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FIBRAS ÓPTICAS.

INTRODUCCIÓN

La necesidad de nuevos planteamientos en las comunicaciones surgió en países telefónicamente avanzados, en los que su red pedía soluciones a problemas de saturación, y cuya solución era conseguir medios de mayor capacidad que los existentes.

Anteriormente, cuando se necesitaba un medio de transmisión de gran capacidad de tráfico se acudía a la instalación de cable coaxial o radioenlaces de mayor capacidad. Al aumentar el número de enlaces necesarios por demanda de tráfico, se requería un mayor ancho de banda del portador, lo que, a su vez, exigía el empleo de frecuencias cada vez más altas y, en consecuencia, mas repetidores en las rutas de cables coaxiales, a causa de la mayor atenuación de las señales.

En el caso de los radioenlaces,el aumento de la capacidad también se traducía en el empleo de frecuencias más altas y mayor número de repetidores, pero esta vez con el agravante de la saturación del espectro electromagnético.

La explotación de las redes telefónicas se hizo más onerosa y fue aumentando las dificultades de orden técnico, lo que exigía nuevos planteamientos para esos problemas. Las investigaciones hechas en la década de los años sesenta en torno a la fibra óptica y sus posibles aplicaciones como guía de onda sirvieron de base para el nuevo camino que se pretendía emprender.

Conviene recalcar por qué se ha usado la luz como soporte de información y por qué no nos servimos de la atmósfera como medio de propagación.

Los cuerpos que no se hallan en equilibrio en su entorno radian o absorben energía. Podemos admitir desde un punto de vista conceptual que una comunicación implica intercambio de energía; ahora bien, esa energía puesta en juego se puede clasificar de muchos modos, y uno de ellos es el espectral, en el que dos parámetros relacionados entre sí ordenan de manera espacial y temporalmente dicha energía

El parámetro espacial indica que la propagación es espacialmente periódica, el segundo es temporal y se le llama frecuencia.

Hablando en términos de frecuencia, en el caso de la utilización de portadores metálicos, las energías transmitidas se situaban en zonas de frecuencia del orden de decenas de MHz, y de decenas de GHz cuando se trataba de radioenlaces.

Estas señales, en técnicas de modulación de frecuencia, constituyen las portadoras que, empleadas sobre canales telefónicos de un ancho de banda típico de 4 KHz proporcionan un índice teórico del número de circuitos telefónicos que dichos portadores admiten.

Conceptualmente, un sistema de transmisión por fibra óptica es similar al sistema de microondas en muchos aspectos; las diferencias estriban en que en un caso el medio de transmisión es el espacio libre, y en el otro, una guía de ondas de vidrio; y en que la transmisión tiene lugar a frecuencias ópticas, varios órdenes de magnitud superiores a las de microondas.

Si ahora consideramos la zona espectral óptica, cuya frecuencia se sitúa en torno a los 1014 Hz y suponiendo que se utiliza en las técnicas MDF, la capacidad potencial de este medio de transmisión sería 107 veces la de un cable coaxial y 104 veces la de un radioenlaces de microondas. Esta posibilidad, por sí sola, ya justifica el empleo del espectro óptico en las comunicaciones.

Pero es evidente que la utilización de la luz como portadora de información exige disponer de una fuente de determinadas características y, de hecho, fue la disponibilidad del láser como fuente de luz coherente y monocromática lo que estimuló la explotación de comunicaciones ópticas como soporte de flujos de información, debido a la alta frecuencia de la portadora.

También en la década de los años sesenta comenzaron los estudios básicos sobre los procesos de modulación y detección de luz, necesarios para llevar a cabo las conversiones electro ópticas imprescindibles en la transmisión de señales por medio de la luz.

CARACTERISTICAS DE FABRICACIÓN.

TEMPERATURAS

Uno de los atributos de funcionamiento incorporado en cables de fibra óptica es un rango de operación extendido en ambientes extremos. Mientras otros cables de fibra óptica tienen un rango de operación de alrededor 100°C (aproximadamente -20°C a +80°C, como mucho), otros exceden este rango en un 25% (desde -40°C a +85°C). Si bien es cierto puede no ser necesario, este funcionamiento de amplio rango de temperatura es una indicación del diseño avanzado, calidad consistente y alto grado de materiales, asegurando una larga vida en cualquier ambiente. Temperaturas sorprendentemente altas pueden darse en closets eléctricos, y cuartos de máquina. Condiciones extremas necesitan ocurrir solamente una vez para causar fallas en la fibra, y poner en peligro su instalación.

TIPOS DE PROTECCIÓN EN AMBIENTES

HÚMEDOS

La fatiga de instalación y otros factores pueden resultar en grietas y orificios en las cubiertas de los cables a través de los cuales puede pasar agua. En cables de tubo holgado rellenos de gel, el gel dentro de la cubierta se asienta dejando canales que permiten que el agua migre hacia los puntos de terminación. El agua puede acumularse en pequeñas piscinas en los vacíos, y cuando la delicada fibra óptica es expuesta, la vida útil es recortada por los efectos dañinos del agua en contacto. Se puede aislar la intrusión de humedad con múltiples capas de protección alrededor de la fibra óptica. El resultado es una mayor vida útil, mayor confiabilidad especialmente ambientes húmedos.

PROTECCIÓN ANTI-INFLAMABLE

Los materiales anti-inflamables de las cubiertas hacen la elección correcta por razones de seguridad y practicidad. Algunos tipos de fibras ópticas utilizan cubiertas de material inflamable y relleno de gel que también es inflamable. Estos materiales no pueden cumplir con los requerimientos de las normas de instalación, presentan un riesgo adicional, y pueden además crear un reto costoso y difícil en la restauración después de un incendio. Ya que el fuego puede viajar a lo Largo de dicho cable, el daño del cable se puedo extender profundamente en las paredes y doctos.

LA CUBIERTA DE PROTECCIÓN

DEL CABLE

A diferencia de las cubiertas de cables convencionales, la cubierta especial de alta presión directamente sobre el mismo núcleo del cable, resultando en que la superficie interna de la cubierta del cable tenga arista helicoidal que se aseguran con los subcables. Pinzas de malla de alambre pueden ser utilizadas directamente sobre la cubierta durante la instalación. Esto elimina el daño a la cubierta que típicamente ocurre con otros cables. Algunas cubiertas de fibras ópticas contienen un 25% más material que las cubiertas convencionales. Esto ayuda a mantener la sección transversal del cable en forma circular para mayor protección contra compresión y un una mejor resistencia contra desgarramientos durante la instalación. Todo esto sumado a una cuerda de rasgura para facilitar la remoción de la cubierta.

PARÁMETROS DE TENSIÓN DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Todas las fibras tienen imperfecciones. Para disminuir estas imperfecciones se han aceptado probar las fibras bajo un examen do 50 spsi, permitiendo así imperfecciones de hasta 2.3 µm. Otras fibras son sometidas a un examen de prueba bajo 100 kpsi. Esto resulta en imperfecciones no mayores de 0. 7 µm. Esto se traduce en un gran salto en la vida útil de la fibra de 10,000 veces más duración. Expresado en términos prácticos fatiga que podría terminar con fibras ordinarias en un día no afectarían nuestros cables por cerca de 30 años.

CARACTERISTICAS DE TRANSMISIÓN.

MODULACIÓN DE LA LUZ.

En la transmisión óptica se utiliza la luz en el rango de longitud de onda alrededor de los 1000 nm; esto corresponde a una frecuencia de aprox. 300 THz. El ancho de banda de transmisión es de algunos centenares de MHz en una F. O. de índice gradual y hasta 1GHz y más. Medido en la frecuencia portadora esto es típicamente servicio de banda angosta. Empero, el ancho de las ventanas transmisoras en las cuales la atenuación y el ancho de banda de las fibras respectivas tienen valores convenientes superiores a 100 nm, lo que corresponde a 30THz.

Este gigantesco rango de frecuencias puede aprovecharse para la transmisión de varias ondas lumínicas. Si emite luz desde diferentes fuentes y con longitudes de onda discrepantes una de otra, puede modularse cada rayo lumínico individualmente. En los acopladores ópticos puede juntarse la luz de diferentes fuentes al comienzo del tramo, siendo separada nuevamente al final del tramo en desacopladores de rayos selectivos ópticos.

De esta manera, la transmisión óptica brinda la posibilidad de aumentar eficientemente la capacidad de transmisión de una fibra.

CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN

Para la transmisión simultánea de varias señales eléctricas a través de un tramo de F. O. existen tres posibilidades fundamentales distintas. En el primer caso se dispone para cada programa de un sistema con una fibra propia. Todos los sistemas se encuentran estructurados simultáneamente; esta disposición se denomina Múltiplex de Fibras. Si en la disposición precedente se utilizan transductores electroópticos con cuatro longitudes de ondas diferentes y se caracteriza su potencia lumínica emitida a través de acopladores selectivos ópticos para la transmisión es suficiente solo una fibra. Esta disposición se denomina Múltiplex de Longitudes de Onda. Para completar la exposición, también se indica para las diferentes aplicaciones la erogación de equipos necesaria en un punto de recepción intermedio.

MODULACIÓN

Los dos principales métodos empleados para variar la señal óptica de salida de los diodos láser son: La modulación PCM para sistemas digitales y la Modulación AM, para sistemas analógicos. La limitación para aumentar la velocidad de modulación del láser depende directamente del tiempo de vida de los portadores y de los fotones.

FUENTES REQUERIDAS EN UN (STFO)

Existen dos tipos básicos de LED: LED con emisión de superficie y LED con emisión en el borde (ELED). Los primeros emiten luz perpendicular al plano de la unión PN, a través de la superficie, por lo que gran parte de la radiación queda absorbida en el sustrato. Su emisión es lambertiana de ángulo grande. En los ELED la luz se emite en el plano de la unión, con lo que la absorción es muy pequeña. Esta estructura permite un mejor rendimiento cuántico externo y un acoplamiento a las fibras.Parámetros típicos de los LED. De las características se deduce que la aplicación idónea del LED está en sistemas con:

• Fibras multimodo de apertura numérica alta.

• Baja velocidad de transmisión.

• Pequeña sección de regeneración

Además de las características anteriormente expuestas, la gran fiabilidad, elevada vida media (superior de 10 ala 5 horas) y un precio aceptable, convierten al LED en la fuente óptica más conveniente para muchos sistemas por fibra óptica.

El láser semiconductor es un diodo electroluminiscente,construido por una unión p-n con fuerte polarización directa, cuya estructura está especialmente diseñada para favorecer la emisión estimulada de fotones, se utilizan eterouniones para controlar la anchura de la región de recombinación.

Actualmente existen una gran variedad de láseres semiconductores para trabajar a longitudes de onda de 0.85 nm. La pérdida considerablemente más baja, así como la menor dispersión de las fibras de sílice a 1,3 y 1,55 nm han alentado el rápido desarrollo de láseres que operan a esas longitudes de onda.

PROPAGACIÓN

La fibra es un medio de transmisión de información analógica o digital en la que los principios básicos de funcionamiento se justifican de forma clara, aunque poco rigurosa, aplicándole leyes de la óptica geométrica. Si se pretende entender rigurosamente el mecanismo de propagación en el interior de la fibra, hay que recurrir a la resolución de las ecuaciones del campo electromagnético; es decir, las ecuaciones de Maxwell.

Básicamente, la fibra óptica está compuesta por una región cilíndrica, por la cual se efectúa la propagación, denominada núcleo y de una zona externa al núcleo y coaxial con él, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo de propagación, y que se denomina envoltura o revestimiento.

La capacidad de transmisión de información que tiene una fibra óptica depende de tres características fundamentales:

• Del diseño geométrico de la fibra

• De las propiedades de los materiales empleados en su elaboración. (Diseño óptico).

• De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada. Cuanto mayor sea esta anchura, menor será la capacidad de transmisión de información de esa fibra.

Las ondas electromagnéticas viajan en el espacio a la velocidad de la luz, "C", en el aire es casi la misma velocidad, pero en otros medios, tales ondas viajan a menor velocidad (Vm), para conocer la diferencia de estas velocidades se introduce el índice de refracción como el cociente C/Vm.

Cada material tiene un valor específico del índice de refracción; leves variantes en la composición, como impurezas o dopante, afectan el valor del índice de refracción, alterándose también las propiedades ópticas del material.

En las fibras ópticas ocurre esto, las diferencias entre núcleos y revestimiento están en la segunda y tercera cifra decimal del índice de refracción.

FUNCIONAMIENTO OPTICO/ELECTRICO

La ejecución técnica de sistemas de transmisión ópticos depende en gran parte del tipo de señales a transmitir, p. ej. Señales digitalizadas de voz, de audio o de imagen o señales analógicas multiplexadas en FDM de voz de vídeo. De acuerdo a estos se dimensiona la actividad de los emisores ópticos.

Según las funciones a cumplir se distinguen sistemas para la red de abonados, para tramos cortos y para el tráfico de larga distancia con muchos amplificadores intermedios. Equipos terminales de línea son los órganos de unión entre los equipos múltiplex o demás fuentes y receptores de señales y el cable de fibra óptica. Las señales recibidas son amplificadas o regeneradas del lado receptor de los equipos terminales de línea y en los amplificadores intermedios.

La separación entre los amplificadores intermedios o regeneradores depende de las propiedades de la F. O., de los transductores optoelectrónicos y del tipo de señales a transmitir.

Los sistemas de transmisión requieren equipos para supervisión y localización de fallas. Para sistemas con amplificadores intermedios, se desarrollaron soluciones para su incorporación y alimentación. En todos los sistemas, pero ante todo en el tráfico de comunicaciones de larga distancia, la confiabilidad y disponibilidad merecen especial atención tanto durante la concepción de los equipos como en la selección y carga de los componentes.

Para la transmisión de señales eléctricas a través de fibra óptica se emplean sistemas transmisores ópticos, cuyos componentes más importantes son el transductor electro-óptico como emisor lumínico al comienzo del tramo, la trama óptica propiamente dicho y transductor optoeléctrico como receptor lumínico al término del tramo.

Las señales eléctricas en los bornes del transductor electro-óptico al comienzo del tramo son convertidas en señales lumínicas y la luz es acoplada en las fibras. La luz recorre la fibra; al final del tramo las señales lumínicas son reconvertidas nuevamente en señales eléctricas en el transductor optoeléctrico y están disponibles en los bornes de salida.

Dado que el comienzo y el final del tramo constan en el caso más sencillo de dos bornes con señales eléctricas respectivamente, los sistemas de transmisión óptica pueden medirse y evaluarse como los eléctricos convencionales. En definitiva, la transmisión óptica puede quedar relegada a segundo plano para el usuario y el servicio, ya que el tramo es evaluado de acuerdo a parámetros eléctricos.

La capacidad transmisora es por lo general el parámetro de sistemas más importante e interesante. Si la distancia a salvar es mayor que la sección regeneradora máxima. Condicionada al sistema, se intercalarán amplificadores intermedios o regeneradores.

Del otro lado, la señal óptica recibida es convertida en una eléctrica. Amplificada o regenerada en esta forma y reconvertida nuevamente en una señal óptica. Como en los sistemas clásicos para conductores metálicos existen equipos terminales de líneas al comienzo y al final del tramo; los equipos intercalados son los amplificadores en la transmisión de señales analógicas o los regeneradores en la transmisión de señales digitales.

CONVERSIÓN DE SEÑALES ELÉCTRICAS EN SEÑALES ÓPTICAS POR MEDIO DE UN TRANSCEIVER ETHERNET

El transceiver óptico tiene por función la de convertir las impulsiones eléctricas en señales ópticas conducidas al corazón de la fibra. Al interior de los dos transceivers asociados, las señales eléctricas serán traducidas en impulsiones ópticas por un LED y leidas por un fototransistor o un fotodiodo.

Se utiliza una fibra para cada dirección de la transmisión.

Los emisores utilizados son de tres tipos:

• Los LED que funcionan en el rojo visible (850nM). Utilizado para el estándar Ethernet FOIRL.

• Los diodos a infrarrojo que emiten en lo invisible a 1300Nm.

• Los láseres, utilizados para la fibra monomodo, cuya longitud de onda es 1300 o 550Nm.

COMPONENTES DE TRANSMISIÓN.

EMISOR ÓPTICO

El transmisor óptico consiste en una unidad cuyas entradas son la señal procedente del codificador NB/MB y la señal de reloj, y su salida son impulsos luminosos con remoto a cero (RZ). La señal luminosa se acopla a la F. O. mediante un conector óptico. La fuente que genera los impulsos luminosos a partir de la señal eléctrica es un diodo semiconductor en el que la radiación luminosa está basada en la emisión de fotones debido a la recombinación de pares electrón hueco provocada al circular una corriente por la unión p-n. Las fuentes fundamentales son el LED (diodo efecto luminiscente) y el LD (diodo láser). Tanto para el LED como para el LD, los parámetros fundamentales son:

• & (nm) = Anchura espectral óptica de emisión, medida entre puntos al 50% de la intensidad pico máxima.

• & (nm) = Longitud de onda de emisión.

• P(dBm)= Potencia media de la señal óptica inyectada en la fibra.

• Ms(dB)= Margen de seguridad, para compensar las Posibilidades de degradaciones por cambios en la fuente óptica, ruido modal y degradaciones en los repetidores o en la fibra.

DETECTORES

El detector convierte la señal óptica que procede de la fibra en señal eléctrica como primera parte del proceso de recepción; a continuación, la señal se regenera para llevarla a un equipo terminal o para ser incorporada a la siguiente etapa de un repetidor óptico.

Los sistemas que operan actualmente incorporan la detección directa de una señal que moduló en intensidad a la portadora de la fuente láser; el detector se limita a obtener una fotocorriente a partir de la luz modulada incidente, por lo que esta corriente será proporcional a la potencia recibida, y corresponderá a la forma de onda de la moduladora.

En principio, el tipo más sencillo de detector corresponde a la unión p-n de un semiconductor cuyo intervalo de energía entre las bandas de valencia y de conducción sea pequeño, lo que permitirá que un fotón que incida en la unión tenga energía para permitir la creación de un par electrón-hueco. Ambos portadores circularán en sentidos opuestos, creando una fotocorriente sobre el circuito externo.

CARACTERÍSTICAS QUE DEBEN CUMPLIR

LOS LED Y LD.

Operar en las longitudes de onda en que la fibra posee baja pérdida y poca dispersión.

Eficiencia alta en las dos en que los receptores operan óptimamente.

Potencia de salida preferentemente de más de 1 mwatt.

Operar en condiciones de temperatura ambiente.

Deben poder ser moduladas a frecuencia hasta del orden de Gigahertz.

Tamaño y configuración compatibles con la fibra óptica.

Bajo costo.

TABLA DE CONVERSIÓN

CONVERTIR DE:	CONVERTIR A:	MULTIPLICAR POR:
A	DE	Dividir
um	mils	.03937
mm	in	.03937
cm	in	.39370
m	ft	3.2808
km	ft	3280.8
km	mi	.62137
kg	lbs	2.2046
kg/km	lbs/1000ft.	.67197
N	lbs f	.22481
N-m	ft-lbs	.73756
N/cm	lbs/in	.57101
kPa	PSI		.14504
°C	°F	1.8 x °C + 32
°F	°C	(°F-32)/1.8

CÓDIGO DE COLORES ESTANDARES

DE FIBRAS ÓPTICAS

TIA-598-A Fibra Optica
1 Azul		7 Rojo
2 Anaranjado		8 Negro
3 Verde		9 Amarillo
4 Café		10 Púrpura
5 Gris		11 Rosado
6 Blanco		12 *Azul Marino

observación: para más de 12 fibras los colores son repetidos

cada 12 fibras.

INSTUMENTOS DE MEDICIÓN

EL POWER METER:

Después de haber instalado un enlace en fibra óptica, conviene medir la pérdida inducida por la fibra misma y por las conexiones efectuadas.

El Power meter constituido de un par calibrado de emisor-receptor de luz, permite medir la

totalidad de la pérdida de la línea en [dB]. Se medirá la pérdida en la longitud de onda utilizada en explotación ( 850 ó 1300nM).

.

• Power meter para la medida de atenuación de un enlace fibra.

EL REFLECTÓMETRO:

El Reflectómetro es un aparato que envía una impulsión óptica en la fibra. Una pantalla permite visualizar el aspecto de la señal reflejada en el vidrio. Se puede así, medir con precisión la longitud del enlace y las pérdidas engendradas en cada conexión.

Además, este aparato es muy útil para localizar las cortaduras eventuales de la fibra y para identificar la conexión que es la causa de una pérdida óptica demasiado grande.

Le Power meter solo da la pérdida global del enlace; el Reflectómetro indica donde se encuentra la conexión defectuosa.

• Reflectometría de un enlace de fibra.

TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

Las F. O. se pueden clasificar atendiendo a los diferentes parámetros ópticos, geométricos o dinámicos que las definen:

• Por su aplicación a que se destinen, precisando entonces el uso de fibras de alta o media calidad.

• Por el perfil del índice de refracción: constante o variable. Entre estos últimos están los de índice gradual, perfil "alfa", doble entalladura, segmentado, etc., atendiendo en cada caso a las características de transmisión que se deseen mejorar.

• Por el número de modos transmitidos: monomodo o multimodo.

• Por los materiales de núcleo y revestimiento y su composición.

Normalmente habrá que atender a varias de éstas características para la elección de la fibra adecuada. 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 2 grupos:

• Fibras de alta calidad para enlaces de telecomunicación.

• Fibras para enlaces de corta y media distancia.

• La fibra a salto de índice: 200/380 constituida de un corazón y de una faja óptica en vidrio de diferentes índices de refracción. Esta fibra provoca de parte de la importante sección del corazón, una dispersión grande de las señales que la atraviesan, es lo que genera una deformación de la señal recibida.

• La fibra a gradiente de indice: cuyo corazón está constituido de lechos de vidrio sucesivos teniendo un índice de refracción próximo. Se aproxima así a una igualación de los tiempos de propagación, lo que quiere decir que se ha reducido la dispersión nodal. Banda pasante típica 200-1500Mhz por km. Es este tipo de fibra es utilizada en el interior de los edificios de la Universidad (62.5/125) y entre ciertos sitios comunicados por los PTT (50/125).

• La fibra monomodo: cuyo corazón es tan fino que el camino de propagación de los diferentes modos es prácticamente directo. La dispersión nodal se hace casi nula. La banda pasante transmitida es casi infinita (> 10Ghz/km). Esta fibra es utilizada esencialmente para los sitios a distancia El pequeño diámetro del corazón (10um) necesita una potencia grande de emisión, por eso los diodos a láser que son relativamente honerosos.