Fibra óptica

Tecnología. Objetivos. Propiedades. Futuro. Fotosensores. Cables. Variables

  • Enviado por: Cuchillada
  • Idioma: castellano
  • País: Venezuela Venezuela
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Durante los últimos quince años, los sistemas de comunicaciones han experimentado muchos cambios notables y dramáticos. Los sistemas de microondas terrestres han alcanzado su máxima capacidad, y los sistemas de satélite pueden proporcionar, cuando mucho, sólo un alivio temporal a la gran demanda siempre en aumento. Es obvio que sean necesarios sistemas de comunicación económicos que puedan transmitir gran cantidad de información y proporcionar un servicio de alta calidad. Este nuevo tipo de sistema de comunicación pudiera ser el de las fibras ópticas, ya que poseen gran capacidad para transmitir información, sus costos resultan económicos y además, han sido probados experimentalmente demostrando que pueden ofrecer un servicio de alta calidad.

Los sistemas de fibra óptica representan una gran ventaja para las comunicaciones, ya que un cable estándar de 200 fibras es capaz de soportar 6.000.000 de conversaciones, mientras que un cable de cobre de tamaño similar sólo puede llevar 10.000 conversaciones. Debido a que los cables de fibra óptica no son conductores, éstos no se ven afectados por los cambios ambientales ni por corrientes eléctricas, además los mismos ofrecen mayor seguridad que los otros sistemas de comunicación. En un cable de fibra óptica no se puede intervenir o interceptar información sin que el usuario se entere de esto, en cambio las señales de comunicación vía satélite o radio se pueden intervenir fácilmente para su decodificación, lo que hace que los cables de fibra sean de suma importancia en las grandes empresas, en operaciones militares y en toda la rama de la comunicación.

A pesar de que los sistemas de fibra óptica son un excelente medio para transmitir información, éstos presentan dos desventajas importantes. Una desventaja es el alto costo de instalar un sistema de fibra óptica, aunque a largo plazo resulta muy económico, y otra desventaja son las pérdidas que se producen por empalmes o conexiones de las mismas. Los cables de fibra óptica por si solos son excelentes conductores de luz, pero al terminarse un cable éste debe ser unido a otro cable ( empalme ) o a un equipo específico ( conector ). En estas conexiones se producen pérdidas de luz que son sumamente costosas, ya que para solventarlas se usa normalmente una fuente emisora más potente de tal manera que estas pérdidas de luz no afecten la señal emitida.

Existen otros medios para solventar estas pérdidas como lo son una empalmadora de fusión o conectores súper FC - PC, pero cuyos costos son aún más elevados que el de una fuente emisora láser.

Con la intención de reducir tales costos en esta investigación nos proponemos elaborar empalmes y conexiones con conectores con pérdidas muy bajas de tal manera que no sea necesario sustituir una fuente emisora estándar por una fuente emisora láser con mayor potencia. De esta manera se lograría tener un sistema de fibra óptica con pérdidas de luz tan bajas que no generarían pérdidas financieras.

OBJETIVOS

GENERAL

Evaluar las pérdidas de luz en los cables de fibra óptica, con el fin de disminuirlas a un menor costo.

ESPECIFICOS

  • Analizar las pérdidas de luz que se producen entre dos cables de fibra óptica cuando se realizan empalmes mecánicos.

  • Estudiar las pérdidas de luz que se producen en terminaciones de paneles de conexiones cuando se realizan empalmes mecánicos.

  • RESUMEN DEL ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO

    Una fibra óptica consiste en un material transparente cilíndrico y largo que confina y propaga ondas luminosas ( ver Fig. 1 ). Está compuesta de tres capas diferentes: el núcleo central que lleva la luz, el revestimiento que cubre el núcleo y que confina la luz dentro del núcleo y que confina la luz dentro del núcleo, y el recubrimiento que dota la protección al revestimiento. El núcleo y el revestimiento están formados frecuentemente por vidrio de sílice, mientras que el recubrimiento es un plástico o una cubierta acrílica.

    Fibra óptica

    Figura 1. Fibra óptica.

    Las capas del núcleo de silicio y del revestimiento difieren ligeramente en su composición, debido a pequeñas cantidades de materiales, como boro o germanio que son añadidos durante el proceso de fabricación.

    Un cable de fibra óptica se usa frecuentemente como un medio de comunicación para muchas aplicaciones diferentes, ya que posee muchas ventajas sobre otros sistemas similares. Varias de estas ventajas son:

    % La fibra óptica tiene la capacidad de transmitir grandes capacidades de información. Con la tecnología presente se pueden transmitir 60.000 conversaciones simultaneas con dos fibras ópticas. Un cable de fibra óptica puede contener hasta 200 fibras ópticas, lo que incrementaría la capacidad del enlace a 6.000.000 de conversaciones, una ventaja considerable sobre los cables convencionales que por lo general: un gran cable multipar puede llevar 500 conversaciones, un cable coaxial puede llevar 10.000 conversaciones y un enlace de radio por microondas o satélite puede llevar 2.000 conversaciones.

    % Un cable de fibra óptica tiene un diámetro mucho más pequeño y es más ligero que un cable de cobre de capacidad similar. Esto le hace fácil de instalar, especialmente en localizaciones donde ya existen cables y el espacio es escaso.

    % La fibra óptica es un medio constante y no envejece. Los enlaces de fibra óptica bien diseñados son inmunes a condiciones adversas de humedad y temperatura y se pueden utilizar incluso para cables subacuáticos. La fibra óptica tiene también una larga vida de servicio, estimada en treinta años para algunos cables.

    Al instalar un sistema de fibras ópticas se tiene que tener en cuenta las desventajas que éste posee por pocas que sean, algunas de ellas son:

    % El alto costo inicial de instalar un sistema de fibra, aunque en el futuro este costo resulta muy económico.

    % Se necesita un camino físico recto para el cable de fibra óptica. El cable se puede enterrar directamente, situar en tubos o disponer en cables aéreos a lo largo de caminos homogéneos. Esto puede requerir la compra o alquiler de la propiedad.

    % Debido a que la fibra óptica es predominantemente de vidrio de sílice, son necesarias técnicas especiales para la instalación de los enlaces, no se puede aplicar métodos convencionales de instalación de cables en un sistema de fibra óptica.

    Actualmente existen diversos tipos de fibras ópticas los cuales pueden clasificarse en dos grandes grupos: fibras monomodo y fibras multimodo.

    Una fibra monomodo es “una fibra óptica que tiene un núcleo central que es lo suficientemente pequeño para que exista esencialmente sólo una trayectoria” que la luz pueda tomar, conforme se propaga por el cable. El tamaño del núcleo de la fibra monomodo esta comprendido entre 8 y 10 m.

    Una fibra multimodo es una fibra que puede propagar más de un modo de luz. Para una fibra multimodo el número de modos pueden ser fácilmente superior a mil. Una fibra multimodo se usa comúnmente en aplicaciones de comunicación de corta distancia.

    Un cable de fibra óptica bien elaborado de fabrica, normalmente no presenta ningún tipo de pérdida de luz, pero en realidad sufre varias perdidas de las cuales las más usuales son:

    % Pérdidas por dispersión de Rayleigh.

    Durante el proceso de fabricación, el vidrio es producido en fibras largas de un diámetro muy pequeño, durante este proceso , el vidrio esta en un estado plástico ( entre liquido y sólido ).La tensión aplicada al vidrio durante este proceso causa que el vidrio se enfríe y desarrolle irregularidades submicroscópicas que se forman, de manera permanente en la fibra. Los rayos de luz que inciden en estas irregularidades se difractan causando que la luz se disperse en muchas direcciones.

    % Pérdidas por dobleces.

    Las pérdidas por dobleces ocurren en todas las curvas de una fibra óptica, “esto se debe al cambio del ángulo de incidencia en la frontera núcleo - revestimiento” . Si el radio de curvatura es mayor que el radio mínimo de curvatura de la fibra, las pérdidas son despreciables o viceversa.

    % Pérdidas por acoplamiento.

    En los cables de fibra las pérdidas de acoplamiento pueden ocurrir en cualquiera de los tres tipos de uniones ópticas: conexiones de fuente a fibra, de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector. Las pérdidas de unión son causadas más frecuentemente por una mala alineación lateral, una mala alineación de separación y un mal acabado de la superficie, más específicamente:

    Mala alineación lateral. Ocurre cuando hay un desplazamiento axial o lateral entre dos piezas de cable de fibra contigua.

    Mala alineación de separación. Ocurre cuando se empalman fibras, las fibras deben tocarse, entre más separadas estén las fibras mayor será la pérdida de luz.

    Mal acabado de superficie. Las puntas de las dos fibras a unir deben estar altamente pulidas, de lo contrario éstas no podrán alinearse.

    Existen dos tipos de acoplamiento básico: acoplamiento por empalme y acoplamiento por conector.

    El acoplamiento por empalme es una técnica qu ese utiliza para unir permanentemente dos fibras ópticas en una conexión de bajas pérdidas. Estas conexión se puede realizar usando uno de estos dos métodos: empalmes por fusión o empalme mecánico.

    Un empalme por fusión proporciona la conexión de pérdidas más bajas. Para realizar este tipo de empalme se utiliza un dispositivo denominado empalmadora de fusión. La empalmadora de fusión alinea con precisión las dos fibras, generando un pequeño arco eléctrico para soldar las dos fibras.

    Un empalme mecánico es una técnica alternativa de empalmado que no requiere una empalmadora de fusión. Un empalme mecánico es un conector de fibra pequeño que alinea dos fibras desnudas de manera precisa y que las asegura mecánicamente. Para fijar permanentemente la unión se utilizan cubiertas de epoxi o resina sintetica directamente sobre las fibras desnudas.

    Normalmente luego de realizar un empalme, éste debe ser protegido, por lo que se coloca en una bandeja de empalmes la cual se cierra a presión, luego ésta es colocada en una caja de empalmes de tal manera de proteger la bandeja de empalmes posibles daños de animales o causados por las condiciones del ambiente.

    El acoplamiento por conector no es más que un empalme, pero en vez de ser fibra a fibra, es de fibra a conector. Para acoplar un conector a una fibra se debe tener en cuenta el tipo de conector que se va a usar y el lugar en que se encuentra, de tal manera que si instala un panel de conexiones deberán usarse también cordones de conexión o latiguillos. Un latiguillo no es más que un cordón de conexión cortado a la mitad, y un cordón de conexión es un cable de fibra óptica de corta longitud con conectores en ambos extremos. Un latiguillo de fibra óptica se usa para terminar una fibra óptica con un conector, el latiguillo se empalma a la fibra óptica para proporcionar una terminación de calidad con un conector de fabrica.

    Las pérdidas de luz de una fibra se mide normalmente en decibelios ( dB ), que no es más que la cantidad de potencia de onda de una señal.

    Para obtener un empalme mecánico con las características de un empalme por fusión podemos seguir una serie de pasos:

  • Identifique las fibras ópticas a unir y trace la ruta exacta a seguir desde la entrada del cable a la bandeja de empalmes.

  • Pela la cubierta exterior del cable en ambas puntas ( aproximadamente dos metros en cada cable ). Si fuese un cable de varias fibras pele primero la protección de los cables de fibra con la peladora de tubo, y luego quite la cubierta exterior de cada fibra.

  • Limpie cuidadosamente todas las fibras de cualquier gel que pudiera estar presente en el cable con la solución de limpieza del gel del cable. Utilice guantes para proteger sus manos de la solución de limpieza.

  • Identifique la fibra a empalmar, luego utilizando el pelador de recubrimiento elimine suficiente recubrimiento de manera tal que queden expuestos 5 cm de la fibra desnuda aproximadamente.

  • Limpie con cuidado la fibra desnuda frotándola en una dirección con una gasa y alcohol libre de residuos. Se recomienda proteger las manos de la solución de limpieza utilizando guantes. Después de limpiada la fibra no la ponga en contacto con ninguna superficie incluso sus manos.

  • Prepare la herramienta de corte y seccione la fibra para obtener una superficie perpendicular ( utilice lentes de seguridad durante el proceso de corte). Utilice las pinzas para introducir el pedazo de fibra cortado en un contenedor con tapa. Haga este procedimiento con las dos fibras a empalmar.

  • Pula la superficie de ambas fibras con una lija y asegúrese de que no queden residuos dentro de la fibra. Utilice el lente óptico de aquí en adelante.

  • Sitúe y alinee las fibras mediante un conector mecánico, utilice una cubierta adhesiva para sujetar las dos fibras, asegúrese nuevamente de que las fibras estén alineadas y luego recubra el tubo con resina sintética. Deje secar la resina y luego lleve la fibra a la bandeja de empalmes.

  • Para evitar que la fibra se rompa por un esfuerzo de torsión, colóquelo con cuidado en la bandeja de empalmes y dé vueltas a la fibra alrededor de la misma asegurándose que no se viole el radio mínimo de curvatura del cable.

  • En este punto se puede realizar una prueba del empalme con el OTDR, según los resultados realice o no de nuevo el empalme.

  • Identifique los siguientes cables a empalmar y repita los pasos a partir del paso 2.

  • Después que hayan sido empalmadas todas las fibras cierre la bandeja de empalmes y luego colóquela en la caja de empalmes.

  • Cierre y montar la caja de empalmes, asegurándose de que esté conectada a tierra.

  • La terminación de un cable en un panel de conexiones es la configuración más moderna. Proporciona una conexión e identificación rápida y fácil de la fibra y permita la conexión con un cordón de conexión o un latiguillo. En un panel de conexiones las fibras ópticas del cable se empalman a los latiguillos, que a su vez se conectan con los adaptadores de cabecera del panel de conexiones. Esta técnica funciona mejor con una fibra multimodo, en cambio para una fibra monomodo puede no ser factible ( ver Fig. 2 ).

    Fibra óptica

    Figura 2. Panel de conexiones.

    HIPOTESIS

    • Las pérdidas de luz entre dos cables de fibra óptica se reducirán a un bajo costo logrando empalmes mecánicos sencillos con pérdidas menores a 0,2 dB.

    • Las pérdidas de luz en terminaciones de paneles de conexiones se reducirán a un bajo costo logrando empalmes dobles con pérdidas menores a 0,2 dB.

    VARIABLES

    Empalme mecánico: Independiente.

    Pérdidas de luz, costos: Dependientes.

    Las pérdidas de luz y el costo son variables dependientes, ya que éstas dependen del empalme que se realice, si se realiza un buen empalme habrá pocas pérdidas y por consiguiente los costos serán menores o viceversa.

    El empalme es una variable independiente, ya que no depende de ningún tipo de factor que lo haga alterarse.

    LITERARURA REVISADA

    • Fishbane, Paúl M. y Otros: Física , 1994.

    El autor de este libro trata principalmente de la importancia de la fibra óptica como un sistema de comunicación a nivel mundial.

    • Wayne, Tomasi: Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, 1996.

    El autor de este texto trata sobre las ventajas y desventajas que tienen los cables de fibra óptica sobre los cables de cobre, y también sobre los tipos de pérdidas que se presentan en los cables de fibra óptica.

    • Giancoli, Douglas: Física, 1997.

    El autor de este libro trata principalmente sobre las aplicaciones y usos que poseen las fibras ópticas en el ámbito de la computación.

    • Chomycz, Bob: Instalaciones de Fibra Óptica, 1998.

    En este libro se estudia el principio de la comunicación por fibra óptica y las técnicas que se utilizan para instalar y reparar sistemas de fibra óptica en varios entornos de comunicaciones.

    Enciclopedia Microsoft Encarta 2000, 2000.

    Aquí se encuentran las características que hacen que la fibra óptica sea un excelente soporte para la transmisión de información, así como los avances que ésta ha tenido como un sistema de comunicación de máxima calidad.

    METODOLOGIA

    A. El nivel de la investigación:

    La investigación será descriptiva explicativa, de tipo experimental en el campo.

  • El método por el cual se guiará esta investigación:

  • Pruebas teóricas y experimentales que logren que los datos obtenidos teóricamente confirmen los resultados experimentales de tal manera de estar seguro si se alcanzaron los resultados esperados.

  • Técnicas de recolección de datos:

    • La experimentación.

    • La observación individual.

    D. Procedimiento a seguir:

    • Se realizaran mediciones para conocer el estado actual de las pérdidas que generan los empalmes de una sola fibra óptica.

    • Se determinara las asignaciones exactas de la fibra óptica a conectar.

    • Se procederá al montaje de las fibras para luego unirlas con epoxi snap o una cubierta de resina sintética.

    • Se colocará el nuevo empalme en una bandeja de empalme para su protección.

    • Se realizaran nuevamente mediciones para conocer las pérdidas que generan los nuevos empalmes mecánicos.

    E. Equipos y materiales a utilizar:

    Equipos:

    Regla, bastoncillos de algodón sin residuos, cortadora de fibra, peladora de recubrimiento de fibra, peladora del tubo y de la protección de la fibra, peladora de la cubierta de la fibra, contenedor con tapa, navaja, tijeras, lija, pinzas, guantes, lentes de seguridad, un lente óptico y un OTDR o medidor de potencia y fuente de luz.

    Materiales:

    Protectores de empalme, bandeja de empalmes, caja de empalmes, panel de conexiones, solución limpiadora de gel de cable, solución de limpieza de alcohol, epoxi snap o resina sintética

    F. El análisis de los datos:

    El análisis que se realizará a los datos que se recolecten será el de comparaciones entre los resultados científicos o teóricos ya determinados, y los resultados experimentales o de campo obtenidos, de tal manera que se pueda llegar a una conclusión que aclare si se cumplieron los objetivos propuestos o no.

    PLAN DE TRABAJO

  • Revisión de la literatura.

  • Inspección del campo a trabajar, con posibles datos o muestras iniciales que éste pueda ofrecer.

  • Selección de los materiales de acuerdo a su calidad y modelo de construcción.

  • Clasificar el área a trabajar para iniciar las pruebas experimentales.

  • Recolección de datos.

  • Procesamiento y análisis de las mediciones elaboradas.

  • Elaboración y presentación del informe final.

  • ESQUEMA

    . Fibras ópticas.

  • Definición.

  • Ventajas y desventajas.

  • Tipos de fibra óptica.

  • . Tipos de pérdidas de luz.

  • Pérdidas por dispersión de Rayleigh.

  • Pérdidas por dobleces.

  • Pérdidas por acoplamiento.

  • . Tipos de acoplamiento.

    A. Acoplamientos por empalmes.

  • Empalmes de fusión.

  • Empalmes mecánicos.

  • B. Acoplamiento por conectores.

    1. Panel de conexiones.

    1.1 Latiguillos.

    IV. Pérdidas de luz en:

    A. Empalmes mecánicos.

    B. Paneles de conexiones.

    BIBLIOGRAFÍA

    Chomycz, Bob: Instalaciones de Fibra Óptica (Fundamentos, técnicas y aplicaciones), España, Mc GRAW - HILL, 1998, pp 77 - 98.

    Enciclopedia Microsoft Encarta 2000, Microsoft Corporatión.

    Fishbane, Paúl M. y Otros: Física  ( Para Ciencias e Ingeniería ), México, Prentice Hall Hispanoamericana, 1994, pp 1053 - 1055.

    Giancoli, Douglas: Física ( Principio con Aplicaciones ), México, Prentice Hall Hispanoamericana, 4ta Edición, 1997, pp 658 - 660.

    Gran, M. F: Elementos de Física ( Óptica - Electricidad ), México ,Editorial Minerva,

    4ta Edición, 1994, pp 228 - 236.

    Serway, Raymond: Física ( Tomo  ), México, Mc GRAW - HILL, 3ra Edición, 1997, pp 1016 - 1019.

    Smith, William: Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales, México, Mc GRAW - HILL, 3ra Edición, 1997, pp 275 - 279.

    Wayne, Tomasi: Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, México, Prentice Hall Hispanoamericana, 1996, pp 773 - 808.

    Bob Chomyez: Instalaciones de Fibra Óptica, ( Madrid: Mc GRAW - HILL, 1998 ), p. 38

    M.F. Gran, Elementos de Física. (México: Minerva, 1994 ), p. 234.

    Bob Chomycz: Instalaciones de fibra óptica. (Madrid: Mc GRAW - HILL, 1998), p. 28.

    Bob Chomyez: Instalaciones de Fibra Óptica, ( Madrid: Mc GRAW - HILL, 1998 ), p.97

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