibras para la transmisión de imágenes, que se usó en el
endoscopio médico. Usando la fibra óptica, se consiguió un endoscopio semiflexible, el cual fue patentado por la Universidad de Míchigan
en 1956. En este invento se usaron unas nuevas fibras forradas con un
material de bajo índice de refracción, ya que antes se impregnaban con
aceites o ceras. En esta misma época, se empezaron a utilizar filamentos
delgados como el pelo que transportaban luz a distancias cortas, tanto
en la industria como en la medicina, de forma que la luz podía llegar a
lugares que de otra forma serían inaccesibles. El único problema era que
esta luz perdía hasta el 99% de su intensidad al atravesar distancias
de hasta 9 metros de fibra.
Charles K. Kao,
en su tesis doctoral de 1956, estimó que las máximas pérdidas que
debería tener la fibra óptica, para que resultara práctica en enlaces de
comunicaciones, eran de 20 decibelios por kilómetro.
En 1966, en un comunicado dirigido a la
Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, los investigadores
Charles K. Kao y
G. A. Hockham, de los laboratorios de Standard Telecommunications,
en Inglaterra, afirmaron que se podía disponer de fibras de una
transparencia mayor y propusieron el uso de fibras de vidrio y luz, en
lugar de electricidad
y conductores metálicos, en la transmisión de mensajes telefónicos. La
obtención de tales fibras exigió grandes esfuerzos de los
investigadores, ya que las fibras hasta entonces presentaban pérdidas
del orden de 100 dB/km,
además de una banda pasante estrecha y una enorme fragilidad mecánica.
Este estudio constituyó la base para mejorar las pérdidas de las señales
ópticas que hasta el momento eran muy significativas y no permitían el
aprovechamiento de esta tecnología. En un artículo teórico, demostraron
que las grandes pérdidas características de las fibras existentes se
debían a impurezas diminutas intrínsecas del cristal. Mientras tanto,
como resultado de los esfuerzos, se hicieron nuevas fibras con
atenuación de 20 dB/km y una banda pasante de 1 GHz
para un largo de 1 km, con la perspectiva de sustituir los cables
coaxiales. La utilización de fibras de 100 µm de diámetro, envueltas en
nylon resistente, permitirían la construcción de hilos tan fuertes que
no podían romperse con las manos. Hoy ya existen fibras ópticas con
atenuaciones tan pequeñas de hasta 1 dB/km, lo que es muchísimo menor a
las pérdidas de un cable coaxial.
El artículo de Kao-Hockman estimuló a algunos investigadores a
producir dichas fibras con bajas pérdidas. El gran avance se produjo en
1970, cuando los investigadores Maurer, Keck, Schultz y Zimar que
trabajaban para Corning Glass, fabricaron la primera fibra óptica
aplicando impurezas de titanio en sílice, con cientos de metros de largo
con la claridad cristalina que Kao y Hockman habían propuesto. Las
pérdidas eran de 17 dB/km. Durante esta década las técnicas de
fabricación se mejoraron, consiguiendo pérdidas de tan solo 0,5 dB/km.
Poco después, Panish y Hayashi, de los laboratorios Bell, mostraron
un láser de semiconductores que podía funcionar continuamente a
temperatura ambiente. En 1978 ya se transmitía a 10 Gb km/segundos.
Además, John MacChesney y sus colaboradores, también de los laboratorios
Bell, desarrollaron independientemente métodos de preparación de
fibras. Todas estas actividades marcaron un punto decisivo ya que ahora,
existían los medios para llevar las comunicaciones de fibra óptica
fuera de los laboratorios, al campo de la ingeniería habitual. Durante
la siguiente década, a medida que continuaban las investigaciones, las
fibras ópticas mejoraron constantemente su transparencia.
El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió la primera transmisión telefónica a través de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California.
El amplificador que marcó un antes y un después en el uso de la fibra
óptica en conexiones interurbanas, reduciendo el coste de ellas, fue el
amplificador óptico inventado por
David N. Payne, de la Universidad de Southampton, y por
Emmanuel Desurvire en los Laboratorios Bell. A ambos se les concedió la
Medalla Benjamin Franklin en 1988.
Cable submarino de fibra óptica.
En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal
podía atravesar 240 kilómetros de fibra antes de debilitarse hasta ser
indetectable. Pero las fibras ópticas con este grado de transparencia no
se podían fabricar usando métodos tradicionales. El gran avance se
produjo cuando se dieron cuenta de que el cristal de sílice puro, sin
ninguna impureza de metal que absorbiese luz, solamente se podía
fabricar directamente a partir de componentes de vapor, evitando de esta
forma la contaminación que inevitablemente resultaba del uso
convencional de los crisoles de fundición. El progreso se centraba ahora
en seleccionar el equilibrio correcto de componentes del vapor y
optimizar sus reacciones. La tecnología en desarrollo se basaba
principalmente en el conocimiento de la termodinámica química, una
ciencia perfeccionada por tres generaciones de químicos desde su
adopción original por parte de
Willard Gibbs, en el siglo XIX.
También en 1980, AT&T presentó a la Comisión Federal de Comunicaciones
de los Estados Unidos un proyecto de un sistema de 978 kilómetros que
conectaría las principales ciudades del corredor que iba de Boston a Washington D. C..
Cuatro años después, cuando el sistema comenzó a funcionar, su cable,
de menos de 25 centímetros de diámetro, proporcionaba 80.000 canales de
voz para conversaciones telefónicas simultáneas. Para entonces, la
longitud total de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos
alcanzaba 400.000 kilómetros (suficiente para llegar a la luna).
Pronto, cables similares atravesaron los océanos del mundo. El primer enlace transoceánico con fibra óptica fue el
TAT-8
que comenzó a operar en 1988, usando un cristal tan transparente que
los amplificadores para regenerar las señales débiles se podían colocar a
distancias de más de 64 kilómetros. Tres años después, otro cable
transatlántico duplicó la capacidad del primero. Los cables que cruzan
el Pacífico también han entrado en funcionamiento. Desde entonces, se ha
empleado fibra óptica en multitud de enlaces transoceánicos o entre
ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redes
troncales de las operadoras hacia los usuarios finales.
Hoy en día, debido a sus mínimas pérdidas de señal y a sus óptimas
propiedades de ancho de banda, la fibra óptica puede ser usada a
distancias más largas que el cable de cobre. Además, las fibras por su
peso y tamaño reducido, hace que sea muy útil en entornos donde el cable
de cobre sería impracticable.
Proceso de fabricación
Una vez obtenida mediante procesos químicos la materia de la fibra
óptica, se pasa a su fabricación. Proceso continuo en el tiempo que
básicamente se puede describir a través de tres etapas; la fabricación
de la preforma, el estirado de ésta y por último las pruebas y
mediciones. Para la creación de la preforma existen cuatro procesos que
son principalmente utilizados.
La etapa de fabricación de la preforma puede ser a través de alguno de los siguientes métodos:
- M.C.V.D Modified Chemical Vapor Deposition
Fue desarrollado originalmente por
Corning Glass
y modificado por los Laboratorios Bell Telephone para su uso
industrial. Utiliza un tubo de cuarzo puro de donde se parte y es
depositado en su interior la mezcla de dióxido de silicio y aditivos de
dopado en forma de capas concéntricas. A continuación en el proceso
industrial se instala el tubo en un torno giratorio. El tubo es
calentado hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 1.400 °C y
1.600 °C mediante un quemador de hidrógeno y oxígeno. Al girar el torno,
el quemador comienza a desplazarse a lo largo del tubo. Por un extremo
del tubo se introducen los aditivos de dopado, parte fundamental del
proceso, ya que de la proporción de estos aditivos dependerá el perfil
final del índice de refracción del núcleo. La deposición de las
sucesivas capas se obtienen de las sucesivas pasadas del quemador,
mientras el torno gira; quedando de esta forma sintetizado el núcleo de
la fibra óptica. La operación que resta es el colapso, se logra
igualmente con el continuo desplazamiento del quemador, solo que ahora a
una temperatura comprendida entre 1.700 °C y 1.800 °C. Precisamente es
ésta temperatura la que garantiza el ablandamiento del cuarzo,
convirtiéndose así el tubo en el cilindro macizo que constituye la
preforma. Las dimensiones de la preforma suelen ser de un metro de
longitud útil y de un centímetro de diámetro exterior.
- V.A.D Vapor Axial Deposition
Su funcionamiento se basa en la técnica desarrollada por la Nippon Telephone and Telegraph (N.T.T), muy utilizado en Japón
por compañías dedicadas a la fabricación de fibras ópticas. La materia
prima que utiliza es la misma que el método M.C.V.D, su diferencia con
éste radica, que en este último solamente se depositaba el núcleo,
mientras que en este además del núcleo de la FO se deposita el
revestimiento. Por esta razón debe cuidarse que en la zona de deposición
axial o núcleo, se deposite más dióxido de germanio que en la
periferia, lo que se logran a través de la introducción de los
parámetros de diseño en el software que sirve de apoyo en el proceso de
fabricación. A partir de un cilindro de vidrio auxiliar que sirve de
soporte para la preforma, se inicia el proceso de creación de ésta,
depositándose ordenadamente los materiales, a partir del extremo del
cilindro quedando así conformada la llamada "preforma porosa". Conforme
su tasa de crecimiento se va desprendiendo del cilindro auxiliar de
vidrio. El siguiente paso consiste en el colapsado, donde se somete la
preforma porosa a una temperatura comprendida entre los 1.500 °C y
1.700 °C, lográndose así el reblandecimiento del cuarzo. Quedando
convertida la preforma porosa hueca en su interior en el cilindro macizo
y transparente, mediante el cual se suele describir la preforma.
Comparado con el método anterior (M.C.V.D) tiene la ventaja de que
permite obtener preformas con mayor diámetro y mayor longitud, a la vez
que precisa un menor aporte energético. El inconveniente más destacado
es la sofisticación del equipamiento necesario para su realización.
- O.V.D Outside Vapor Deposition
Desarrollado por Corning Glass Work. Parte de una varilla de
substrato cerámica y un quemador. En la llama del quemador son
introducidos los cloruros vaporosos y ésta caldea la varilla. A
continuación se realiza el proceso denominado síntesis de la preforma,
que consiste en el secado de la misma mediante cloro gaseoso y el
correspondiente colapsado de forma análoga a los realizados con el
método V.A.D, quedando así sintetizados el núcleo y revestimiento de la
preforma.
Entre las Ventajas, es de citar que las tasas de deposición que se alcanzan son del orden de
, lo que representa una tasa de fabricación de FO de
,
habiendo sido eliminadas las pérdidas iniciales en el paso de estirado
de la preforma. También es posible la fabricación de fibras de muy baja
atenuación y de gran calidad mediante la optimización en el proceso de
secado, porque los perfiles así obtenidos son lisos y sin estructura
anular reconocible.
- P.C.V.D Plasma Chemical Vapor Deposition
Es desarrollado por Philips, se caracteriza por la obtención de
perfiles lisos sin estructura anular reconocible. Su principio se basa
en la oxidación de los cloruros de silicio y germanio, creando en éstos
un estado de plasma, seguido del proceso de deposición interior.
La etapa de estirado de la preforma
Sea cualquiera que se utilice de las técnicas que permiten la
construcción de la preforma, es común a todas el proceso de estirado de
ésta. Consiste básicamente en la existencia de un horno
tubular abierto, en cuyo interior se somete la preforma a una
temperatura de 2.000 °C, logrando así el reblandecimiento del cuarzo y
quedando fijado el diámetro
exterior de la FO. Este diámetro se ha de mantener constante mientras
se aplica una tensión sobre la preforma, para lograr ésto precisamente
la constancia y uniformidad en la tensión de tracción y la ausencia de
corrientes de convección en el interior del horno, son los factores que
lo permiten. En este proceso se ha de cuidar que en la atmósfera
interior del horno esté aislada de partículas provenientes del exterior
para evitar que la superficie reblandecida de la FO pueda ser
contaminada, o se puedan crear microfisuras, con la consecuente e
inevitable rotura de la fibra. También es aquí donde se aplica a la
fibra un material sintético, que generalmente es un polimerizado
viscoso, el cual posibilita las elevadas velocidades de estirado,
comprendidas entre
y
,
conformándose así una capa uniforme sobre la fibra totalmente libre de
burbujas e impurezas. Posteriormente se pasa al endurecimiento de la
protección antes descrita quedando así la capa definitiva de polímero elástico. Esto se realiza habitualmente mediante procesos térmicos o a través de procesos de reacciones químicas mediante el empleo de radiaciones ultravioletas.
Aplicaciones
Su uso es muy variado: desde comunicaciones digitales y joyas,
pasando por sensores y llegando a usos decorativos, como árboles de
Navidad, veladores y otros elementos similares. Aplicaciones de la fibra
monomodo: Cables submarinos, cables interurbanos, etc.
1998 joya en Fibra óptica oro blanco y diamantes ganadora de competencia de design en Tokio
Comunicaciones con fibra óptica
La fibra óptica se emplea como medio de transmisión para las redes de
telecomunicaciones, ya que por su flexibilidad los conductores ópticos
pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de
plástico o de vidrio, y algunas veces de los dos tipos. Para usos
interurbanos son de vidrio, por la baja atenuación que tienen.
El FTP
La fibra óptica posee una variante llamada FTP (No confundir con el protocolo FTP)
El FTP , o Par trenzado de fibra óptica en español, es la combinación
de la fiabilidad del par trenzado y la velocidad de la fibra óptica, se
emplea solo en instalaciones científico-militares gracias a la
velocidad de transmisión 10gb/s, no está disponible para el mercado
civil actualmente, su costo es 3 veces mayor al de la fibra óptica.
Para las comunicaciones se emplean fibras multimodo y monomodo,
usando las multimodo para distancias cortas (hasta 500 m) y las monomodo
para acoplamientos de larga distancia. Debido a que las fibras monomodo
son más sensibles a los empalmes, soldaduras y conectores, las fibras y
los componentes de éstas son de mayor costo que los de las fibras
multimodo.
Sensores de fibra óptica
Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir la
tensión, la temperatura, la presión y otros parámetros. El tamaño
pequeño y el hecho de que por ellas no circula corriente eléctrica le da
ciertas ventajas respecto al sensor eléctrico.
Las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para los sismos o aplicaciones de sónar.
Se ha desarrollado sistemas hidrofónicos con más de 100 sensores usando
la fibra óptica. Los hidrófonos son usados por la industria de petróleo
así como las marinas de guerra de algunos países. La compañía alemana Sennheiser desarrolló un micrófono que trabajaba con un láser y las fibras ópticas.
Los sensores de fibra óptica para la temperatura
y la presión se han desarrollado para pozos petrolíferos. Estos
sensores pueden trabajar a mayores temperaturas que los sensores de
semiconductores.
Otro uso de la fibra óptica como un sensor es el giroscopio óptico que usa el Boeing 767 y el uso en microsensores del hidrógeno.
Iluminación
Otro uso que le podemos dar a la fibra óptica es el de iluminar
cualquier espacio. Debido a las ventajas que este tipo de iluminación
representa en los últimos años ha empezado a ser muy utilizado.
Entre las ventajas de la iluminación por fibra podemos mencionar:
- Ausencia de electricidad y calor: Esto se debe a que la fibra sólo
tiene la capacidad de transmitir los haces de luz además de que la
lámpara que ilumina la fibra no está en contacto directo con la misma.
- Se puede cambiar de color la iluminación sin necesidad de cambiar la
lámpara: Esto se debe a que la fibra puede transportar el haz de luz de
cualquier color sin importar el color de la fibra.
- Con una lámpara se puede hacer una iluminación más amplia por medio
de fibra: Esto es debido a que con una lámpara se puede iluminar varias
fibras y colocarlas en diferentes lugares.
Más usos de la fibra óptica
- Se puede usar como una guía de onda en aplicaciones médicas o
industriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un blanco
que no se encuentra en la línea de visión.
- La fibra óptica se puede emplear como sensor para medir tensiones, temperatura, presión así como otros parámetros.
- Es posible usar latiguillos de fibra junto con lentes para fabricar
instrumentos de visualización largos y delgados llamados endoscopios.
Los endoscopios se usan en medicina para visualizar objetos a través de
un agujero pequeño. Los endoscopios industriales se usan para propósitos
similares, como por ejemplo, para inspeccionar el interior de turbinas.
- Las fibras ópticas se han empleado también para usos decorativos incluyendo iluminación, árboles de Navidad.
- Líneas de abonado
- Las fibras ópticas son muy usadas en el campo de la iluminación.
Para edificios donde la luz puede ser recogida en la azotea y ser
llevada mediante fibra óptica a cualquier parte del edificio.
- Se emplea como componente en la confección del hormigón translúcido,
invención creada por el arquitecto húngaro Ron Losonczi, que consiste
en una mezcla de hormigón y fibra óptica formando un nuevo material que
ofrece la resistencia del hormigón pero adicionalmente, presenta la
particularidad de dejar traspasar la luz de par en par.
Características
La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas.
Núcleo y revestimiento de la fibra óptica.
Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz
llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se
refleja en gran parte, cuanto mayor sea la diferencia de índices y
mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión interna
total.
En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra
las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente
avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales
luminosas sin pérdidas por largas distancias.
A lo largo de toda la creación y desarrollo de la fibra óptica,
algunas de sus características han ido cambiando para mejorarla. Las
características más destacables de la fibra óptica en la actualidad son:
- Cobertura más resistente: La cubierta contiene un 25% más material que las cubiertas convencionales.
- Uso dual (interior y exterior): La resistencia al agua y emisiones
ultravioleta, la cubierta resistente y el funcionamiento ambiental
extendido de la fibra óptica contribuyen a una mayor confiabilidad
durante el tiempo de vida de la fibra.
- Mayor protección en lugares húmedos: Se combate la intrusión de la
humedad en el interior de la fibra con múltiples capas de protección
alrededor de ésta, lo que proporciona a la fibra, una mayor vida útil y
confiabilidad en lugares húmedos.
- Empaquetado de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el
menor diámetro posible se consigue una más rápida y más fácil
instalación, donde el cable debe enfrentar dobleces agudos y espacios
estrechos. Se ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de
construcción súper densa cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables
convencionales.
Funcionamiento
Los principios básicos de su funcionamiento se justifican aplicando
las leyes de la óptica geométrica, principalmente, la ley de la
refracción (principio de reflexión interna total) y la
ley de Snell.
Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un
haz de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se
refleje y se siga propagando. Esto se consigue si el índice de
refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del
revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al
ángulo límite.
Ventajas
- Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del orden del Ghz).
- Pequeño tamaño, por lo tanto ocupa poco espacio.
- Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita la instalación enormemente.
- Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilómetro,
lo que resulta unas nueve veces menos que el de un cable convencional.
- Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo
que implica una calidad de transmisión muy buena, ya que la señal es
inmune a las tormentas, chisporroteo...
- 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 nivel de confidencialidad.
- No produce interferencias.
- Insensibilidad a los parásitos, lo que es una propiedad
principalmente utilizada en los medios industriales fuertemente
perturbados (por ejemplo, en los túneles del metro). Esta propiedad
también permite la coexistencia por los mismos conductos de cables
ópticos no metálicos con los cables de energía eléctrica.
- Atenuación muy pequeña independiente de la frecuencia, lo que
permite salvar distancias importantes sin elementos activos intermedios.
Puede proporcionar comunicaciones hasta los 70 km. antes de que sea
necesario regenerar la señal, además, puede extenderse a 150 km.
utilizando amplificadores láser.
- Gran resistencia mecánica (resistencia a la tracción, lo que facilita la instalación).
- Resistencia al calor, frío, corrosión.
- Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en
la telemetría, lo que permite detectar rápidamente el lugar y posterior
reparación de la avería, simplificando la labor de mantenimiento.
- Con un coste menor respecto al cobre.
- Factores ambientales.
Desventajas
A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las siguientes:
- La alta fragilidad de las fibras.
- Necesidad de usar transmisores y receptores más caros.
- Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente
en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del
cable.
- No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.
- La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.
- La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.
- No existen memorias ópticas.
- La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su
aplicación donde el terminal de recepción debe ser energizado desde una
línea eléctrica. La energía debe proveerse por conductores separados.
- Las moléculas de hidrógeno pueden difundirse en las fibras de
silicio y producir cambios en la atenuación. El agua corroe la
superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo más importante para el
envejecimiento de la fibra óptica.
- Incipiente normativa internacional sobre algunos aspectos referentes
a los parámetros de los componentes, calidad de la transmisión y
pruebas.
Tipos
Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el
interior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo
de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y
monomodo.
Fibra multimodo
Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden
circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a
la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación
de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta
distancia, menores a 2 km, es simple de diseñar y económico.
El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción
superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido
al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de
conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.
Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo:
- Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice
de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta
dispersión modal.
- Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es
constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye de
distintos materiales.
Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras
multimodo según su ancho de banda se incluye el +pichar (multimodo sobre
láser) a los ya existentes OM1 y OM2 (multimodo sobre LED).
- OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
- OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
- OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan láser (VCSEL) como emisores.
Bajo OM3 se han conseguido hasta 2000 MHz km (10 Gbit/s), es decir, una velocidades 10 veces mayores que con OM1.
Fibra monomodo
Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un
modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra
hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de
propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia
de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes
distancias (hasta 400 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y
transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gbit/s).
Tipos según su diseño
De acuerdo a su diseño, existen dos tipos de cable de fibra óptica
Cable de estructura holgada
Es un cable empleado tanto para exteriores como para interiores que
consta de varios tubos de fibra rodeando un miembro central de refuerzo y
provisto de una cubierta protectora. Cada tubo de fibra, de dos a tres
milímetros de diámetro, lleva varias fibras ópticas que descansan
holgadamente en él. Los tubos pueden ser huecos o estar llenos de un gel
hidrófugo que actúa como protector antihumedad impidiendo que el agua
entre en la fibra. El tubo holgado aísla la fibra de las fuerzas
mecánicas exteriores que se ejerzan sobre el cable.
Su núcleo se complementa con un elemento que le brinda resistencia a
la tracción que bien puede ser de varilla flexible metálica o
dieléctrica como elemento central o de hilaturas de Aramida o fibra de
vidrio situadas periféricamente.
Cable de estructura ajustada
Es un cable diseñado para instalaciones en el interior de los
edificios, es más flexible y con un radio de curvatura más pequeño que
el que tienen los cables de estructura holgada.
Contiene varias fibras con protección secundaria que rodean un
miembro central de tracción, todo ello cubierto de una protección
exterior. Cada fibra tiene una protección plástica extrusionada
directamente sobre ella, hasta alcanzar un diámetro de 900 µm rodeando
al recubrimiento de 250 µm de la fibra óptica. Esta protección plástica
además de servir como protección adicional frente al entorno, también
provee un soporte físico que serviría para reducir su coste de
instalación al permitir reducir las bandejas de empalmes.
Componentes de la fibra óptica
Dentro de los componentes que se usan en la fibra óptica caben
destacar los siguientes: los conectores, el tipo de emisor del haz de
luz, los conversores de luz, etc.
Transmisor de energía óptica. Lleva un modulador para transformar la
señal electrónica entrante a la frecuencia aceptada por la fuente
luminosa, la cual convierte la señal electrónica (electrones) en una
señal óptica (fotones) que se emite a través de la fibra óptica.
Detector de energía óptica. Normalmente es un fotodiodo que convierte
la señal óptica recibida en electrones (es necesario también un
amplificador para generar la señal)
Su componente es el silicio y se conecta a la fuente luminosa y al
detector de energía óptica. Dichas conexiones requieren una tecnología
compleja.
Tipos de pulido
Los extremos de la fibra necesitan un acabado específico en función de su forma de conexión. Los acabados más habituales son:
- Plano: Las fibras se terminan de forma plana perpendicular a su eje.
- PC: (Phisical Contact) Las fibras son terminadas de forma convexa, poniendo en contacto los núcleos de ambas fibras.
- SPC: (Super PC) Similar al PC pero con un acabado más fino. Tiene menos pérdidas de retorno.
- UPC: (Ultra PC) Similar al anterior pero aún mejor.
- Enhanced UPC: Mejora del anterior para reducir las pérdidas de retorno.
- APC: (Angled PC) Similar al UPC pero con el plano de corte
ligeramente inclinado. Proporciona unas pérdidas similares al Enhanced
UPC.
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:
Tipos de conectores de la fibra óptica.
- 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%.
- de compuestos de los grupos III y V.
Cables de fibra óptica
Sección de un cable de fibra óptica.
Conectores de
cable de fibra óptica tipo ST.
Un cable
de fibra óptica está compuesto por un grupo de fibras ópticas por el
cual se transmiten señales luminosas. Las fibras ópticas comparten su
espacio con hiladuras de aramida que le confieren la necesaria
resistencia a la tracción.
Los cables de fibra óptica proporcionan una alternativa sobre los coaxiales en la industria de la electrónica y las telecomunicaciones.
Así, un cable con 8 fibras ópticas tiene un tamaño bastante más pequeño
que los utilizados habitualmente, puede soportar las mismas
comunicaciones que 60 cables de 1623 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8 tubos, todo ello con una distancia entre repetidores mucho mayor.
Por otro lado, el peso del cable de fibra óptica es muchísimo menor
que el de los coaxiales, ya que una bobina del cable de 8 fibras antes
citado puede pesar del orden de 30 kg/km,
lo que permite efectuar tendidos de 2 a 4 km de una sola vez, mientras
que en el caso de los cables de cobre no son prácticas distancias
superiores a 250 - 300 m.
La “fibra óptica” no se suele emplear tal y como se obtiene tras su
proceso de creación (tan sólo con el revestimiento primario), sino que
hay que dotarla de más elementos de refuerzo que permitan su instalación
sin poner en riesgo al vidrio que la conforma. Es un proceso difícil de
llevar a cabo, ya que el vidrio es quebradizo y poco dúctil. Además, la
sección de la fibra es muy pequeña, por lo que la resistencia que
ofrece a romperse es prácticamente nula. Es por tanto necesario
protegerla mediante la estructura que denominamos cable.
Las funciones del cable
Las funciones del cable de fibra óptica son varias. Actúa como
elemento de protección de la(s) fibra(s) óptica(s) que hay en su
interior frente a daños y fracturas que puedan producirse tanto en el
momento de su instalación como a lo largo de la vida útil de ésta.
Además, proporciona suficiente consistencia mecánica para que pueda
manejarse en las mismas condiciones de tracción, compresión, torsión y
medioambientales que los cables de conductores. Para ello incorporan
elementos de refuerzo y aislamiento frente al exterior.
Instalación y explotación
Referente a la instalación y explotación del cable, nos encontramos
frente a la cuestión esencial de qué tensión es la máxima que debe
admitirse durante el tendido para que el cable no se rompa y se
garantice una vida media de unos 20 años.
Técnicas de empalme: Los tipos de empalmes pueden ser:
- Empalme mecánico con el cual se pueden provocar pérdidas del orden de 0,5 dB.
- Empalme con pegamentos con el cual se pueden provocar pérdidas del orden de 0,2 dB.
- Empalme por fusión de arco eléctrico con el cual se logran pérdidas del orden de 0,02 dB.
Elementos y diseño del cable de fibra óptica
La estructura de un cable de fibra óptica dependerá en gran medida de
la función que deba desempeñar esa fibra. A pesar de esto, todos los
cables tienen unos elementos comunes que deben ser considerados y que
comprenden: el revestimiento secundario de la fibra o fibras que
contiene; los elementos estructurales y de refuerzo; la funda exterior
del cable, y las protecciones contra el agua. Existen tres tipos de
“revestimiento secundario”:
- “Revestimiento ceñido”: Consiste en un material (generalmente
plástico duro como el nylon o el poliéster) que forma una corona anular
maciza situada en contacto directo con el revestimiento primario. Esto
genera un diámetro externo final que oscila entre 0’5 y 1 mm. Esto
proporciona a la fibra una protección contra microcurvaturas, con la
salvedad del momento de su montaje, que hay que vigilar que no las
produzca ella misma.
- “Revestimiento holgado hueco”: Proporciona una cavidad
sobredimensionada. Se emplea un tubo hueco extruido (construido pasando
un metal candente por el plástico) de material duro, pero flexible, con
un diámetro variable de 1 a 2 mm. El tubo aísla a la fibra de
vibraciones y variaciones mecánicas y de temperatura externas.
- “Revestimiento holgado con relleno”: El revestimiento holgado
anterior se puede rellenar de un compuesto resistente a la humedad, con
el objetivo de impedir el paso del agua a la fibra. Además ha de ser
suave, dermatológicamente inocuo, fácil de extraer, autorregenerativo y
estable para un rango de temperaturas que oscila entre los ¬ 55 y los
85 °C Es frecuente el empleo de derivados del petróleo y compuestos de
silicona para este cometido.
Elementos estructurales
Los elementos estructurales no son cable y tienen como misión
proporcionar el núcleo alrededor del cual se sustentan las fibras, ya
sean trenzadas alrededor de él o dispersándose de forma paralela a él en
ranuras practicadas sobre el elemento a tal efecto.
Elementos de refuerzo
Tienen por misión soportar la tracción a la que éste se ve sometido
para que ninguna de sus fibras sufra una elongación superior a la
permitida. También debe evitar posibles torsiones. Han de ser materiales
flexibles y, ya que se emplearán kilómetros de ellos han de tener un
coste asequible. Se suelen utilizar materiales como el acero, Kevlar y
la fibra de vidrio.
Funda
Por último, todo cable posee una funda, generalmente de plástico cuyo
objetivo es proteger el núcleo que contiene el medio de transmisión
frente a fenómenos externos a éste como son la temperatura, la humedad,
el fuego, los golpes externos, etc. Dependiendo de para qué sea
destinada la fibra, la composición de la funda variará. Por ejemplo, si
va a ser instalada en canalizaciones de planta exterior, debido al peso y
a la tracción bastará con un revestimiento de polietileno extruido. Si
el cable va a ser aéreo, donde sólo importa la tracción en el momento de
la instalación nos preocupará más que la funda ofrezca resistencia a
las heladas y al viento. Si va a ser enterrado, querremos una funda que,
aunque sea más pesada, soporte golpes y aplastamientos externos. En el
caso de las fibras submarinas la funda será una compleja superposición
de varias capas con diversas funciones aislantes.
Pérdida en los cables de Fibra Óptica
A la pérdida de potencia a través del medio se conoce como
Atenuación, es expresada en decibelios, con un valor positivo en dB, es
causada por distintos motivos, como la disminución en el ancho de banda
del sistema, velocidad, eficiencia. La fibra de tipo multimodal, tiene
mayor pérdida debido a que la onda luminosa se dispersa originada por
las impurezas. Las principales causas de pérdida en el medio son:
- Pérdidas por absorción
- Pérdida de Rayleigh
- Dispersión cromática
- Pérdidas por radiación
- Dispersión modal
- Pérdidas por acoplamiento
Pérdidas por absorción. Ocurre cuando las impurezas en la
fibra absorben la luz, y esta se convierte en energía calorífica; las
pérdidas normales van de 1 a 1000 dB/Km.
Pérdida de Rayleigh. En el momento de la manufactura de la
fibra, existe un momento donde no es líquida ni sólida y la tensión
aplicada durante el enfriamiento puede provocar microscópicas
irregularidades que se quedan permanentemente; cuando los rayos de luz
pasan por la fibra, estos se difractan haciendo que la luz vaya en
diferentes direcciones.
Dispersión cromática. Esta dispersión sólo se observa en las
fibras tipo unimodal, ocurre cuando los rayos de luz emitidos por la
fuente y se propagan sobre el medio, no llegan al extremo opuesto en el
mismo tiempo; esto se puede solucionar cambiando el emisor fuente.
Pérdidas por radiación. Estas pérdidas se presentan cuando la
fibra sufre de dobleces, esto puede ocurrir en la instalación y
variación en la trayectoria, cuando se presenta discontinuidad en el
medio.
Dispersión modal. Es la diferencia en los tiempos de propagación de los rayos de luz.
Pérdidas por acoplamiento. Las pérdidas por acoplamiento se dan cuando existen uniones de fibra, se deben a problemas de alineamiento.
Conectores
Los conectores más comunes usados en la fibra óptica para redes de área local son los conectores ST,LC,FC Y SC.
El conector SC (Set and Connect) es un conector de inserción directa que suele utilizarse en conmutadores Ethernet de tipo Gigabit.
El conector ST (Set and Twist) es un conector similar al SC, pero
requiere un giro del conector para su inserción, de modo similar a los conectores coaxiales.
Estándar y protocolo de canal de fibra
Estándar
El estándar Fibre Channel FCS por sus siglas en inglés, define un
mecanismo de transferencia de datos de alta velocidad, que puede ser
usado para conectar estaciones de trabajo, mainframes,
supercomputadoras, dispositivos de almacenamiento, por ejemplo. FCS está
dirigido a la necesidad de transferir a muy alta velocidad un gran
volumen de información y puede reducir a los sistemas de manufactura, de
la carga de soportar una gran variedad de canales y redes, así mismo
provee de un solo estándar para las redes, almacenamiento y la
transferencia de datos.
Protocolo UNI
Es la interfaz entre el protocolo
SCSI y el canal de fibra.
Las principales características son las siguientes:
- Lleva a cabo de 266 Mbit/s a 4 Gbit/s.
- Soporta tanto medios ópticos como eléctricos, trabajando de 133 Mbit/s a 1062 Mbit/s con distancias superiores a 10 km.
- Soporte para múltiples niveles de costo y performance.
- Habilidad para transmitir múltiples juegos de comandos, incluidos IP, SCSI, IPI, HIPPI-FP, audio y video.
El canal de fibra consiste en las siguientes capas:
- FC-0 – La interface hacia la capa física
- FC-1- La codificación y decodificación de los datos capa de enlace.
- FC-2- La transferencia de tramas, secuencias e intercambio, comprende el protocolo de unidad de información (PDU´s).
- FC-3- Servicios comunes requeridos para las características avanzadas como el desarmado de tramas y multicast.
- FC-4- Interface de aplicación que puede ejecutarse sobre el canal de fibra como el protocolo de canal de fibra para SCSI (FCP)
Tipos de dispersión
La dispersión es la propiedad física inherente de las fibras ópticas,
que define el ancho de banda y la interferencia ínter simbólica (ISI).
- Dispersión intermodal: también conocida como dispersión modal, es
causada por la diferencia en los tiempos de propagación de los rayos de
luz que toman diferentes trayectorias por una fibra. Este tipo de
dispersión solo afecta a las fibras multimodo.
- Dispersión intramodal del material: esto es el resultado de las
diferentes longitudes de onda de la luz que se propagan a distintas
velocidades a través de un medio dado.
- Dispersión intramodal de la guía de onda: Es función del ancho de
banda de la señal de información y la configuración de la guía
generalmente es más pequeña que la dispersión anterior y por lo cual se
puede despreciar.
