FIBRA OPTICA
INTRODUCCION
-Transmisión o Transporte: la forma de conectar los elementos
de conmutación entre si, puede ser local o de larga distancia.
Central
telefónica
Figura
1.8.-Opciones de medios de acceso a redes de telecomunicaciones.
Tenemos diversas ventajas que favorecen la
utilización de las fibras óptica sobre redes de telecomunicaciones.
Esta no linealidad ocurre en sistemas de modulación intensos cuando las señales ópticas interactúan con las ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la fibra de Si. Esta interacción dispersa la luz y la cambia a una longitud de onda mayor.
Una
vez teniendo la preforma cilíndrica se procede a estirarla hasta que quede tan
delgada como el cabello humano. Este proceso consiste en calentar la prefroma
hasta que se derrita. Dos rodillos se encargan de jalar con fuerza necesaria
para obtener el diámetro de 125 mm. Un rayo
láser monitorea todo el proceso de estirado, si el diámetro se pasa de los 125 mm
los rodillos jalaran con mas fuerza y sie el diámetro de la fibra es menor a
los 125 mm los rodillos
jalaran con menos fuerza para compensar en diámetro requerido. Después de esto
se pasa la fibra por una etapa de bañado de pintura que es la protección
primaria y después será enrollada en la bobina la cual es el producto final de
los fabricantes de fibra óptica.
Este
es el primer elemento del sistema de comunicaciones basado en fibras ópticas y
a continuación se muestra un proceso de transmisión y recepción que simultáneamente
se lleva a cabo dentro del sistema de transmisión:
El
primer paso es recibir la señal óptica con los pulsos atenuados y ensanchados y
convertirla en una señal eléctrica, esta señal eléctrica se regenera la
sincronía mediante un circuito conocido como PLL (Phased Locked Loop).Este circuito consta de un oscilador interno
que varía a la velocidad nominal de la señal eléctrica en cuestión y que va
corrigiendo su fase mediante la comparación de la misma con la fase de la señal
entrante. Con esta sincronía regenerada se va leyendo la información y si se
identifica un uno se regenera un uno y así también con los ceros de manera que
se tiene una señal 100% renovada como se ve a la derecha del circuito de
regeneración de pulsos.Por ultimo esta señal es de nuevo convertida en una
señal óptica a fin de que continúe hasta el siguiente regenerador o punto
terminal.
Protección
básica
En poco más de 10 años la fibra óptica se ha convertido en una
de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de
información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las
telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en
la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias
hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía
telefónica.
Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza
extremadamente compactos: El grosor de una fibra es similar a la de un cabello
humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de
elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice
de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y
evite las desviaciones, entre sus principales características se puede
mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia
capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son
inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia.
Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto
son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y
pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de
tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de
protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran
ancho de banda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de
transmisión con el fin de reducir el costo por canal; De esta forma es
considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de cobre.
Con un cable de seis fibras se puede transportar la señal de más
de cinco mil canales o líneas principales, mientras que se requiere de 10,000
pares de cable de cobre convencional para brindar servicio a ese mismo número
de usuarios, con la desventaja que este último medio ocupa un gran espacio en
los ductos y requiere de grandes volúmenes de material, lo que también eleva
los costos.
Comparado con el sistema convencional de cables de cobre donde
la atenuación de sus señal, (Decremento o reducción de la onda o frecuencia) es
de tal magnitud que requieren de repetidores cada dos kilómetros para regenerar
la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de
hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo que también
hace más económico y de fácil mantenimiento este material.
Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de
transmisión debido a su enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha
planteado para un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía,
automatización industrial, computación, sistemas de televisión por cable y
transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre
otros
Fibra Óptica
Como Portadora de Información.
EL MODELO DE RED Y LAS EXIGENCIAS DE UNA RED ACTUAL
El personal del área de operaciones de las empresas de
telecomunicaciones esta dividida en dos áreas: Conmutación y Transmisión. De
estos dos grupos se derivan cuatro bloques importantes para una red de
telecomunicaciones y son los siguientes:
-Transmisión o Transporte: la forma de conectar los elementos
de conmutación entre si, puede ser local o de larga distancia.
-Conmutación: los equipos responsables de establecer la
comunicación entre dos extremos es decir los usuarios o los clientes.
-Acceso: La forma de conectar las
instalaciones del usuario con la empresa que le prestara el servicio.
-Equipo Terminal: equipo situado en las
instalaciones del cliente para aprovechar
un servicio de telecomunicaciones.
Los
elementos que componen el modelo de red,
todos son de suma importancia en el proceso de
comunicación, pues si alguno de ellos faltara simplemente no se podría dar la misma.
El
elemento de conmutación es el más importante, pues este es quien define que tipo de servicio se brinda.
El
elemento de Conmutación.El
elemento de conmutación es quien
propiamente se encarga de establecer la comunicación entre un punto con otro, dependiendo como sea
llevado acabo esta tarea será el servicio ofrecido.En general
existen tres tipos de elementos de conmutación y en consecuencia tres tipos de servicios de
telecomunicaciones. En la siguiente tabla
se muestran los diferentes elementos de conmutación, así como los servicios que
de estos se desprenden.
Central
telefónica
Mediante
este elemento de conmutación es posible establecer conexiones dinámicas
basadas en circuitos de 64 kps. Cuando
se establece una llamada telefónica de un extremo a otro, se establece una conexión de 64 kps
en ambos sentidos, la cual es reservada para uso exclusivo de los dos extremos en comunicación mientras la llamada dure.El
servicio que se ofrece es conmutado porque en la contratación del mismo
solo se especifica un extremo de la
comunicación, el otro extremo será definido de manera dinámica mediante un plan
de numeración y algún esquema de
marcación.
Los crossconectores dentro de una red de
transporte pueden establecer conexiones a diferentes velocidades, comenzando en 64 kps (E0) ,2.048 Mbps (E1) y en la
actualidad también a velocidades de la jerarquía digital SDH como 155 Mbps
(STM-1)Los
servicios ofrecidos a través de este elemento se conocen como servicios dedicados, y a
diferencia de los servicios conmutados, en la contratación del servicio se
definen los extremos que estarán en
comunicación, reservando así canales exclusivos y permanentes a lo largo de la
red de transporte.
Este
principio de conmutación consiste en etiquetar la información de los usuarios y hacerla viajar del mismo
medio de comunicación, aprovechando los instantes en que un usuario no envía
información para enviar la de otro,
claro con el compromiso de experimentar congestión o retardo en ciertos
momentos pero a un bajo costo.
El
elemento de transporte
Un
enlace de transporte se distingue por dos elementos. El primero que nos define
fisicamente el medio de transmisión que será utilizado para llevar la
información, como lo puede ser la fibra óptica (FO), las microondas (MO), el satélite, el par de cobre
o cable coaxial.
El segundo elemento es el modo de transmisión, este nos define de
qué forma será llevada la información, así como la cantidad de información que
podrá transportarse de manera simultánea. En formato analógico o digital y con técnicas de múltiplexación FDM o TDM (PDH y SDH).
El
elemento de acceso
La red de acceso es la que permite a un
usuario de un servicio de
telecomunicaciones conectarse a una red para hacer uso de dicho servicio. La
red de acceso tradicional es la que encontramos en la red telefónica pública.
Nos referimos a la red constituida por todos los pares de cobre
que permiten al aparato telefónico conectarse a una central telefónica
local.
Fibra Óptica Como
Portadora de Información.
Las
fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente
compactos: El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano.
Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es
controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción
de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las
desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son
compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de
transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las
interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia.
Las
fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para
incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en
condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar altas
diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay
problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran ancho de banda, que
puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de
reducir el costo por canal; De esta forma es considerable el ahorro en volumen
en relación con los cables de cobre.
2 LAS FIBRAS ÓPTICAS COMO MEDIO DE TRANSMISIÓN
2.1 MARCO HISTÓRICO
Las
comunicaciones por ondas de luz guiadas fueron consideradas por primera vez
hace más de 100 años. En 1854 John Tyndall
expuso los conceptos en donde se discutía la reflexión interna de la luz,
principio fundamental para las comunicaciones mediante señales de luz guiadas
por fibras ópticas.
En
1880, Alexander Graham Bell hablo de la posibilidad de transmitir señales
usando un haz de luz y en 1884 invento el fotófono, con el cual logro una
transmisión a una distancia de 200 metros.
En
1934,AT&T obtiene la patente para una guía de onda óptica y al inicio de
los años 60 se inventas el LASER (Light
Amplification by Simulated Emision of Radiation). Hasta antes de 1970 la
implementación de comunicaciones ópticas mediante guías de onda de luz estuvo
restringida a distancias muy cortas, debido a las altas atenuaciones de la guía
de onda óptica.
En
1966 se implementan las primeras fibras ópticas de forma experimental y
operando con atenuaciones de 1000 dB/km.En 1970 la compañía Corning Glass logró
producir una fibra de silicio (SiO2), con atenuaciones de 20 dB/km
aproximadamente. Por otro lado, el desarrollo de las fuentes de luz LED y LASER
comenzaron a madurar por esas fechas, esto permitió la transmisión de señales
sobre unos cuantos kilómetros.
Tenemos diversas ventajas que favorecen la
utilización de las fibras óptica sobre redes de telecomunicaciones.
-Muy
altas capacidades, en el orden de los
Tbps.
-Calidad
en transmisión, en el orden de BER=10-12
-Niveles
bajos de atenuación, en el orden de 0.2 dB/km.
-Respuesta
a la frecuencia plana dentro de las ventanas ópticas, por lo tanto se prescinde
prácticamente
de ecualización.
-Distancia
grande entre repetidores, entre 150 y 600 kms.
-Inmunidad
a ruidos e interferencias.
-Menor
costo por circuito que cualquier otro medio.
-Cables
más ligeros, pequeños y flexibles.
-No
generan interferencia y por lo tanto no existe la diafonía.
-Seguridad
en la transmisión.
DESVENTAJAS DE LAS
FIBRAS ÓPTICAS
ATENUACIÓN
La
curva tiene tres características principales. Una gran tendencia de atenuarse
conforme se incrementa la longitud de onda (Dispersión Rayleigh),
Atenuación en los picos de absorción asociados con el ión hidroxyl (OH-),
y Una tendencia por la atenuación para
incrementar las longitudes de onda por arriba de los 1.6 um, debidas a las
pérdidas inducidas por la absorción del silicio.
Nuevos
sistemas de transmisión usan fibras multimodo, operadas en la primera ventana
de longitud de onda cercana a las .85 um, mostrado en la figura 3, y después en
la segunda ventana cerca de 1.3 um. Una fibra de modo simple primeramente opera
en la segunda ventana, donde la atenuación de la fibra es típicamente menor que
0.35 dB/Km. Sin embargo la región de menos pérdida ( típicamente pérdidas
cercanas a las 0.20 dB/Km) permanece en una longitud de onda amplia y los
laceres y receptores operan en esa ventana cercanos a 1.55 um, estos llegaron a
ser disponibles a finales de los 80´s.
DISPERSIÓN
La
dispersión cromática describe la
tendencia para diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades
en una fibra. En longitudes onda donde la dispersión cromática es alta, los
pulsos ópticos tienden a expandirse en el tiempo y provocar interferencia, lo
cual puede producir una inaceptable velocidad del bit, la dispersión cromática
cambia con la longitud de onda para tres diferentes tipos de fibra. La
dispersión cromática de una fibra consiste de dos componentes - Material y Guía de Onda, el
componente material depende de las características de dispersión de los
dopantes y del silicio de construcción. Estos materiales no ofrecen mucha
flexibilidad a ajustes significantes en la dispersión de la fibra, así que ese
esfuerzo se ha enfocado en alterar la dispersión de guías de ondas de las
fibras ópticas.
POLARIZACIÓN
Polarización es la propiedad
de la luz la cual está relacionada con la dirección de sus vibraciones, el
viaje de la luz en una fibra típica puede vibrar en uno o dos modos de
polarizaciónLa figura 4 muestra los dos
modos principales de una fibra asimétrica que es uniforme a lo largo de su
longitud. El modo en el eje X es arbitrariamente etiquetado con un modo lento,
mientras que en el eje Y es etiquetado en el modo rápido. La diferencia en los
tiempos de arribo en los modos de
dispersión por polarización (PMD), es típicamente medida en pico segundos.
Sino es propiamente controlado, PMD
puede producir errores excesivos en los bits para la transmisión en sistemas digitales y que pueden
distorsionar señales de video trasmitidos usando formato de modulación
de amplitud analógico.
NO
LINEALIDAD
Niveles
de alta potencia de la fibra óptica disponibles y amplificadores ópticos
provocan señales que interactúan con la fibra en las cuales produce una variedad
de efectos no lineales, sino son controlados propiamente, estas no linealidades
pueden afectar de forma adversa al desarrollo del sistema, las no linealidades
de la fibra caen dentro de dos categorías:-dispersión
estimulada e índices de fluctuación refractivos.Los
niveles de potencia en los cuales los diferentes fenómenos no lineales se
manifiestan ellos mismos, son conocidos como thresholds.
Dispersión
Estimulada
(StimulatedScattering).
Esta no linealidad ocurre en sistemas de modulación intensos cuando las señales ópticas interactúan con las ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la fibra de Si. Esta interacción dispersa la luz y la cambia a una longitud de onda mayor.
Hay
dos formas de dispersión estimulada: -Stimlated Brillouin Scattering y
Stimulated Raman Scattering- Índices de
Fluctuaciones Refractivas ( Refractive Index Fluctuations).
Aunque
el índice de refacción de una fibra óptica de Si presenta una constante a bajos
niveles de potencia óptica, las altas potencias relacionadas con los
amplificadores ópticos pueden modular el índice variando la intensidad óptica
de la señal de transmisión.
Los
efectos de la no linealidad de los índices refractivos caen dentro de tres
categorías:-Self -Phase Modulation, Croos-Phase Modulation y Four-Wave Mixing.
COMPONENTES DE LA FIBRA
ÓPTICA
La fibra es tan pequeña y frágil, que se le ubica dentro de un cable, como se
ve en la figura.
El núcleo que consiste de vidrio de cuarzo,
tiene un índice de refracción más alto que el revestimiento de vidrio, cuarzo o
plástico que lo rodea. A su vez la superficie del revestimiento esta protegida
por una cubierta primaria de acrilato. La fibra esta protegida contra esfuerzos
mecánicos debidos al cableado, instalación, cambios de temperatura, etc., ya
que usualmente se coloca libre en el tubo que forma la cubierta secundaria.
Se
mencionan algunas de las principales aplicaciones de las fibras ópticas en las
siguientes áreas: Telecomunicaciones, Redes de Computadoras, Medicina e
Industria.
Los
aspectos principales para la propagación de luz en las fibras ópticas son:
Que
la pureza del material del núcleo sea tan alta, que la atenuación se mantenga
dentro de los límites razonables.
Que
los rayos, que por una razón u otra tiendan a cambiar su dirección de
propagación, se mantengan dentro del núcleo de la fibra.
La alta pureza fue un problema en el procesamiento del material de la fibra que
ya ha sido resuelto. Se debe tener en cuenta que tanto el índice de refracción
como la transparencia, varían con la longitud de onda y la temperatura. Una
cierta pérdida por dispersión de la fibra no puede ser evitada por razones
teóricas. A mayores longitudes de onda las perdidas aumentan debido a la
absorción de rayos infrarrojos (absorción del calor). Los rayos son mantenidos
en el núcleo debido a que el índice de refracción disminuye cuando aumenta la
distancia desde el centro de una sección transversal imaginaria del núcleo de
la fibra. Por esto el índice de refracción puede disminuir por pasos, como en
la fibra con índice escalonado o hacerlo gradualmente como en la fibra con
índice gradual. Las fibras ópticas son también unos medios especialmente
adecuados para el transporte de impulsos digitales de alta velocidad.
Formados por finos tubos de vidrio plástico o
cuarzo fundido metidos de varias milésimas de milímetro. Su nombre deriva del
hecho de que son excelentes guías de onda para los impulsos lumínicos, y se
emplean para transmitir informaciones de cualquier naturaleza transformadas en
bits, en forma de ondas electromagnéticas de elevadísimas frecuencias, iguales
a la de la luz.
Se utilizan concretamente frecuencias cercanas de infrarrojo, de unos 300
billones de hertzios, para las cuales tanto el vidrio como el cuarzo fundido
son perfectamente transparentes, mientras que la envoltura de plástico es
completamente opaca: de esta forma, las fibras ópticas tienen la gran ventaja
de evitar los fenómenos de interferencia electromagnética, lo que las hace
inmunes a las escuchas abusivas.
Las
fibras se reúnen en cables, que poseen un número variable de ellas. Los más
difundidos llevan 216 fibras, reagrupadas tres veces de seis en seis. Estos
cables resultan incluso más baratos que los cables de cobre clásicos, y también
son más ligeros manejables y fáciles de instalar. Para empalmar los cables
ópticos hay que fundir con un equipo especial.
A pesar de todas las ventajas de que
existen también hay ciertas desventajas que deben ser consideradas al momento
de tomar la decisión de instalar un enlace mediante fibras ópticas; ya que
dependiendo del escenario podría resultar que la utilización de otro medio de
transmisión sea más rentable .A
continuación las principales desventajas de las fibras ópticas:
Por
el tipo de tecnología utilizada los sistemas de transmisión todavía son más caros.
Los
conectores utilizados sobre fibras ópticas son muy caros actualmente.
El
costo-beneficio que se puede obtener depende de la distancia a cubrir, así como
el ancho de banda a utilizar.
Las
canalizaciones para redes de larga distancia tiene complicaciones dependiendo
del tipo de terreno.
La
conectorización exige nuevas técnicas y herramientas.
El
manejo de las fibras ópticas requiere mayor adiestramiento y capacitación del
personal.
Hay demasiado cobre instalado en la última milla
como para pensar que la fibra óptica lo sustituya en corto plazo. La
instalación de los cables es más sensible a las curvaturas.
APLICACIONES
PRINCIPALES DE LAS FIBRAS ÓPTICAS
Las
aplicaciones de las fibras ópticas van
más allá del campo de las telecomunicaciones .De hecho, las fibras ópticas y
las tecnologías relacionadas como el LASER están revolucionando diversos
ámbitos de la actividad humana.
Se
mencionan algunas de las principales aplicaciones de las fibras ópticas en las
siguientes áreas: Telecomunicaciones, Redes de Computadoras, Medicina e
Industria.
Telecomunicaciones
En telecomunicaciones el papel de las fibras
ópticas ha sido clave. Su utilización la encontramos en redes de larga
distancia, redes submarinas, redes de acceso, redes de televisión por cable
(CATV).Debido a su gran ancho de banda, el uso de las fibras ópticas dentro de
las telecomunicaciones está permitiendo las comunicaciones multimedia de alta
velocidad y calidad. Es decir, se están logrando comunicaciones a distancia con
la misma sensación y a través de todos los medios que podrían tener dos o más
personas, cuando llevan a cabo una comunicación presencial; lo cual esta
transformando todas las actividades humanas, como la educación, el trabajo, el
entretenimiento. etc
Redes
de computadoras
En
redes LAN la utilización del par trenzado tiene gran aceptación, pues es mucho
más económico para el cableado horizontal en donde se requieren distancias
menores a los 100 m y con lo que se obtienen velocidades en el orden de
los Mbps. Para el cableado vertical se
prefiere la utilización de fibras ópticas.
Aplicaciones
médicas
Hoy
a través del LASER es posible realizar operaciones que tenían antes demasiado
riesgo o en donde los tiempos de recuperación eran demasiado prolongados con el
uso de Endoscopios que son dispositivos construidos a base de fibras ópticas.
Aplicaciones
Industriales
Las
fibras ópticas encuentran aplicación dentro de la industria debido a su
característica de inmunidad al ruido, porque en ambientes industriales hay
altos niveles de interferencias.
3
PROPAGACIÓN DE LA LUZ
3.1 CONCEPTUALIZACIONES FÍSICAS
Definición de la luz
La
luz es una emisión continua de partículas de energía llamadas fotones. La
emisión de estos fotones se hace en forma analógica, por tanto tiene una
potencia que puede ser medida en decibeles (dB) y una frecuencia que puede
medirse en Hertz (Hz)
En
la figura anterior se muestra un esquema representativo muy sencillo de cómo
una fuente emite constantemente cantidades de fotones, mismos que forman un
flujo constante de energía que es lo que nosotros llamamos luz.Ya que hemos visto la emisión de luz a través de
una fuente de luz veamos una representación más formal en función del tiempo.
En la siguiente figura aparece la luz como una señal analógica con una potencia
Pot, en todo momento, cada cierto periodo se repite la emisión de esa potencia
La
luz tiene una frecuencia y se le llama señal analógica, esa frecuencia
corresponde al número de veces que se
repite cierta cantidad de fotones por. segundo. La
frecuencia en señales ópticas.Las
señales ópticas pueden ser vistas en función de su frecuencia, junto con las
señales de radio. En la siguiente figura se muestra la representación del
espectro ubicando todo tipo de señales según
el valor de su frecuencia.
ESTRUCTURA DE LA FIBRA
ÓPTICA
Para
describir la estructura de las fibras,
debemos saber las dimensiones de ellas. Es un hilo de vidrio de hasta 15
kilómetros de largo y de 125 micrómetros de diámetro. Tan delgado como el
cabello humano de tan sólo 70 micrómetros o micras de diámetro. Este hilo de
vidrio esta conformado por dos elementos, el núcleo y el recubrimiento,
mostrado en la figura siguiente:
Los
dos elementos son de vidrio, específicamente de sílice (óxido de silicio) y de
una pureza muy elevada. Este sílice como el resto de los vidrios, tiene un Índice
de Refracción de 1.47.La causa por la
cual se construyen las fibras ópticas con dos elementos concéntricos es para
formar un tubo con Índice de Refracción menor al cilindro que contiene, cuyo
Indice de Refracción es mayor. De tal forma el Recubrimiento tiene un Índice de
Refracción de 1.47 y el Núcleo tiene un Indice de refracción de 1.5.con esto se
obtiene la Reflexión Interna Total dentro de la fibra.
Apertura Numérica
Para
asegurarnos de que haya una propagación de la luz al interior de la fibra, se
deben cumplir dos condiciones:
-El
ángulo de incidencia sobre el núcleo sea menor al ángulo qcA, con el fin de que haya una refracción en el
punto A.
-El
ángulo de incidencia en la frontera núcleo-revestimiento, que será la misma
dirección con que saldrá refractado del punto A, sea mayor al ángulo qCB, con el fin de que haya una reflexión en el
punto B.
ATENUACIÓN Y DISPERSIÓN
Al
propagarse la luz a lo largo de la fibra va a sufrir algunos fenómenos o cambios
debidos a características de la fibra óptica los cuales son:
La Atenuación: es la pérdida
de potencia conforme la luz se propaga, entre más camino recorra la luz, mayor
será la atenuación y por lo tanto menor será la potencia de luz a su llegada al
otro extremo del enlace.
La Dispersión: consiste en el
retardo que toma parte de la luz al viajar a lo largo de la fibra óptica. Por
ejemplo si un pulso de segundo de duración y ese pulso lo hacemos entrar a un
extremo de la fibra, del otro extremo obtendremos ese pulso con menor potencia,
debido a la atenuación. La dispersión es el ensanchamiento en el tiempo de la
luz.
Entre
más camino recorra la luz, mayor será el ensanchamiento y por lo tanto mayor
será la duración del pulso de la luz a su llegada al otro extremo del enlace.
Coeficientes de
Atenuación y Dispersión
En
cualquier segmento de fibra es posible medir cuánta potencia se pierde en el
trayecto,recordemos que esas pérdidas son debidas a diferentes causas. Para
hacer tal medición bastaría con medir la potencia en la entrada,luego medir la
potencia en la salida y la diferencia entre ambas equivaldría a la atenuación
total de esa fibra. Entre más pequeña sea esa atenuación la fibra tendrá una
mayor calidad,pero esta medición depende de la longitud del segmento de fibra.
Para
manejar este parámetro que no dependa de la longitud de la fibra y que exprese
la calidad de la fibra,tenemos al coeficiente de atenuación a,que
indica cuanta potencia se pierde en cada kilómetro recorrido de fibra.
En
la dispersión es posible medir cuánto tiempo de más tiene un pulso dado al
recorrer un trayecto. Para medir la duración a la salida y la diferencia entre
ambas equivaldría al ensanchamiento sufrido por el pulso. La letra con que se
simboliza este ensanchamiento es la letra t.
Otro
parámetro independiente de la longitud de la fibra y que expresa el
ensanchamiento,se ha definido el coeficiente de dispersión s,que
indica cuanto tiempo se ensancha un pulso por cada kilómetro recorrido y la
formula del valor del coeficiente es t/L.
Existen
tres causas de perdida de potencia en un enlace óptico, que son por absorción, por
empalmes y por curvaturas.
Perdida por absorción: es por el
simple hecho de propagarse la luz por un medio se perderá potencia
irremediablemente .Hay absorción intrínseca y extrínseca.,la primera no se
puede evitar y la otra se debe a que la naturaleza del vidrio sino a la forma
en que fueron fabricadas..Las impurezas o pequeñas burbujas de aire o de otro material que puedan quedar
como remanentes de impureza serán la causa de que los fotones choquen y se
desvíen, perdiéndose así energía.
Perdidas en un enlace
óptico: son
los elementos de unión que pueden ser los conectores o los empalmes. Los
conectores son empleados para unir una fibra con un equipo, y los empalmes son
usados para unir dos fibras y hacer una más grande. La causa de porque los
conectores o empalmes introducen perdidas es que para la luz esto significa
pasar por una frontera y recordando la ley de Snell, de reflexiones y
refracciones. Por diferentes métodos de
fabricación de conectores y métodos de empalmado, se han mejorado
sustancialmente estas pérdidas.
Perdidas por curvaturas:
Siempre
que haya una curvatura en un cable de fibra óptica habrán perdidas. Hay dos
tipos de curvaturas, las macro curvaturas y las micro curvaturas. Las primeras
son apreciadas a simple vista y pueden despreciarse si no se excede un radio de
curvatura igual a 20 veces el diámetro del cable. Y las segundas las macro
curvaturas, son apreciables a simple vista, son pequeñas torceduras o presiones
que sufre la fibra y que también introducen perdidas. Este tipo de curvaturas
ocurren cuando se sujeta demasiado fuerte una fibra.
Existen
dos causas principales, la dispersión modal y la dispersión intramodal o
cromática.
Dispersión modal:es cuando se
tiene una onda electromagnética que se radia para su propagación en una guía de
onda, la onda viajera encontrara varios caminos para propagarse a lo largo de
la guía. A estos caminos se les llama modos de propagación dependiendo de las
dimensiones de la guía de onda y de la frecuencia o longitud de onda se podrán
propagarse uno o más modos.
Dispersión intramodal o
cromática:esta
dispersión de debe a que el índice de refracción del material no es
independiente de la longitud de onda de la luz que viaja por dicho material..Al
variar el índice de refracción y de
acuerdo a la Ley de Snell se varía también el ángulo con el que la luz
incide a la frontera núcleo-cubierta y
por lo tanto esa componente de luz seguirá una trayectoria propia.En las
fuentes LED que se emplean,se tiene un ancho espectral del haz de luz de
aproximadamente 40 nm,lo que genera una dispersión cromática fuerte.Para evitar
este problema se han desarrollado fuentes como las Láser tipo DFB (distributed
feedback) con anchos menores a 1 nm que reducen notablemente la dispersión
cromática.
Efectos de la
atenuación y la dispersión en un sistema de Telecomunicaciones
En
un sistema de telecomunicaciones a base de enlaces ópticos,la atenuación es muy
importante ya que de ella dependerá el alcance que tenga dicho alcance..Si en
el enlace se emplea fibra con un coeficiente de atenuación muy malo,la
distancia del enlace será muy pequeña. Por lo contrario si se emplean fibras
con un buen coeficiente de atenuación,la distancia será mayor. Actualmente la
distancia máxima de un enlace óptico es de 600 km.
3.6 EL PRODUCTO DE
ANCHO DE BANDA POR DISTANCIA
Los
fabricantes de fibras ópticas o bien los cables ópticos proporcionan
especificaciones de la fibra, entre esas especificaciones se encuentran los
coeficientes de atenuación y de dispersión. Con estos datos se pueden hacer los
cálculos correspondientes para saber si esa fibra le servirá en su enlace o no.
Las
unidades de este parámetro son los GHzKm. Un ejemplo de este tipo tenemos que
una fibra tiene un producto de 1000 GHzKm, lo que significa que puede
transportar una velocidad de 1000 Gbps sobe una distancia de 1 kilómetro bien
esa misma fibra puede emplear en un enlace una velocidad de 100 Gbps en una
distancia de 10 Km. Cualquier combinación
siempre y cuando la multiplicación de la velocidad por la distancia no exceda este valor.
4 TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS
Existen dos
tipos de fibras ópticas, las cuales son las fibras multimodo y las
fibras monomodo. Por sus características particulares cada tipo se utilizan en
aplicaciones diferentes.
PERFIL DE INDICE DE
REFRACCIÓN
El
Perfil de Índice de Refracción muestra
los diferentes valores del Índice de Refracción a lo ancho de una fibra,
mostrando también sus dimensiones de diámetros.
Fibras Multimodo de Índice
Escalonado
En
este subtipo de fibras multimodo su núcleo esta ligeramente dopado, lo que hace
que su índice de refracción sea ligeramente mayor que el Indice de Refracción
del recubrimiento. Ese dopado es constante en todo el núcleo, en la frontera,
el valor del Indice de Refracción cambia abruptamente, disminuyendo al valor
del índice del recubrimiento. Este cambio abrupto en el valor de los Indices y
su representación gráfica en el perfil del índice es lo que da nombre a este
subtipo de fibras. Las dimensiones del diámetro del núcleo han variado y se han
fabricado núcleos de 62.5 micras y de 50 micras, seindo más comunes las
primeras.
FABRICACIÓN DE UNA
FIBRA ÓPTICA
Para
el proceso de fabricación de una fibra óptica tenemos dos etapas:
La
primera es la preforma la cual es un tubo de vidrio de alta pureza,y la segunda
es el estiramiento de la preforma.
La Preforma: La preforma es
un tubo de vidrio de óxido de silicio o silice de gran pureza y con dimensiones
de un metro de longitud y 5 cm de diámetro.
Con
la preforma ya hecha esta lista para empezar el proceso de dopado (OH) el cual
consiste en dejar al tubo libre de impurezas,se pone a una temperatura de1300 oC
con una flama que se pasa alrededor del tubo el cual se mantiene girando sobre
su propio eje.
Despues
de esto se introducen vapores al tubo y al calentarse estos se depositan en el
interior del tubo hueco,adhiriendosele y formando parte de la cara cilíndrica
interior.En este paso de deja el tiempo necesario para alcanzar el índice de
refracción deseado.
Entonces
que ya se ha calculado el índice de refracción deseado de dejan de introducir
los vapores y comienza un calentamiento más intenso a 1900ºC.
Este
calentamiento tan intenso causa un colapso en el tubo fundiendose completamente
y desechando al huecoDespues de esto ya tenemos una estructura casi identica a
una fibra óptica con un núcleo y un recubrimento con diferentes índices de
refracción y lo único que no se obtiene son las dimensiones.
Para
fabricar una fibra monomodo o multimodo se obtienen haciendo variaciones sobre
todos los parámetros que intervienen en la fabricación de la fibra los cuales
son temperatura de calentamiento,la velocidad de traslación,la velocidad de
rotación y la cantidad de dopantes etc.
La fibra óptica
Una
vez teniendo la preforma cilíndrica se procede a estirarla hasta que quede tan
delgada como el cabello humano. Este proceso consiste en calentar la prefroma
hasta que se derrita. Dos rodillos se encargan de jalar con fuerza necesaria
para obtener el diámetro de 125 mm. Un rayo
láser monitorea todo el proceso de estirado, si el diámetro se pasa de los 125 mm
los rodillos jalaran con mas fuerza y sie el diámetro de la fibra es menor a
los 125 mm los rodillos
jalaran con menos fuerza para compensar en diámetro requerido. Después de esto
se pasa la fibra por una etapa de bañado de pintura que es la protección
primaria y después será enrollada en la bobina la cual es el producto final de
los fabricantes de fibra óptica.
Describiremos
el funcionamiento de este sistema; por el lado izquierdo una señal eléctrica
que puede ser analógica o digital entra en el equipo de transmisión óptico. Este equipo
adecua la señal para su transmisión a través de la fibra óptica, convirtiendo
la señal eléctrica a una señal óptica. La señal ya en forma de luz pasa a la
fibra óptica la cual se conecta al equipo de transmisión con el cable de fibras
ópticas que se usara posteriormente para el enlace exterior.
Este
enlace esta formado por varios segmentos, cada segmento consta de una emisión
de luz, un tramo de fibra óptica y un regenerador. Por causa de la atenuación
tenemos que regenerar la señal cada cierta distancia en el enlace para que no
pierda su potencia y llegue la señal completa hasta el otro extremo.
Dentro
de cada segmento hay empalmes que estos se utilizan para unir dos tramos de
fibra a cada cierta distancia.
Una
vez que ha llegado al otro extremo el mismo sistema de transmisión recibe la
señal y ahora la convierte de óptica a eléctrica para dar por terminada la
tarea de todo el sistema de comunicaciones.
SISTEMA DE TRANSMISIÓN
En
la figura anterior se muestra todo un sistema de transmisión. Su operación esta
dividida en dos partes. Del lado izquierdo esta la etapa de transmisión que
consta desde la entrada de la señal óptica para su recorrido a través de la
fibra óptica. La parte de la derecha es la etapa de recepción, que comprende
desde la llegada de la fibra de la señal óptica hasta que se entrega la señal eléctrica.
Posteriormente,
lo primero que se hace con la señal eléctrica es agregar información adicional.
El propósito de agregar información esta en la necesidad de incorporar
funciones que permitieran una mejor administración del enlace como son las
siguientes:
Canal
de voz para comunicación de los usuarios de terminal a terminal (order wire)
Canal
de datos para el usuario. Canales de control para la operación del sistema de
control de potencia para casos de corte de fibra. Estructura de una trama
propia del sistema.
Palabra
de sincronía propia del sistema.
El
siguiente paso se le llama aleatorización y codificación, en este proceso se
utilizan códigos binarios “0” y “1”.Si se trata de un 1 esto se representa con
un nivel alto de potencia óptica y si se trata de un cero, esto representa un
nivel bajo o de plano ausencia de señal. Si en la señal óptica se presenta una
secuencia muy larga de unos y de ceros, eso podría redundar en un tiempo
demasiado largo sin cambios en el nivel de la señal óptica con la consecuente
posibilidad de perder sincronía. Para evitar lo anterior se tiene este proceso
de aleatorización, mediante el cual se manipula la señal para evitar que se
presente una combinación demasiado larga de unos y de ceros. Después de esto se
somete a un proceso de codificación en
el cual se utilizan códigos como 5B6B que consisten en que cada combinación de
5 bits de la señal original se generan 6 bits de manera que este 20% de
información adicional facilita la detección y corrección de errores en la
comunicación.
Posteriormente
se tiene el proceso de modulación directa en el que, los unos se codifican con
un nivel alto y los ceros con un nivel bajo de potencia óptica.
Etapa de recepción
Consiste
en revertir lo realizado en la etapa de transmisión. Primeramente se tiene la
interfaz de línea en la que al igual que
en la etapa de transmisión se conecta al cable de fibra óptica exterior, con el
foto detector, este tiene una misión de convertir la energía de luz percibida
en impulsos eléctricos cuya amplitud es proporcional a la intensidad de la luz,
el ser excitado con una intensidad alta de luz, el foto detector generará un
nivel alto de señal eléctrica lo que significará un uno.
Posteriormente
sigue la etapa de decodificación o desaleatorización, estos dos procesos se
llevaran a cabo solo si sucedieron en la etapa de transmisión. De ser así, es
necesario para que el efecto neto sobre la información real sea nulo. Asimismo,
si en la etapa de transmisión de dio el agregado de información se procederá de
retirar esta a fin de dejar únicamente la señal eléctrica que originalmente se
alimento. Por ultimo se resta el adecuar la señal eléctrica al código de línea
que corresponda la interfaz eléctrica en cuestión.
Tipos de fuentes
ópticas
Tenemos
dos tipos de fuentes ópticas:
1. -Fuentes tipo LED (Light-Emiting Diode)
Transmisores
Ópticos
Muchas de las propiedades del láser no pueden aun ser explotadas, por ejemplo,
el pequeño ancho de banda y la coherencia de la luz del mismo. En la actualidad
los láser son usualmente fabricados a partir de materiales semiconductores
(Diodo láser, LD).
Además
de los laceres, también se usan los diodos emisores de luz, LED. Ellos fueron
desarrollados en la década de los 70's y son sencillos y baratos.
Lamentablemente emiten una luz de gran ancho de banda y como irradian en forma
esférica, solamente una pequeña parte de la potencia puede ser introducida en
la fibra.
Estas son las fuentes
más usuales cuando se requiere de un bajo costo y las aplicaciones no son tan
demandantes en términos de distancia y ancho de banda. Una de las ventajas de
las fuentes tipo LED es su alta estabilidad en el nivel de emisión contra el
tiempo, su vida útil y su comportamiento prácticamente lineal en cuanto al
nivel de potencia con relación a la corriente eléctrica de excitación.
2.
-Fuentes tipo LASER (Llght Amplification
by Simulated Emision of Radiation)
Estas
fuentes son las ideales para aplicaciones de alta capacidad y velocidad como
las que corresponden a las fibras monomodo. Normalmente se trabaja con estas
fuentes en la 2ª y 3ª ventanas ópticas a 1310 y 1550 nm
respectivamente.Las
fuentes tipo LASER ofrecen la posibilidad de potencias bastantes mayores, el
ancho espectral de la fuente es bastante pequeño y soportan velocidades de
modulación muy altas. Uno de los inconvenientes
es que no son tan lineales. Esto significa que la curva de potencia de
luz emitida contra corriente de excitación presenta un punto de quiebre en
donde se pierde completamente la linealidad.Con
este comportamiento resulta difícil la modulación del LASER para la transmisión
de señales. Esto también ocasiona que el LASER nunca se apague. Cuando se
transmite un uno se tiene una potencia alta y cuando se transmite un cero se
tiene una potencia baja, pero nunca nula.
Tipos de foto
detectores
Estos
dispositivos tienen la función de generar una señal eléctrica al ser excitados
por una fuente de luz. Existen dos tipos de fotodetectores, tenemos a los tipo PIN
y a los APD.
Foto detectores tipo
PIN
Este
tipo de foto detectores tienen una vida
mayor útil que los de tipo APD y son más estables. No son muy sensibles. El
nombre PIN de deriva de la estructura de estos fotodiodos,están conformados por
una placa de material P otra de material intrínseco I y una tercera de material tipo N. La
sensibilidad y sobre todo la longitud de onda a la que se obtiene mejor
sensibilidad depende del material con el que este fabricado.
Foto detectores tipo
APD
Los
foto detectores APD deben su nombre al funcionamiento del diodo que los constituye
APD (Avalanche Photodiode).Lo que
ocurre con este tipo de diodos cuando se les aplica un voltaje externo
adicional tienen un efecto de ganancia interna que redunda en que ofrezcan una
sensibilidad más alta. Esto quiere decir que la foto detectora responde a
intensidades de luz más tenues, lo que puede operar en enlaces de mayor
distancia lo que trae consigo más luz
atenuada.
EQUIPOS DE
REGENERACIÓN
Cuando la luz se propaga a lo largo de
la fibra va sufriendo el fenómeno de la atenuación, por lo que va disminuyendo
su intensidad. La combinación entre la potencia de la fuente en un extremo y la
sensibilidad del foto detector en el otro determinan la distancia máxima que se
puede recorrer.Para
alcanzar esa distancia es necesario regenerar la señal a fin de que pueda
restablecer el viaje a lo largo de otro segmento de fibra. En la siguiente
figura se muestra la función interna de los regeneradores:
Conector tipo ST (Straight
Tip)
Este conector fue diseñado por la compañía Lucent y es de uso
bastante común en sus sistemas de cableado estructurado.
Conector
tipo SC (Subscriber Conector)
Este tipo de conector tiene una fijación del tipo “empujar y
jalar” conocida en inglés como Push Pull debido
a que en esa forma es como se fijan el conector hembra con el macho.Debido a
que no requiere del espacio necesario para el movimiento de los dedos alrededor
del conector,se le utiliza para paneles de alta densidad en donde hay que
acomodar muchos conectores juntos.
Conector
tipo FC (Fiber Conector)
Este conector es bastante común en aplicaciones de
telecomunicaciones.Muchos de los primeros sistemas de transmisión para fibras
ópticas que se instalaron en México en
redes publicas empleaban este conector.Su fijación es mediante una rosca entre
el conector hembra y el macho.Cuenta con una muesca que permite que el contacto
se haga siempre en la misma posición.
Conector
tipo MT-RJ de SIECOR
Este nuevo conector permite la conexión de dos fibras de
manera simultánea.Funciona con el mecanismo push-pull.Son
tan buenas las caracteristicas de este conector que incluso existe un grupo de
empresas que conformarón un grupo llamado MT-RJ Alliance para impulsar su
estandarización.El conector ocupa la mitad del espacio requerido por un conector
SC.Este conector se usa tanto para fibras monomodo como multimodo.
Empalmes
Estos se utilizan para las conexiones que se pretenden ser
permanentes.Estas uniones permiten unir los rollos de cable en un tendido de
larga distancia.El numero de empalmes necesarios en un cierto segmento
dependerá de la distancia a cubrir y de la cantidad de cable por cada rollo.
Existen dos tipos de empalmes:los mecánicos y los de fusión.Los primeros son más sensillos,de menor
costo pero con ciertas deficiencias que los hacen comunes en aplicaciones
dentro de redes LAN pero no en redes de alta capacidad para redes de
telecomunicaciones públicas.Por el contrario los empalmes de fusión son los más
utilizados en los enlaces de larga distancia y para redes metropolitanas MAN,SDH
y WDM.
a).-
Empalmes de fusión
Para realizar estos empalmes,se utiliza una máquina conocida
como empalmadora de fusión.El primer paso es la preparación de cada uno de los
dos extremos de cable.Para esto se retiran todas las cubiertas que protegen a la
fibra óptica hasta dejar a la fibra desnuda completamente.Los extremos de la
fibra desnuda se cortan con una herramienta de corte de precisión (cleaving tool) para que ambos extremos
de la fibra queden perfectamente horizontales a fin de asegurar un buen
contacto entre ambos.Después de este corte,los extremos de la fibra se limpian
usando pañuelos especiales una sustancia
basada en alcoholes que sirven especificamente para este proposito eliminando
así las impurezas.Inmediatamente después,ambos extremos de fibra se ponen a
cada lado de la empalmadora.Las empalmadoras automaticas a partir de este
momento sólo requieren de la indicación para proceder al empalme.Usando un
sistema robotizado alinean en los dos ejes a ambos extremos de la fibra y los
acercan para ponerlos en contacto.Uuna vez realizado el contactom,la
empalmadora aplica un arco eléctrico durante un tiempo muy preciso con lo que
se funde el vidrio de la funda y queda hecho el empalme.
Despues de realizado el empalme,es necesario protegerlo mediante
algún mecanismo.Para este efecto, se usan los protectores de empalmes.Funcionan
de manera similar a un “Hot Dog”,pues están formados por dos tapas unidas al
centro.Las fibras empalmadas se colocan al centro de una de las tapas que
cuenta con una superficie pegajosa a la que se adhiere la fibra.Después se
cierran las tapas y la fibra queda bien protegida en el interior.
b).- Empalmes mecánicos
Estos empalmes se emplean en redes LAN en donde no es
necesario un desempeño tan alto por parte de los empalmes.También se usan como
reparaciones temporales en redes de larga distancia después de algún corte a
fin de reestablecer de manera rápida el servicio.La preparación de los cables
de fibra óptica para estos empalmes es la misma.Se desnuda la fibra,se hace el
corte de presición en ambos extremos y se limpian.El empalme mecánico consiste
en mantenener las fibras en contacto permanente mediante algún mecanismo.
Contenedores
de empalmes
Ya que se han empalmado todas las fibras que estan contenidas
en un cable,se deben de proteger los mismos para garantizar que duren y que se
mantengan sus caracteristicas.Para esto
se utilizan los contenedores de empalmes.Las caracteristicas de esos
equipos varian de acuerdo a su uso.Algunos se utilizan en postes,en isntalaciones
aéreas,otros se depositan dentro de contenedores de fibra de vidrio,de asbesto
o de concreto.Todos los equipos cuentan con un
mecanismo para sujetar firmemente a los cables de fibra cuando entran al
contenedor.A partir de este punto los cables se pelan y se dejan las fibras con
sus empalmes.Los empalmes se depositan en charolas especiales para este fin.Las
fibras empalmadas dan varias vueltas dentro del contenedor para evitar la
entrada de humedad.
CABLES
DE FIBRAS ÓPTICAS
Los cables de fibra óptica son muy faciles de quebrar y por
esto se tiene la necesidad de darles protección con una o dos cubiertas.
Protección
básica
La estructura básica de la fibra comprende el núcleo y la
cubierta con un díametro exterior de 125 mm,a esto se le conoce como fibra desnuda;sin protección
alguna.La protección básica que lleva la fibra óptica dentro de la estructura
de los distintos tipos de cables consiste en una protección primaria y en otra
conocida como secundaria.
La protección primaria consta de una cubierta a base de un
material acrílico con un diámetro exterior de 250 mm.En
muchas ocaciones este material se tiñe con colores para pder identificar a las
diferentes fibras dentro de un mismo cable.Esta cubierta está bien pegada a la
fibra y además de la protección le da rigidez para su manejo.
La cubierta secundaria tiene sus variantes.En general consta
de una protección a base de un material polimérico con un diámetro exterior
hasta de 900 mm.
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