Fibra óptica

Historia. Bell. Comunicación. Tipos. Ventajas. Luz. Fuentes. Detectores

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LA HISTORIA DE LA FIBRA ÓPTICA

En 1880, Alexander Graham Bell, experimentó con un aparato que llamó fotónoto. El fotónoto era un aparato construido con espejos y detectores de selenio, que transmitía ondas de sonido a través de un haz de luz. Las señales de humo y espejos fueron usados, hace años, para transmitir mensajes cortos y sencillos. Sin embargo, el artefacto de Bell, fue el primer intento de usar un haz para llevar información.

La transmisión de las ondas de luz por cualquier distancia útil por la atmósfera de la Tierra es impráctica, porque el vapor de agua, oxígeno y partículas en el aire absorben y atenúan las señales en las frecuencias de luz. En consecuencia , el único tipo práctico de sistema de comunicación óptica es el que utiliza una guía de fibra.

Fue Kapany quien acuñó el término “fibras ópticas” en 1956. El láser (amplificación de luz estimulada por emisión de radiación) fue inventado en 1960. La potencia relativamente alta de salida del láser, alta frecuencia de operación y capacidad para llevar una señal de ancho de banda extremadamente grande, lo hacen idealmente deseado para sistemas de comunicación de alta capacidad.

A finales de los años 70 y a principios de los 80, el refinamiento de los cables ópticos y el desarrollo de fuentes de luz y detectores costeables de alta calidad, abrieron la puerta al desarrollo de sistemas de comunicación de fibra óptica de alta-calidad, alta-capacidad y eficiencia.

SISTEMA DE COMUNICACIÓN DE FIBRA ÓPTICA

La figura 1 muestra un diagrama a bloques simplificado de un enlace de comunicaciones de fibra óptica.

'Fibra óptica'
Figura 1. Enlace de comunicaciones de fibra óptica

Los tres bloques principales de la comunicación mediante fibra óptica son: el transmisor, el receptor y la guía de fibra. El transmisor consiste de una interface analógica o digital, un convertidor de voltaje a corriente, una fuente de luz y un adaptador de luz de fuente a fibra. La guía de fibra es de vidrio ultrapuro o un cable de plástico. El receptor incluye un dispositivo conector detector de fibra a luz, un foto detector, un convertidor de corriente a voltaje, un amplificador y una interface analógica o digital.

DEFINICIÓN Y TIPOS DE FIBRA ÓPTICA

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.

Esencialmente hay 3 variedades de fibras ópticas disponibles actualmente. Las tres variedades están construidas de vidrio, plástico o una combinación de vidrio y plástico . Las tres variedades son:

  • El núcleo de plástico y cubierta

  • El núcleo de vidrio con cubierta de plástico (frecuentemente llamada fibra PCS, silice-cubierta- de plástico).

  • El núcleo de vidrio y cubierta de vidrio (frecuentemente llamado SCS, sílice cubierta de sílice).

  • Las fibras de plástico tienen varias ventajas sobre la fibra de vidrio . En primer lugar, las fibras de plástico son más flexibles y como consecuencia más fuertes que el vidrio. Son fáciles de instalar, pueden resistir mejor la presión, son menos costosas y pesan aproximadamente el 60% menos que el vidrio . La desventaja de las fibras ópticas es su característica de atenuación alta: no propagan la luz tan eficientemente como el vidrio.

    La selección de una fibra, para una aplicación específica, es en función de requerimientos de un sistema específico. Siempre hay negociaciones basadas en la economía y logística de una aplicación en particular.

    CONSTRUCCIÓN DE LA FIBRA

    Dependiendo de la configuración del cable este puede incluir un núcleo, una cubierta, un tubo protector, bufers, miembros de fuerza y una o más capas protectoras.

    El tipo de construcción de cable usado depende de los requerimientos de rendimiento del sistema y las restricciones económicas y ambientales.

    LAS FIBRAS ÓPTICAS CONTRA LAS FACILIDADES DE CABLES METÁLICOS

    VENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE FIBRA

  • Los sistemas de fibra tienen una mayor capacidad debido a los anchos de banda inherentemente más grandes y disponibles con las frecuencias ópticas. Los cables metálicos exhiben en el medio capacitancia e inductancia a lo largo de sus conductores.

  • Los sistemas de fibra son incomunes a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por la inducción magnética. En los cables metálicos, la causa principal de transmisiones cruzadas es la inducción magnética entre los conductores situados cerca uno del otro.

  • Los cables de fibra son incomunes a la interferencia estática causada por relámpagos, motores eléctricos, luces fluorescentes y otras fuentes de ruido eléctrico. Esta inmunidad, también se atribuye al hecho de que las fibras ópticas no son portadoras de electricidad.

  • Los cables de fibra son más resistentes a los extremos ambientales. Funcionan sobe una variación más grande de temperatura que sus componentes metálicos, los cables de fibra son menos afectados por los líquidos corrosivos y gases.

  • Los cables de fibra son mas seguros y fáciles de instalar y mantener. En consecuencia, es más fácil trabajar con ellas. Además, los cables de fibra requieren menos espacio de almacenamiento y son más baratos de transportar.

  • Los cables de fibra son mas seguros que sus contrapartes de cobre. Es casi imposible interceptar un cable de fibra, sin que el usuario se entere de esto. Esta es otra cualidad atractiva para las aplicaciones militares.

  • Aunque aún no ha sido comprobado, se proyecta que los sistemas de fibra durarán más que las facilidades metálicas.

  • El costo de los sistemas a largo plazo se proyecta que será menor que el de su contraparte metálico.

  • DESVENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE FIBRA.

    Actualmente, hay muy pocas desventajas de los sistemas de fibra. Una desventaja importante es el alto costo inicial de instalar un sistema de fibra. Otra desventaja el mantenimiento y reparación de los sistemas de fibra también es más difícil y costoso que los sistemas metálicos.

    PROPAGACIÓN DE LA LUZ POR MEDIO DE UNA FIBRA ÓPTICA

    La luz puede propagarse por medio de un cable de fibra óptica, por reflexión o refracción. Como se propaga la luz depende del modo de propagación y el perfil del índice de la fibra.

    MODO DE PROPAGACIÓN

    Si hay sólo una trayectoria que la luz toma en el cable se llama modo sencillo. Si hay más de una trayectoria se llama multimodo.

    PERFIL DEL ÍNDICE

    El perfil del índice de una fibra óptica, es una representación gráfica del valor del índice refractivo, a través de la fibra. El índice refractivo esta indicado en el eje horizontal y la distancia radial del eje del núcleo sé gráfica en el eje vertical.

    Hay dos tipos básicos de perfiles de índice: escalón y graduado. Una fibra de índice de escalón tiene un núcleo central, con un índice refractivo uniforme.

    CONFIGURACIONES DE LA FIBRA OPTICA

    Esencialmente, hay tres tipos de configuraciones de fibra óptica: modo sencillo, índice de escalón, índice de escalón de multimodo e índice graduado de multimodo.

    FIBRA DE INDICE DE ESCALÓN DE MODO SENCILLO

    Una fibra de índice de escalón de modo sencillo tiene un núcleo central, lo suficientemente pequeño, para que exista solo una trayectoria que la luz pueda tomar, conforme se propaga por el cable. En su forma más sencilla, la cubierta exterior es simplemente aire. En consecuencia, la fibra aceptara luz de una apertura ancha. Esto hace que sea relativamente sencillo acoplar luz desde una fuente en el cable. Sin embargo, este tipo de fibra normalmente es muy débil y de uso práctico limitado.

    FIBRA DE INDICE DE ESCALÓN MULTIMODO

    Una fibra de índice de escalón de multimodo es semejante a la configuración de modo sencillo, excepto que el núcleo central, es mucho más grande. Este tipo de fibra tiene una apertura de luz a fibra grande y, en consecuencia, permite que más luz entre al cable.

    FIBRA DE INDICE GRADUADO MULTIMODO

    Una fibra de índice graduado multimodo se caracteriza por un núcleo central que tiene un índice refractivo que no es uniforme; está al máximo en el centro y disminuye gradualmente hasta la orilla exterior. La luz se propagará por este tipo de fibra por medio de la refracción.

    COMPARACION DE LOS TRES TIPOS DE FIBRAS OPTICAS.

    Fibra de Indice de Escalón de Modo Sencillo.

    Ventajas.

  • Hay una dispersión mínima.

  • La alta exactitud en la reproducción de los pulsos transmitidos en el lado de recepción, los anchos de bandas, más grandes, y las velocidades de transmisión de información, más altas, son posibles con las fibras de índice de escalón de modo sencillo que con los otros tipos de fibras.

  • Desventajas

  • Debido a que el núcleo central es muy pequeño, es difícil de acoplar la luz, dentro y fuera de este tipo de fibra.

  • Las fibras de índice de escalón de modo sencillo son costosas y difíciles de fabricar.

  • Fibra de Indice de Escalón Multimodo.

    Ventajas.

  • Las fibras de índice de escalón multimodo son baratas y sencillas de fabricar.

  • Es fácil acoplar la luz, dentro y fuera de las fibras de índice de escalón multimodo; tienen una apertura de fuente a fibra relativamente grande.

  • Desventajas.

  • Los rayos de luz utilizan muchas trayectorias diferentes por la fibra, lo cual resulta en grandes diferencias en sus tiempos de propagación. En consecuencia, un pulso de luz que se propaga por una fibra de índice de escalón multimodo se distorsionará más que con otros tipos de fibras.

  • El ancho de banda y razón de transferencia de información posible, con este tipo de cable, son menores que con los otros tipos.

  • Fibra de Indice Graduado Multimodo.

    Esencialmente, no hay ventajas o desventajas sobresalientes de este tipo de fibra.

    PÉRDIDAS EN LOS CABLES PARA LA FIBRA ÓPTICA

    Las pérdidas en la fibra resultan en una reducción de la potencia de la luz, por lo tanto, reducen el ancho de banda del sistema, la velocidad de transmisión de información, eficiencia y capacidad total del sistema. Las pérdidas de fibra predominantes son las siguientes:

  • Pérdidas por absorción

  • Pérdidas por dispersión de Rayleigh o materiales

  • Dispersión cromática o de longitud de onda

  • Pérdidas de radiación

  • Dispersión modal

  • Pérdidas por acoplamiento

  • FUENTES DE LUZ

    Hay 2 tipos diferentes de fuentes de luz siendo usados en sistemas de fibra óptica: los diodos emisores de luz o light-emitting diode (LED) y el diodo de inyección láser o injection láser diode (ILD). Ambos dispositivos tienen ventajas y desventajas y la selección de un dispositivo sobre otro se determina por los requerimientos económicos y de rendimiento del sistema.

    DIODOS EMISORES DE LUZ

    Los LED emiten luz por emisión espontánea; la luz se emite como resultado de la recombinación de electrones y huecos.

  • LED de emisión superficial bien grabada de Burrus: para aplicaciones más prácticas, tales como las telecomunicaciones, se requieren razones ( velocidades ) de datos de 100 Mbps en exceso.

  • LED emisor de orilla: emiten un patrón de luz más direccional que los LED emisores superficiales. Los LED emisores superficiales son más comúnmente usados que los emisores de orilla, porque emiten más luz.

  • DIODO DE INYECCIÓN LÁSER

    La palabra láser es un acrónimo para la amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los láseres están construidos de muchos materiales diferentes incluyendo gases, líquidos y sólidos, aunque el tipo de láser usado, más frecuentemente para las comunicaciones de fibra óptica es el láser semiconductor. El diodo de inyección láser (ILD) es semejante al LED.

    Ventajas de los ILD

  • Debido a que los ILD tienen un patrón de radiación más directo, es más fácil acoplar su luz en una fibra óptica.

  • La potencia de salida radiante de un ILD es mayor que la de un LED.

  • Los ILD se pueden usar en velocidades de bits más altas que los LED.

  • Los ILD generan luz monocromática, la cual reduce la dispersión cromática o de longitud de onda.

  • Desventajas de los ILD

  • Los ILD están típicamente en el orden de ser 10 veces más caros que los LED.

  • Debido a que los ILD trabajan a potencias más altas típicamente tienen una vida más corta que los LED.

  • Los ILD son más dependientes de la temperatura que los LED.

  • DETECTORES DE LUZ

    Hay dos dispositivos que se usan comúnmente para detectar la energía de luz, en los receptores de comunicación de fibra óptica; detectores APD (avalanche photodiode detectors y detectores PIN(p-i-n).

    Un diodo PIN es un fotodiodo de capa de agotamiento y probablemente sea el dispositivo más usado, como un detector de luz, en los sistemas de comunicación de fibra óptica.

    FOTODIODOS DE AVALANCHA

    Los APD son más sensibles que los diodos PIN y requieren de menos amplificación adicional. Las desventajas de los APD son los tiempos de transición, relativamente largos y ruido adicional internamente generado, debido al factor de la multiplicación de avalancha.

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