Fibra óptica

Transmisión de Datos. Fotoemisores. Refracción. Modulador. Demodulador. Emisor-Receptor. Limitaciones. Apertura

  • Enviado por: David Viñas
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 8 páginas
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1.Introducción

Las propiedades y modos de propagación de la energía luminosa en una fibra óptica están reguladas por las leyes físicas de la óptica, y en particular por la óptica geométrica.

A lo largo de esta introducción se desarrollan algunas nociones de óptica, así como los principios físicos que están en la base de la propagación de la luz por la fibra óptica.

1.1. Física de la fibra óptica

Una fibra óptica aparece a la vista como un tubo fino y flexible de material vidrioso, constituido por dos partes.

La parte interior recibe el nombre de núcleo y la exterior el de recubrimiento; el núcleo y el de recubrimiento tienen índices de refracción ligeramente distintos correspondientes a la superficie límite entre ambas partes. Normalmente, el índice de refracción oscila entre 1,4 y 1,6, mientras que la diferencia N1-N2 está entre 1,1 % y algunas unidades porcentuales.

La luz se propaga por el interior de la fibra por reflexión total entre el límite del núcleo y e recubrimiento. Sin embargo, en la práctica los rayos luminosos únicamente sufren reflexión total cuando se respetan algunas leyes de la óptica geométrica, desde las que se deduce la condición básica para la propagación de la luz dentro de la fibra óptica.

La primera condición se cumple cuando el índice de refracción del núcleo es mayor que el del revestimiento; La segunda condición se da cuando por la fibra óptica sólo se propaga una cierta cantidad de radiación luminosa, en particular, sólo los rayos incidentes que entran dentro de un cierto ángulo de aceptación de la fibra.

De las soluciones de las ecuaciones de Maxwell, resulta que la energía que se propaga en la fibra está distribuida en un número discreto de configuraciones espacio-temporales, cada una de las cuales representa una solución de las ecuaciones de Maxwell. Estas configuraciones reciben el nombre de modos. Cada modo tiene su propia velocidad.

La dispersión modal es precisamente lo que en la práctica limita el ancho de banda de algunos tipos de fibra. Los rayos inyectados con una inclinación máxima realizarán un recorrido más largo, respecto a los rayos inyectados paralelamente.

El ángulo en el que la fibra acepta la radiación luminosa se denomina apertura numérica.

Cuánto mejor sea la fibra, mayor será esta apertura.

Una fibra óptica será más eficiente, cuanto más se aproxima la frecuencia de la radiación propagada al índice de refracción. En la práctica, esta condición se producirá cuando la frecuencia de la radiación luminosa propagada se acerca a uno de los tres intervalos, en los que se tiene una mayor atenuación. Estos intervalos de frecuencia, llamados ventanas, se encuentran entre 800 y 900 nm para la primera ventana, 1050 y 1200 nm para la segunda y 1250 y 1400 para la tercera ventana.

Las fibras ópticas son totalmente inadecuadas en su estado bruto, después del proceso de fabricación, para su tendido por las canalizaciones de la compañía telefónica, por ejemplo; más bien tienen que fabricarse fibras ópticas de forma similar a como se fabrican las líneas de cobre y las guíaondas, que en sus propiedades mecánicas son comparables a los cables metálicos. Para alcanzar este objetivo tendrían que aumentarse por una parte la resistencia a la tracción de las fibras ópticas y por otra parte impulsarse su facilidad de cableado. La resistencia a la tracción de una fibra óptica que se ha estirado recientemente decrece rápidamente debido a microfisuras y a la influencia de la humedad. Se originan diminutos daños microscópicos sobre el revestimiento que penetran lentamente en el interior y disminuyen continuamente la tenacidad; para evitarlo y en conexión con el proceso de estirado se deposita directamente sobre la cubierta de la fibra una capa protectora de una resina orgánica, por ejemplo un hidrocarburo sustituido de flúor como el teflón .

1.2.Limitaciones

Limitaciones Químicas:

Las fibras ópticas presentan limitaciones químicas que adquieren mayor intensidad para determinadas longitudes de onda, a los efectos de la irradiación, determinándose que los láseres de elevada potencia pueden motivar cierto deterioro.

La irradiación conduce a modificar el color del material transparente de las fibras, produciendo su oscurecimiento.El vidrio irradiado está constituido por menor cantidad de sílice y mas óxido de plomo. El cuarzo en estado de extrema pureza se halla menos afectado por la irradiación, pero existe mayor dificultad en convertirlo en fibras.

Aún cuando resulten de costo elevado, las fibras de silice fundida dopadas con germanio presentan muy buena resistencia a la irradiación, pero el tiempo de restauración de una capacidad transmisora del 50% de la capacidad inicial resulta inferior al de ciertas fibras de material sintético.

Limitaciones Térmicas:

Estas limitaciones difieren en alto grado, según se trate de fibras realizadas a partir del vidrio o a partir de materiales sintéticos. Estos han sido previstos para temperaturas que van desde -40 hasta +80 grados centígrados.

1.3.Ventajas

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 altatensión. 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 puedeser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por canal;

Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.

Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.

Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.

Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y

variaciones de temperatura.

La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

2.Tipos de fibra óptica

Dependiendo del tipo de aplicación a que se destine la fibra, y siempre en función de su más frecuente uso -las comunicaciones- se pueden considerar dos grupos:

  • Fibras de alta calidad para enlaces de telecomunicaciones

  • Fibras para enlaces de corta y media distancia

Fibra de sílice

Fibra de vidrio policomponente

COMPOSICIÓN

Núcleo

Óxidosde silicio,germanio, boro y fósforo

Óxidos de silicio, sodio, calcio y germanio

Revestimiento

Óxidos de boro,sílice y fluoruros de silício

Misma composición que el núcleo

MATERIALES

Núcleo

Tetracloruros de germanio, silicio y tricloruros de fosforo y boro

Tetracloruro de silicio y nitratos de calcio y sodio

Revestimiento

Tetracloruro de silicio, tetracloruro y hexafluoruro de silicio

Misma composición que el núcleo

2.1.Fibras de alta calidad

Se dice que una fibra es monomodo cuando cumple ciertas condiciones. Actualmente, lo que significa es que la fibra trabaja con un solo modo, y no tiene ningún modo que dependa de su forma o del material. Las condiciones se establecen en una ecuación de la forma:

2p a/l Ö (2n´ D n)£ 2,41 = monomodo

donde:

a : radio del núcleo.

D : la longitud de onda.

n : índice de refracción del núcleo.

D n: diferencia entre los índices de refracción del núcleo y la cubierta.

La ecuación puede manipularse para encontrar el tamaño permitido del núcleo para un formato y tipo de cubierta si se conocen los índices de refracción del núcleo y la cubierta. Esto, equivale a decir que en monomodo se considera que solamente se ransmite una frecuencia e luz.

Se dice que una fibra óptica es multimodo, si bien el diámetro del nucleo o los índices de refracción del núcleo y de la cubierta son mayores que los límites establecidos por la ecuación expresada anteriormente, para operación en monomodo.

Cuando se trabaja en multimodo habrá muchos rayos de luz diferentes, cada uno de ellos viajando con un ángulo e reflexión distinto pero siempre menores que el ángulo crítico, viajando a lo largo del núcleo. Es posible tener un material de tipo gradual de manera

que haya un cambio gradual en el ídice de refracción desde el centro hacia el exterior. Esto disminuye la dispersión modal a lo largo de las fibras de luz multimodo.

3.Elementos de un sistema de comunicaciones poe fibra óptica

La tarea de la electrónica del emisor es convertir la información eléctrica a la entrada de datos en las intensidades apropiadas para la modulación de diodos láser o de electroluminiscentes. Un caso usual es convertir una señal digital a la entrada de datos en un breve impulso de intensidad de mayor amplitud. Con un circuito que cumple ésta función pueden realizarse anchuras de impulsos de alrededor de 10 ns.

Para excluir las dificultades que se originan por la modulación con series de impulsos MIC (PCM), ocasionadas por las oscilaciones del láser, se envía una corriente de polarización a través del diodo láser, evitando que se produzca un impulso luminoso a partir de emisión espontánea. Con esta medida se obtienen series de impulsos de hasta algunos Gigabits por segundo.

Otra dificultad que se presenta, es que con el aumento de la temperatura crece la corriente umbral del láser, por este motivo son necesarios dispositivos de regulación electrónica que ajusten la corriente en función de la temperatura a la intensidad umbral correcta. Teniendo en cuenta factores como la regulación de la temperatura se puede seguir mejorando el comportamiento de la emisión. El diodo electroluminiscente necesita una tensión de polarización, con un orden de magnitud de la tensión de difusión, para

excluir la desfavorable influencia de la capacidad de la capa de corte durante el período del impulso lumínico.

La función de la electrónica de recepción es amplificar lo máximo posible la señal proveniente el fotodiodo, sin ruido y con un margen dinámico. El receptor se compone de un preamplificador y un amplificador en banda ancha, cuya función es llevar la señal al nivel adecuado para su ataque al equipo final. Con una ganancia suficiente seobtiene en la salida de datos una tensión proporcional a la corriente del fotodiodo, con una factor proporcional a las realimentaciones del circuito. La sensibilidad de la disposición se determina principalmente por el ruido de amplificación; por lo que es importante disminuir la tensión de ruido del preamplificador. La anchura de banda de la ganancia debe entonces elegirse tan grande como lo exija el sistema.

La selección de la fibra óptica depende de las características del sistema; las consideraciones más importantes son: tipos de fibra (plástico o silicio), dimensiones del núcleo y recubrimiento, modo de propagación (monomodo o multimodo) tipo de índice (gradual o escalonado) y otros:

  • Apertura numérica (NA): Esto depende del tipo de fibra seleccionada

  • Longitud de onda: valor nominal de operación.

  • Ancho de banda: se especifica en Mhz/km.

  • Tiempo de subida: De un pulso óptico desde 20% al 80% de su máxima intensidad, esto lo define e fabricante.

  • Pérdida en el cable: la atenuación se da en dB por kilómetro.

En este apartado, los elementos a tener en cuenta serán:

  • Por absorción de luz y que es convertida en calor. ultravioleta, infrarroja y de resonancia de ión.

  • Por dispersión de Rayleigh o materiales: Luz difractada que escapa por la cubierta al chocar contra una irregularidad del vidrio en el proceso de fabricación.

  • Cromática o de longitud de onda: La luz emitida por un LED se descompone en sus diferentes longitudes de onda constitutivas viajando a distintas velocidades por la fibra llegando al otro extremo a diferentes tiempos.

  • De radiación: Causada por dobleces e irregularidades en la fibra.

  • Modal: Causada por diferencias de tiempos de propagación de los rayos de luz que toman diferentes trayectorias por una fibra.

  • De acoplamiento: En las conexiones de fuente a fibra, fibra a fibra y/o fibra a fotodetector, es causadas por problemas de alineación.

    • Conectores: número de conectores y la pérdida de estos en dB.

    • Interruptores ópticos: si se utilizan interruptores ópticos, la cantidad de estos y la máxima atenuación permitida.

    • Empalmes: el número de empalmes y la atenuación en dB de cada uno de ellos.

    • Distancia de transmisión: la distancia entre el transmisor y el receptor.

    4.Terminología aplicada en la fibra óptica

    Las fibras son cubiertas con una funda plástica (coating) que provee protección mecánica al manipuleo. Esta funda puede retirarse por medios mecánicos o físicos con el fin de realizar los empalmes y le da a la fibra un diámetro externo que puede ser de 250, 500 o 900 micrómetros (millonésima parte de un metro).

    La mayoría de las fibras usadas en sistemas de CATV tienen un núcleo de 8 micrómetros, un cladding de 125 micrómetros y un coating 250 micrómetros de diámetro.

    Longitud de Onda

    Esta define el color de la luz que es emitida por la fuente luminosa. Para sistemas de TV por cable, 1310 y 1550

    nanómetros son longitudes de onda típicas. Los rangos de longitudes de onda en los cuales la fibra óptica opera mejor

    se denominan ventanas.

    Atenuación

    Se define así a la pérdida de potencia óptica. La atenuación puede ser inherente a la fibra, por absorción (impurezas naturales) o scattering (impurezas que perturban el pasaje de la luz y la dispersan), o puede deberse a fuentes externas tales como micro o macrocurvas. La máxima atenuación garantizada por Comm-Scope para sus fibras es 0.35 db por km. a 1310 nanómetros y 0.25 db por km. a 1550 nanómetros.

    Dispersión

    Se llama así a la dispersión en fase producida sobre una señal luminosa que viaja a través de una fibra. A causa de este efecto, puede ocurrir una degradación en la señal, causando distorsiones en el receptor, específicamente, distorsión compuesta de segundo orden.

    Apertura Numérica

    Esta es la medida de la capacidad de la fibra para aceptar ondas luminosas desde varios ángulos y transmitirlas a través del núcleo. Mientras mayor sea la apertura numérica, más luz podrá llevar.

    5.Comparación fibra óptica - cable de cobre

    Se realizará una comparación del comportamiento en la transmisión con cables de cobre de banda ancha y con fibras ópticas. La atenuación de los cables de cobre aumenta con la raiz cuadrada de la frecuencia, mientras que en las fibras ópticas existe una dilatada región de atenuación constante. Precisamente a muy altas frecuencias aumenta acusadamente la atenuación de las fibras ópticas por causa del desmoronamiento de los impulsos por fenómenos de dispersión .

    El aumento de la atenuación que se presenta en los cables de cobre hace necesario costosas medidas de ecualización; éstas no son necesarias con las fibras ópticas simplificándose la técnica de transmisión sensiblemente, en tanto que con el ancho de banda exigido se permanezca en el margen de atenuación constante y en correspondencia se elija una fibra óptica apropiada. A lo que se añade que, debido a la mínima atenuación

    con fibras ópticas, pueden puentearse trayectos de mayores longitudes.

    Esto es de gran importancia especialmente en regiones de gran densidad de población puesto que, se hace posible

    el enlace directo también entre centrales públicas alejadas, la cantidad de los repetidores necesarios desciende.

    Perdidas en Db/km, a media rata de bit

    De frecuencia (ratas de transmision digital)

    Medio de

    Transmision

    T1

    (1.544 Mbs/s)

    T2

    (6.312 Mbs/s)

    T3

    (44.736 Mbs/s)

    Par de alambre

    Entorchado.

    26 gauge

    24

    48

    128

    Par de alambre

    Entorchado.

    19 gauge

    10.8

    21

    56

    Cable coaxial

    0.375"-diam.

    2.1

    4.5

    11

    Fibra Optica

    l=0.82lmm

    3.5

    3.5

    3.5