Fibra óptica

Proyectos electrónicos. Composición. Tipos. Estructura de cables. Conectores. Recubrimiento. Clases. Ventajas. Inconvenientes. Dispositivos

  • Enviado por: Vuffz
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 29 páginas
publicidad

PROYECTO DE SISTEMAS ELECTRÓNICOS

LA FIBRA OPTICA

ESCUELA UNIVERSITARIA UPC DE VILANOVA (EUPVG)

Pág.

Historia 1

Conceptos básicos de óptica 3

Composición de las fibras ópticas 4

Tipos de fibra óptica 6

Estructura de los cables de fibra óptica 7

Conectores para fibra óptica 8

El recubrimiento holgado 9

El recubrimiento ajustado 11

Cables de fibra óptica de estructura holgada 11

Cables de fibra óptica de estructura ajustada 14

Ventajas de las fibras ópticas 15

Inconvenientes de las fibras ópticas 15

Dispositivos 15

  • Fuentes de luz 15

  • Fotodetectores 16

  • Conmutadores 17

  • Moduladores 18

  • Multiplexadores 18

  • Repetidores 18

  • Propagación de un paquete de ondas en un medio dispersivo 19

    Investigación y desarrollo en sistemas de fibras ópticas 20

    Cálculo de un enlace de fibra óptica 20

    Aplicación de las fibras ópticas a la telecomunicación 21

    Posibles aplicaciones 22

    Otra aplicación: FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 23

    Biografía 27

    Historia

    La Historia de la comunicación por la fibra óptica es relativamente corta. En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este material.

    Antes, en 1959, como o derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin que los mensajes se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura.

    Sin embargo esta utilización del láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser.

    Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la comunicación.

    Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede explicar de la siguiente manera:

    Se trata en realidad de una onda electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la única diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros en lugar de metros o centímetros.

    COMO PORTADORA DE INFORMACION 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 canales 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 señas, (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.

    CONCEPTO DE TRANSMISION En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es
    transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo) empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida.

    En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED'S (diodos emisores de luz) y lasers.

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

    Conceptos básicos de óptica:

    • Longitud de onda: Es la distancia entre dos puntos consecutivos de una onda electromagnética, que en un instante dado tienen la misma fase.

    • Frecuencia: Es la cantidad de longitudes de onda que pasan por un punto dado en un segundo.

    • Índice de refracción de un medio es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en dicho medio.

    • Dispersión cromática: Variación del índice de refracción de un mismo medio de propagación para ondas con diferentes longitudes de onda.

    • Ángulo de incidencia: Es el ángulo que forman la trayectoria de un rayo de luz y la perpendicular a la superficie de separación entre dos medios con diferente índice de refracción.

    • Refracción: Desviación que sufre un rayo de luz en su trayectoria al atravesar la superficie separadora de dos medios con índices de refracción diferentes.

    • Ángulo límite: Es el ángulo de incidencia para el cuál el rayo refractado sale con una trayectoria paralela a la superficie separadora de los dos medios.

    • Reflexión total: Cuando el ángulo de incidencia de un rayo es mayor que el ángulo límite, toda la energía del rayo se refleja en la superficie separadora de los dos medios.

    • Camino óptico: Es el producto de la longitud recorrida por un rayo en un medio, por el índice de refracción de dicho medio, o puede definirse de manera equivalente como el producto de la velocidad de la luz en el vacío, por el tiempo que tarda el rayo en recorrer la verdadera trayectoria.

    • Frente de ondas: Superficie virtual perpendicular a las trayectorias de los rayos de luz.

    • Diferencia de fase: Diferencia entre los estados angulares de dos ondas en un punto o instante dado.

    • Interferencia: Cuando en una región del espacio se superponen dos o más ondas de igual intensidad con sus vectores eléctricos paralelos (trayectorias iguales), la intensidad de la onda manifestada en dicha región, depende de la diferencia de fase entre las ondas, pudiendo darse cualquier valor entre cero (si las ondas tienen una diferencia de fase de π radianes) y la suma de sus amplitudes respectivas (si la diferencia de fase es cero, o sea, que “están en fase”).

    Composición de las fibras ópticas

    El conductor de fibra óptica esta compuesto por dos elementos básicos:

    El núcleo (core) y el recubrimiento (cladding), cada uno de ellos formando por material con distinto índice de refracción, para conformar así un guía de ondas propagador de las ondas luminosas. Así cuando hablamos de fibras de 50/125, 62.5/125 o 10/125 mm, nos estamos refiriendo a la relación entre el diámetro del núcleo y el del recubrimiento.

    Otro parámetro importante en una fibra es su apertura numérica. En los conductores de fibra óptica se utiliza el efecto de la reflexión total para conducir el rayo luminoso por su interior. El ángulo necesario para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior recibe el nombre de ángulo de aceptación. Pues bien, el seno de este ángulo se denomina apertura numérica.

    Un parámetro extrínseco a la fibra óptica es la ventana de trabajo. Cuando hablamos de ventanas de trabajo nos referimos a la longitud de onda central de la fuente luminosa que utilizamos para transmitir la información a lo largo de la fibra. La utilización de una ventana u otra determinará parámetros tan importantes como la atenuación que sufrirá la señal transmitida por kilómetro. Las ventanas de trabajo más corrientes son: Primera ventana a 850 nm, segunda ventana a 1300 nm y tercera ventana a 1550 nm. La atenuación es mayor si trabajamos en primera ventana y menor si lo hacemos en tercera. El hecho de que se suela utilizar la primera ventana en la transmisión de una señal es debido al menor coste de las fuentes luminosas utilizadas, al ser tecnológicamente más simple su fabricación.

    Por último hablaremos de la atenuación en las fibras como parámetro importante a destacar. Es producida por tres causas: Dispersión, debida a defectos microscópicos de la fibra; absorción, debida a materiales no deseados de la fibra y flexión debida a las curvaturas.

    Tipos de fibra óptica

    Se pueden realizar diferentes clasificaciones acerca de las fibras ópticas, pero básicamente existen dos tipos: fibra multimodo y monomodo.

    Fibras multimodo. El término multimodo indica que pueden ser guiados muchos modos o rayos luminosos, cada uno de los cuales sigue un camino diferente dentro de la fibra óptica. Este efecto hace que su ancho de banda sea inferior al de las fibras monomodo. Por el contrario los dispositivos utilizados con las multimodo tienen un coste inferior (LED). Este tipo de fibras son las preferidas para comunicaciones en pequeñas distancias, hasta 10 Km.

    Fibras monomodo. El diámetro del núcleo de la fibra es muy pequeño y sólo permite la propagación de un único modo o rayo (fundamental), el cual se propaga directamente sin reflexión. Este efecto causa que su ancho de banda sea muy elevado, por lo que su utilización se suele reservar a grandes distancias, superiores a 10 Km, junto con dispositivos de elevado coste (LÁSER).

    Fibra óptica multimodo:

    Fibra óptica monomodo:

    Estructura de los cables de fibra óptica

    Estructura ajustadas: está formado por un tubito de plástico o vaina en cuyo interior se encuentra alojado, en forma estable, el conductor de fibra óptica. La vaina debe ser fácil de manejar de forma similar a un cuadrete o un par coaxial. Pueden ser cables tanto monofibra, como multifibra. Sus aplicaciones más frecuentes son: cortas distancias, instalaciones en campus, instalaciones en interiores, instalaciones bajo tubo, montaje de conectores directos y montaje de latiguillos.

    Estructura holgada: en lugar de un solo conductor se introducen de dos a doce conductores de fibras ópticas en una cubierta algo más grande que la vaina del caso anterior, de ésta forma los conductores de fibra no se encuentran ajustados a la vaina. Además se suele recubrir todo el conjunto con un gel para que no penetre el agua en caso de rotura del cable. Principalmente se dividen en cables multifibras armados (antihumedad y antirroedores con fleje de acero) y cables multifibra dieléctrico (cable totalmente dieléctrico).

    Como aplicaciones más importantes tenemos conexiones a largas distancias e instalaciones en exteriores.

    Conectores para fibra óptica

    Los más frecuentes se relacionan en la tabla siguiente:

    Conectores

    Acoplamiento

    Tipo de fibra óptica

    Pérdidas Conectores

    ST

    Bayoneta

    SM y MM

    0.30 SM - 0.40 MM

    SMA

    Rosca

    MM

    0.60 MM

    FC/PC

    Guía+Rosca

    SM Y MM

    0.20 SM - 0.15 MM

    SC

    Push-Pull

    SM y MM

    0.20 SM - 0.15 MM

    Conectores de F.O. tipos:

    ST

    SC

    FC

    DIN

    SMA

    El recubrimiento holgado

    Se desarrolló para solucionar los problemas productivos que suponían el extruir una gruesa capa de recubrimiento de material termoplástico directamente sobre el recubrimiento primario. Entonces (principios de los ochenta) no había forma de lograr atenuaciones aceptables, ya que la capa de recubrimiento al enfriarse y contraerse, después de la extrusión, sometía a la fibra a grandes esfuerzos.

    Hubo que abandonar la técnica de recubrimiento ajustado y desarrollar una nueva, la de recubrimiento secundario holgado.

    Esta consistía en extruir sobre las fibras un tubo holgado como recubrimiento, de forma que la fibra quedara en su interior libre de contracciones.

    Esta fue una solución a los problemas de producción; pero rápidamente se vio que esta construcción dejaba a la fibra desprotegida frente a la humedad.

    Para solucionar el problema se inyectó gel en el tubo. De esta manera se solucionó el problema principal y se pudieron por fin construir cables de fibra con atenuaciones aceptables.

    Durante muchos años los cables de construcción holgada fueron los únicos instalados en exteriores, en todo tipo de distancias; e interiores si las distancias eran medias o cortas.

    Los problemas y sobre todo las incomodidades de manipular semejantes cables existían, pero la falta de una alternativa obligaba a su empleo.

    De hecho, y en el caso que nos ocupa, la resistencia a la humedad daba problemas.

    Efectivamente el gel, en este tipo de cables, no rellena el tubo en un 100%.Lo habitual es alcanzar protecciones del 85%. Ello asegura la existencia de burbujas y la inevitable, con el tiempo, penetración y presencia de agua: por filtración, o absorción a través de las paredes del tubo , por fisuras producidas durante la instalación, o por condensación.

    Si el cable construido a base de estos tubos está expuesto a temperaturas de congelación, las partículas de agua en el interior del recubrimiento secundario, al convertirse en hielo, presionan a las fibras induciendo en ellas micro curvaturas. Estas micro curvaturas producen desalineamientos puntuales del eje óptico de la fibra que se traducen en grandes aumentos de atenuación que acaban por inutilizar las fibras.

    El recubrimiento ajustado

    Es la construcción lógica, es decir, una gruesa capa de material íntimamente ceñido a la superficie de la fibra sin dejar así lugar al agua o al aire húmedo.

    Las fibras así recubiertas son prácticamente inmunes a la humedad que solo puede llegar a ellas, accidentes a parte, por la absorción de agua del recubrimiento.

    Normalmente los fabricantes utilizan el mismo tipo de recubrimiento que el usado en el sistema de tubo holgado, PBT. Esto se debe al hecho de que este material tiene un coeficiente de dilatación térmica muy bajo, lo que elimina problemas en el proceso de recubrimiento. No obstante no es un material excelente en lo que a absorción de agua se refiere.

    Cables de fibra óptica de estructura holgada

    Cables para patchcords y latiguillos

    Cordón CPS:

    Cordón de parcheo, formado por una fibra óptica, de estructura ajustada, (SM ó MM 62,5/125 ó MM 50/125) con recubrimiento secundario a 900 um, refuerzo de aramida y cubierta exterior HLLSFR, modelo CPS

    Se utiliza para la confección de cordones y latiguillos así como para la interconexión de equipos terminales.

    Cordón CPD:

    Cordón de parcheo doble, formado por dos fibras, de estructura ajustada, (SM ó MM 62,5/125 ó MM 50/125) con recubrimiento secundario a 900 um, refuerzo de aramida y cubiertas exteriores individuales HLLSFR unidas longitudinalmente, modelo CPD.

    Se utiliza para la confección de cordones y latiguillos así como para la interconexión de equipos terminales.

    Cordón CIP:

    Cordón de parcheo doble, formado por dos fibras, de estructura ajustada, (SM ó MM 62,5/125 ó MM 50/125) con recubrimiento secundario a 900 um, refuerzo de aramida y cubiertas  individuales unidas longitudinalmente y exterior común HLLSFR, modelo CIP

    Se utiliza fundamentalmente para la interconexión de equipos terminales.

    Cables de distribución para interiores

    Cable CDI:

    Cable de Distribución, de interiores, antihumedad, flexible, dieléctrico, formado por "n" Fibras ópticas de estructura ajustada, (SM ó MM 62,5/125 ó MM 50/125) con recubrimiento individual a 900 um, libre de gel, refuerzo de aramida y cubierta exterior común HFLSFR, modelo CDI

    Se utiliza para la distribución de datos y señales en interiores y campus

    Cable CDIR:

    Cable de Distribución, de interiores, dieléctrico, antihumedad y reforzado, tipo "breakout", formado por "n" cordones individuales de fibra óptica de estructura ajustada,(SM ó MM 62,5/125 ó MM 50/125) con recubrimiento individual a 900 um, libre de gel, refuerzo de aramida y cubiertas individuales HLLSFR; todos ellos recubiertos con una protección al conjunto material HFLSFR modelo CDIR

    Cables de distribución para exteriores

    Cable CDAD:

    Cable de Distribución armado dieléctrico, antihumedad, flexible, libre de elementos rígidos, formado por "n" Fibras ópticas de estructura ajustada, (SM ó MM 62,5/125 ó MM 50/125) con recubrimiento individual a 900 um, libre de gel, refuerzo común de aramida y cubierta interior, protección antirroedores mediante una armadura de trenza de fibra de vidrio y cubierta exterior HFLSFR, Tipo CDAD.

    Muy robusto, totalmente dieléctrico y protegido de los roedores. Puede ser instalado en interiores y exteriores

    Cable CLAD:

    Cable de Distribución antihumedad, flexible, libre de elementos rígidos, dieléctricos, formado por "n"  fibras ópticas de estructura ajustada, (SM ó MM 62,5/125 ó MM 50/125), con recubrimiento individual a 900 um, libre de gel, recubiertas globalmente con un film de poliéster, armadura formada por una trenza mixta de fibra de vidrio y aramida, y una cubierta exterior HFLSFR, Tipo CLAD.

    Cable de Fibra Óptica de estructura ajustada, libre de gel; armado con trenza de fibra de vidrio y aramida, destinado a aplicaciones de interior/exterior, en canalización.

    Cables especiales

    Cables de alta temperatura:

    • Cables extremadamente resistente a la temperatura

    • Diseñados para utilizarlos en las condiciones más adversas

    • Alta resistencia a los productos químicos (ácido sulfúrico, ácido nítrico, etc.)

    • Excelente comportamiento ante el fuego

    • Excelente resistencia a la fracción

    • Gran resistencia mecánica

    • Idóneo para instalaciones en el desierto (pozos petrolíferos, gaseoductos, etc.)

    • Rango de temperatura de -100 ºC a + 150 ºC

    Cables híbridos:

    Combinación de cables de cobre para transmisión de datos con fibra ópticas en un sólo cable.

    Ventajas

    • Permite la instalación de varios cables a la vez

    • Ahorro en los costes de instalación

    • El diseño de la cubierta permite separar fácilmente todos los cables

    Aplicaciones

    • Utilización de un solo cable de redes Lan's de cobre y redes de fibra óptica (FDDI).

    • Transmisión de múltiples señales (Ethernet, Token Ring, FDDI, vídeo, etc.)

    • Combinación de fibras ópticas multimodo y monomodo sin interferencias en los conductores de cobre.

    Cables de fibra óptica de estructura ajustada

    Cables de distribución para interior/exterior

    Cable tipo KT:

    Cable de acometida interior/exterior, dieléctrico, libre de elementos rígidos, formado por "n" fibras ópticas (SM ó MM 62,5/125 ó 50/125),con segunda protección holgada de PBT.Tubos activos , y ,si la geometría lo requiere, pasivos , ambos de PBT; cableados sobre un un elemento central de relleno. Protección antihumedad mediante gel hidrófugo. Dotado de hilaturas de aramida y cubierta exterior de material termoplástico libre de halógenos, baja emisión de humos y retardadora de llama.

    Cables para planta exterior, armados

    Cable tipo KTDT:

    Cable de interior/exterior, dieléctrico, libre de elementos rígidos, formado por "n" fibras ópticas (SM ó MM 62,5/125 ó 50/125),con segunda protección holgada de PBT.Tubos activos , y ,si la geometría lo requiere, pasivos , ambos de PBT; cableados sobre un un elemento central de relleno. Protección antihumedad mediante gel hidrófugo.Dotado de cubierta interior, hilaturas de aramida, armadura de trenza de fibra de vidrio y cubierta exterior de material termoplástico libre de halógenos, baja emisión de humos y retardador de llama.

    Cable tipo KTMT:

    Cable de interior/exterior, libre de elementos rígidos, formado por "n" fibras ópticas (SM ó MM 62,5/125 ó 50/125),con segunda protección holgada de PBT.Tubos activos , y ,si la geometría lo requiere, pasivos , ambos de PBT; cableados sobre un elemento central de relleno. Protección antihumedad mediante gel hidrófugo.Dotado de cubierta interior,hilaturas de aramida, armadura de trenza de acero y cubierta exterior de material termoplástico libre de halógenos, baja emisión de humos y retardador de llama.

    Cable tipo TKT:

    Cable de exterior/interior, para instalación en conductos,totalmente dieléctrico, formado por "n" fibras ópticas (SM ó MM 62,5/125 ó 50/125),con segunda protección holgada de PBT.Tubos activos , y ,si la geometría lo requiere, pasivos , ambos de PBT; cableados sobre un un elemento central de relleno. Dotado de cubierta interior,hilaturas de aramida, y cubierta exterior de material termoplástico libre de halógenos, baja emisión de humos y retardador de llama.

    Ventajas de las fibras ópticas

    • Debido al pequeñísimo grosor de las fibras ópticas (del orden de unas micras), se pueden introducir unas 100 en un tubo del mismo grosor que los cables coaxiales de más alta capacidad, lo que las hace unas 1000 veces más capaces que éstos.

    • Se pueden transmitir por una fibra diferentes longitudes de onda (multiplexación de longitudes de onda), lo que multiplica por miles la capacidad de los cables coaxiales.

    • Se produce menor atenuación en la señal, por lo que la distancia entre repetidores es bastante mayor (10 - 100 km) que en los cables eléctricos, por lo que las conexiones abonado - central, y entre centrales de la misma ciudad no necesitan repetidor.

    • No se ven afectadas por perturvaciones eléctricas o magnéticas como los cables convencionales, ya que la señal propagada es óptica.

    Inconvenientes de las fibras ópticas

    • Debido a que no se pueden reparar, en caso de ser dañadas han de sustituirse.

    Dispositivos

  • Fuentes de luz: Deben ser miniaturizables, y su frecuencia de emisión ha de poder ser modificada. Cuando la fuente de luz no está directamente acoplada a la fibra a través del circuito integrado, el haz ha de ser focalizado mediante lentes adecuadas (objetivos de microscopio o lentes grin). También se emplean prismas, redes de difracción y sobretodo, acopladores direccionales para pasar luz de una fibra a otra.

    • 'Fibra ptica'
      Laser de inyección o diodo laser (LD): Se utiliza para alimentar fibras monomodo, debido a su gran monocromaticidad (anchura espectral reducida), y a que su frecuencia de modulación puede ser muy elevada.

    • Potencia de salida: 20 mW.

    • Frecuencia de modulación: Hasta 10 GHz.

    • Anchura espectral: 0.7 nm.

    • Fotodiodo emisor de luz (LED): Se utiliza en fibras multimodo.

    • Potencia de salida: 1 mW.

    • Frecuencia de modulación: Hasta 50 MHz.

    • 'Fibra ptica'
      Anchura espectral: 50 nm.

  • Fotodetectores: Al final de la transmisión, la señal luminosa tiene que ser detenida y convertida en corriente eléctrica, siempre dévil, que amplificada actúe sobre los auriculares o altavoces, o sobre los correspondientes elementos del sistema al que sirva la comunicación. Los fotodetectores utilizados son los fotodiodos:

    • 'Fibra ptica'
      Un fotodiodo no es más que una unión p-n, en la que se diferencian tres regiones: La zona de deplexión, que es la región de la unión, en la que ya no quedan portadores de carga y que por lo tanto se comporta como una barrera aislante. Y las regiones p, y n, que quedan cargadas negativa y positivamente, produciéndose entre las dos regiones un campo eléctrico E en el sentido np. Cuando la zona de unión se ilumina con fotones cuya energía hν es mayor que la del gap (diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción de un semiconductor), en la zona de unión se crea un par electrón-hueco. El electrón pasa a la banda de conducción, y si se cierra el circuito exterior, se producirá una corriente cuya intensidad será proporcional al número de pares creado, y por tanto al flujo de luz recibido.

    • 'Fibra ptica'
      Fotodiodos PIN: El fotodiodo p-i-n, consta de tres regiones: p, n, y una región “i” no dopada. La situación es la misma que en el caso de un fotodiodo normal, salvo que la zona de deplexión aquí, se estiende a lo largo de toda la región i, por lo que la superficie de sensible a la luz es mucho más ancha, y puede producir mayor cantidad de corriente.

    • Fotodiodos de avalancha (APD): Son detectores p-n que se alimentan en sentido inverso a altos voltajes (entre 40 y 400 V, frente a los 8 o 10 V con que se alimentan los PIN), y producen un efecto multiplicador, debido a que los electrones producidos, sufren una fuerte aceleración devida a la tensión, y producen debido a los choques con el material nuevos electrones libres, que a su vez multiplican el efecto. Un solo electrón puede dar lugar a 100 electrones por el efecto de cascada o avalancha. Mientras que en los fotodiodos ordinarios la respuesta es de unos 0.5 a 0.8 amperios por watio de luz, en los de avalancha puede ser de unos 25 a 100 amperios por watio de luz recibido.

    Fototransistores: Las uniones p-n-p o n-p-n con un montaje adecuado, al ser iluminadas, producen corrientes que el mismo dispositivo amplifica. Su principal característica es su rapidez de respuesta, detectando variaciones periódicas de la intensidad con frecuencias del orden de 1010 Hz. Además son sensibles, manejables y se polarizan a bajos voltajes. Pueden fabricarse con técnicas de circuitos integrados de formatos tan pequeños, que se consiguen mosaicos de fotodetectores con altísimas densidades propias para la construcción de retinas artificiales en robótica.

  • Conmutadores: Permiten o impiden la transferencia de luz de una fibra a otra. El mecanismo es el siguiente: Si se colocan dos fibras muy próximas durante un trayecto de longitud L, tal que la luz llega solo por una de ellas, si al final del trayecto toda la luz sale por la segunda fibra, la luz habrá sido transferida de una fibra a otra. Si sobre cada fibra se coloca una placa conductora en la región del acoplamiento, y entre las placas se establece una diferencia de potencial, las dos fibras estarán atravesadas por el campo eléctrico E en sentidos opuestos, por lo que en una fibra crecerá el índice de refracción, y en la otra disminuirá. Fijando L, y ajustando el voltaje adecuadamente, es posible variar los parámetros de las fibras, haciendo que la transferencia se realice o no.

  • 'Fibra ptica'
    Moduladores: La modulación más utilizada es la modulación en amplitud, y se realiza mediante una guía en gorma de doble Y. La amplitud de la señal de la fibra antes del dispositivo, se divide en dos partes iguales, que se separan por los dos brazos de la Y (punto A en la figura). Si al llegar al punto de unión (punto B), ambas señales han recorrido los mismos caminos ópticos, la señal original se reconstruirá, pero si la diferencia de caminos es λ /2, por la fibra no saldrá luz alguna. Como en el caso de los conmutadores, se recubre la parte de cada brazo con una placa metálica, y se establece una diferencia de potencial entre las dos placas, con lo cual en un brazo aumentará el índice, y en el otro disminuirá. Si se hace que V tome los valores 0 y el valor que produce una diferencia de caminos de λ /2 alternativamente, a la salida del dispositivo saldrán alternativamente intensidades 0 e I0, que pueden utilizarse para transmitir en sistema binario.

  • 'Fibra ptica'
    Multiplexadores:
    Cada señal que se desea multiplexar, se modula con portadoras de diferentes longitudes de onda, y se introducen en la fibra mediante acoplamiento direccional. Al otro extremo de la línea, se separan las diferentes comunicaciones mediante una red de difracción (normalmente de efecto electroóptico), y se envían cada una por su línea. Si la comunicación es digitalizada, cada slot de información (cantidad fija de bits) lleva un identificador de a qué comunicación pertenece, y la demultiplexación se realiza de manera lógica, no física, esto es, que se analiza cada trama de bits que llega al receptor, y éste separa cada línea por su camino.

  • Repetidores: Tiene como misión reforzar y purificar la señal debilitada por la distancia recorrida.

    • Puede hacerse por vía electrónica haciendo una detección de la señal luminosa, convirtiéndola en señal eléctrica y amplificándola por vía electrónica. Esta señal, una vez filtrada, se utiliza para modular un laser que introduce de nuevo la señal luminosa en la fibra.

    • 'Fibra ptica'
      Otro método es por medio de fibras activas: La energía necesaria para la amplificación la suministra un laser, que produce bombeo en la fibra dopada, cuya luz se introduce en la fibra por acoplamiento direccional. A la salida, se depura la señal por medio de filtros. La longitud de las fibras activas utilizadas suele ser de entre una y unas decenas de metros, y las ganancias que se consiguen son del orden de 30 dB.

    Propagación de un paquete de ondas en un medio dispersivo

    Todos los medios materiales son en mayor o menor medida dispersivos. El único medio no dispersivo es el vacío. De todas las ondas de diferentes frecuencias que forman un paquete de ondas, cada una se propaga con diferente velocidad de fase en un medio dispersivo.

    Entonces, no hay en el tiempo ni en el espacio, otro punto distinto del de partida, en el que todas las ondas que forman el paquete se encuentren en fase, lo que provoca que el grupo se deforme al propagarse. Únicamente si el intervalo de frecuencias de las ondas que forman el grupo es muy estrecho, se obtiene una velocidad de grupo constante.

    'Fibra ptica'

    Si una fibra es multimodo:

    • Para valores fijos de los índices de refracción y la longitud de onda de la luz que se transmite, si se va disminuyendo paulatinamente el diámetro de la fibra, el modo de mayor orden irá quedando menos confinado en el interior de la fibra hasta desaparecer. Si se sigue disminuyendo el diámetro, van desapareciendo los modos de órdenes cada vez menores sucesivamente, hasta que la fibra se convierte en monomodo.

    • Para valores fijos de los índices de refracción y del diámetro de la fibra, el número de modos que la fibra es capaz de transmitir, irá disminuyendo a medida que aumenta la longitud de onda de la luz, hasta un valor límite λc (longitud de onda de corte), por encima del cual la fibra será monomodo.

    Además, cuanto más distintos son los índices de refracción de la fibra y del medio que la rodea, es menor el diámetro que hace que la fibra sea monomodo, por lo que es aconsejable que tengan valores próximos, para que el espesor de fibra monomodo no sea excesivamente pequeño. Para ello, se recubre las fibras de un material con un índice de refracción muy cercano (siempre menor) al de la guía de ondas.

    Investigación y desarrollo en sistemas de fibras ópticas

    Por las fibras ópticas viajan ondas electromagnéticas, cuyo espectro de frecuencias no está aprovechado en absoluto. Por ejemplo, si lo que se desea es aumentar la capacidad de transmisión de una fibra óptica, ¿por qué no aumentar la frecuencia de las ondas para conseguir mayor densidad de información? Las frecuencias utilizadas hasta ahora están todas en el espectro del visible (aproximadamente 1014 Hz), si se utilizaran frecuencias de ondas pertenecientes al espectro del ultravioleta o aún más, podría aumentarse la capacidad de las fibras.

    En la práctica esto no es todavía posible, no porque la fibra no acepte mayores frecuencias en las ondas transmitidas, sino porque los dispositivos fotodetectores más rápidos, no son capaces de trabajar a frecuencias mayores. Los mecanismos de respuesta de los semiconductores con la tecnología actual no son capaces de superar la cota de los 10 Gbps, cota que además queda reducida por el efecto que la dispersión causa en el ensanchamiento de los pulsos y que reduce el número de ellos que pueden transmitirse sin que haya solapamiento.

    Cálculo de un enlace de fibra óptica

    Supongamos que deseamos trasmitir una señal de TV en banda base a un centro de control de tráfico situado a 2500 metros. Para ello hemos decidido situar a pie de cámara nuestro modelo TX11-1204, y en el centro de control de tráfico un RX11-1206 (ambos equipos trabajan en 1ª ventana (850 nm), para la cual se han hecho los cálculos). Además deberemos realizar 4 empalmes y dos cenectorizaciones, una a cada extremo.

    A partir de los datos anteriores calcularemos el margen de diseño que disponemos:

    Potencia de transmisión del TX11-1204:

    -14 dBm

    Sensibilidad del receptor RX11-1206:

    -29 dBm

    Ganancia disponible del sistema:

    15 dB

    4 empalmes por fusión (0.1 dB cada uno):

    0.4 dB

    2500 metros de cable de fibra óptica (3.5 dB/Km):

    8.75 dB

    2 conectores ST (0.5 dB máx. por conector):

    1.0 dB

    Total de pérdidas:

    10.15 dB

    Margen de diseño:

    4.85 dB

    Como podemos ver disponemos de 4.85 dB de margen. Es recomendable que se disponga de un margen de 3 dB, ya que los valores utilizados para las pérdidas pueden variar debido a efectos de temperatura, extensiones del enlace, empalmes adicionales debido a restauraciones de emergencia,... Por tanto, para el caso que acabamos de presentar, los equipos utilizados resultan totalmente válidos, asegurando un funcionamiento correcto del enlace.

    Aplicación de las fibras ópticas a la telecomunicación

    La información se transmite mediante pulsos de luz, que se obtienen modulando en amplitud un emisor, que puede ser un laser de inyección o un LED.

    Por ejemplo, para la comunicación telefónica digital, la señal de voltaje que sale del micrófono, se muestrea a una frecuencia doble de la máxima de la que se tenga que emitir (teorema de Ninquist). Entonces, se convierte cada muestra a un código binario de 8 bits (256 posibles valores diferentes), y se emiten los bits (ceros y unos) en forma de pulsos de luz. Al otro extremo de la fibra, se convierten los pulsos de luz de nuevo a pulsos eléctricos mediante fotodetectores, y se reconstruye la señal analógica de voltaje a partir de los pulsos, llevándola al auricular del receptor.

    Como el tiempo entre dos muestreos de señal en el micrófono del emisor, es mucho mayor que el que ocupa la emisión de los pulsos de cada muestra, se pueden unir (multiplexar) varias transmisiones simultáneamente por una misma fibra. Al otro extremo de la fibra, habrá que separar las señales correspondientes a cada comunicación (demultiplexación).

    Entonces, las fibras ópticas se pueden clasificar en función del número de líneas que permiten transmitir simultáneamente:

    Nº de Orden

    Nº de líneas

    Vt (Mbps)

    1

    30

    2

    2

    120

    8

    3

    480

    34

    4

    1920

    140

    5

    7620

    565

  • Las fibras de órdenes 1 y 2 son utilizadas para conectar a los abonados de la red telefónica con las centrales telefónicas urbanas.

  • Las fibras de órdenes 3 y 4 son utilizadas para conectarse entre sí las centrales telefónicas urbanas dentro de una misma ciudad.

  • Las fibras de órdenes 4 y 5 son utilizadas para conectar centrales telefónicas de distintas ciudades.

    Posibles aplicaciones

    a ). Transmisión de datos de Alta Velocidad


    b ). Enlaces E1 (2Mb/s) para conexión de P.A.B.X.


    c ). La posibilidad en el futuro de conexión de nuevos servicios como multimedia o sistemas de televisión por cable.

    Otra aplicación: FDDI (Fiber Distributed Data Interface)

    Las necesidades de ancho de banda y de fiabilidad en las redes de área local (LANs) han experimentado un incremento sustancial en los últimos tiempos debido, sobre todo, a los avances producidos en los equipos de sobremesa y en la sofisticación de las aplicaciones de red.

    Para satisfacer esta demanda, han surgido soluciones como Fast Ethernet (100BaseT), ATM o FDDI. Fast Ethernet es básicamente una mejora de Ethernet que multiplica por diez el ancho de banda disponible, pasando de 10 a 100Mbps, aunque éste sigue estando compartido entre todas las estaciones de la red. ATM es una nueva tecnología que proporciona un ancho de banda suficiente para soportar la transmisión de datos, voz y vídeo sobre el mismo soporte físico, pero sus costes son aún prohibitivos y el nivel de soporte prestado por la industria es bajo. FDDI se perfila pues como la solución idónea y que ha sido más ampliamente adoptada para construir redes troncales (backbones) rápidas y fiables.

    FDDI define una topología de red local en doble anillo y con soporte físico de fibra óptica. Puede alcanzar velocidades de transmisión de hasta 100Mbps y utiliza un método de acceso al medio basado en paso de testigo (token passing). Con relación al modelo de referencia OSI, FDDI define una serie de protocolos que abarcan las capas física y de enlace.

    Como su propio nombre indica una de las características fundamentales de FDDI es la utilización de fibra óptica (FO), medio para el que fue específicamente diseñado aprovechando sus ventajas frente al cableado de cobre tradicional en cuanto a velocidad de transmisión, fiabilidad y seguridad: la FO, con un ancho de banda mucho mayor que el cable de cobre, le supera con creces en velocidad de transmisión, es inmune a las interferencias electromagnéticas (EMI) y no emite radiación alguna que pueda ser "escuchada" ni tampoco puede ser "pinchada" sin que sea detectado.

    Se pueden utilizar dos tipos de fibra para construir el anillo: multimodo y monomodo. Los modos pueden verse como grupos de rayos de luz que entran en la fibra con un ángulo determinado, según el cual se propagan con distintas velocidades. Las fibras monomodo están fabricadas de un material y con unas dimensiones tales que sólo puede propagarse un único modo, mientras que las multimodo permiten la propagación de múltiples modos. En este último caso, debido a las diferentes velocidades de propagación, los modos no llegan a su destino al mismo tiempo y se produce un efecto negativo que se conoce con el nombre de dispersión modal (el efecto de la dispersión modal sobre un pulso cuadrado es su suavizado y ensanchamiento). Por tanto, las fibras monomodo son capaces de transmitir a velocidades y distancias mayores que las multimodo, aunque, para poder inyectarle a una fibra monomodo un único modo, es necesario utilizar dispositivos láser como fuentes de luz, mientras que las fibras multimodo, son menos restrictivas en ese aspecto y pueden trabajar con diodos LED, mucho más baratos.

    Una red FDDI puede conectar un máximo de 500 estaciones con una distancia máxima entre estaciones de 2Km si se utiliza fibra multimodo o de 20Km si la fibra es monomodo. La longitud máxima del anillo de fibra es de 200Km ó 100Km si es doble.

    Especificaciones de FDI

    La especificación de FDDI abarca los niveles físico y de enlace del modelo de referencia OSI y, a su vez, establece dos subniveles dentro de la capa física y otras dos dentro de la capa de enlace.

    El nivel físico está dividido en un subnivel dependiente del medio (PMD) y un protocolo del nivel físico (PHY). El primero de ellos define las características del medio de transmisión, incluyendo los enlaces de FO, niveles de potencia, tasas de error, componentes ópticos y conectores. El protocolo del nivel físico, a su vez, define los algoritmos de codificación y decodificación, la temporización de las señales, así como otras funciones.

    El nivel de enlace queda dividido en un subnivel de control de acceso al medio (MAC) y un subnivel de control del enlace lógico (LLC). LLC está definido por el estándar IEEE 802.2 independientemente de FDDI, utilizándose este último en múltiples protocolos de enlace. El MAC define la forma en la que se accede al medio, incluyendo la especificación del formato de las tramas, la manipulación del testigo (token), el direccionamiento, los algoritmos para calcular los valores CRC (cyclic redundancy check) y los mecanismos de recuperación de errores.

    De forma adicional, FDDI define la capa de la estación de gestión (SMT) donde se especifica la configuración de la estación FDDI, la configuración y las características del control del anillo, que incluye la inserción y extracción de estaciones, inicialización, aislamiento de los fallos y recuperación, programación y recopilación de estadísticas.

    A continuación se muestran los niveles físico y de enlace de FDDI:

    Conexiones físicas

    FDDI define el uso de un anillo doble de fibra óptica, por cada uno de los cuales el tráfico circula en un sentido diferente. Físicamente, cada anillo consiste en dos o más conexiones punto a punto entre estaciones adyacentes. Uno de los anillos recibe el nombre de anillo primario y se utiliza para la transmisión de los datos; el otro se denomina anillo secundario y generalmente se reserva su uso como circuito de respaldo

    Existen dos tipos de estaciones en una red FDDI. Las estaciones de clase B o de conexión simple (SAS, single-attachment stations) se conectan a uno de los anillos, mientras que las estaciones de clase A o de conexión doble (DAS, dual-attachment stations) se conectan a los dos. Un equipo concentrador previene que un fallo o el apagado de una SAS corte el anillo, esto es particularmente útil cuando las estaciones conectadas son PCs o equipos similares que son encendidos y apagados frecuentemente.

    En la siguiente figura se muestran los distintos componentes en una red FDDI.

    Tipos de tráfico

    FDDI soporta la asignación del ancho de banda en tiempo real mediante la definición de dos tipos de tráfico: síncrono y asíncrono. El tráfico síncrono puede consumir una parte de los 100Mbps mientras que el asíncrono consumirá el resto. El ancho de banda síncrono se le asigna a aquellas estaciones que requieren la capacidad de transmitir de forma continua, por ejemplo, para enviar voz o vídeo por la red. El ancho de banda restante es utilizado por las estaciones asíncronamente. La especificación de la estación de gestión (SMT) define un esquema de control distribuido para el reparto del ancho de banda disponible.

    El ancho de banda asíncrono se distribuye entre las estaciones utilizando un esquema de prioridades con ocho niveles (tráfico asíncrono no restringido), aunque se permite que las estaciones utilicen de forma temporal todo el ancho de banda asíncrono disponible (tráfico asíncrono restringido). Este mecanismo de prioridades tiene el inconveniente de que puede dejar fuera de juego a estaciones que no puedan emplear el ancho de banda síncrono y tengan asignada una prioridad de tráfico asíncrono demasiado baja.

    Buscadores:

    www.yahoo.es

    www.altavista.com

    www.google.com

    www.lycos.com

    CD-ROM de la empresa OPTRAL (distribuidor de fibra óptica).

    ALCATEL - Revista de telecomunicaciones.

    Biblioteca de la EUPVG

    • Teleinformática aplicada, de A. R. Castro Lechtaler y R.J.Fusario

    • Redes de área local