FIBRA OPTICA

Fibra óptica

Historia:

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.

Componentes de la fibra óptica

        La fibra es tan pequeña y frágil, que se le ubica dentro de un cable, como se ve en la figura. 

Cable de una fibra

       

El núcleo que consiste de vidrio de cuarzo, tiene un índice de refracción más alto que el revestimiento de vidrio, cuarzo o plástico que lo rodea. A su vez la superficie del revestimiento esta protegida por una cubierta primaria de acrilato.

La fibra esta protegida contra esfuerzos mecánicos debidos al cableado, instalación, cambios de temperatura, etc., ya que usualmente se coloca libre en el tubo que forma la cubierta secundaria.

Los aspectos principales para la propagación de luz en las fibras ópticas son:

Que la pureza del material del núcleo sea tan alta, que la atenuación se mantenga dentro de los límites razonables.

Que los rayos, que por una razón u otra tiendan a cambiar su dirección de propagación, se mantengan dentro del núcleo de la fibra.

Se debe tener en cuenta que tanto el índice de refracción como la transparencia, varían con la longitud de onda y la temperatura. Una cierta pérdida por dispersión de la fibra no puede ser evitada por razones teóricas. A mayores longitudes de onda las perdidas aumentan debido a la absorción de rayos infrarrojos. Los rayos son mantenidos en el núcleo debido a que el índice de refracción disminuye cuando aumenta la distancia desde el centro de una sección transversal imaginaria del núcleo de la fibra. Por esto el índice de refracción puede disminuir por pasos, como en la fibra con índice escalonado o hacerlo gradualmente como en la fibra con índice gradual.

 Las fibras ópticas son también unos medios especialmente adecuados para el transporte de impulsos digitales de alta velocidad.

       

 Formados por finos tubos de vidrio plástico o cuarzo fundido metidos de varias milésimas de milímetro.

Se utilizan concretamente frecuencias cercanas de infrarrojo, de unos 300 billones de hertzios, para las cuales tanto el vidrio como el cuarzo fundido son perfectamente transparentes, mientras que la envoltura de plástico es completamente opaca: de esta forma, las fibras ópticas tienen la gran ventaja de evitar los fenómenos de interferencia electromagnética, lo que las hace inmunes a las escuchas abusivas.

Las fibras se reúnen en cables, que poseen un número variable de ellas. Los más difundidos llevan 216 fibras, reagrupadas tres veces de seis en seis. Estos cables resultan incluso más baratos que los cables de cobre clásicos, y también son más ligeros manejables y fáciles de instalar. Para empalmar los cables ópticos hay que fundir con un equipo especial.

A pesar de todas las ventajas de que existen también hay ciertas desventajas:

-       Por el tipo de tecnología utilizada los sistemas de transmisión todavía  son más caros.

-       Los conectores utilizados sobre fibras ópticas son muy caros actualmente.

-       El costo-beneficio que se puede obtener depende de la distancia a cubrir, así como el ancho de banda a utilizar.

-       Las canalizaciones para redes de larga distancia tiene complicaciones dependiendo del tipo de terreno.

-        La conectorización exige nuevas técnicas y herramientas.

-       El manejo de las fibras ópticas requiere mayor adiestramiento y capacitación del personal.

-       Hay  demasiado cobre instalado en la última milla como para pensar que la fibra óptica lo sustituya en corto plazo. La instalación de los cables es más sensible a las curvaturas.

  
 TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

Existen  dos  tipos de fibras ópticas, las cuales son las fibras multimodo y las fibras monomodo. Por sus características particulares cada tipo se utilizan en aplicaciones diferentes.



Fibras multimodo:
Este tipo de fibras fueron las primeras que se fabricaron para uso comercial en la época de los 80´s.Este nombre se le atribuyo a su funcionamiento interno. Cuando un haz de luz entra refractado al núcleo de una fibra, no toda la energía se propaga por la misma trayectoria, algunos fotones tomarán una trayectoria, otros tomarán otra y otros otra. Puede haber cientos de trayectorias dentro de  ese tipo de fibras.

El hecho de tener múltiples modos da lugar al nombre de este tipo de fibras.




El gran inconveniente de tener múltiples trayectorias o modos es que unos llegaran mas pronto al tener que dar menos rebotes, por lo tanto recorrer menos distancia que otros. Tiempo después llegaran los modos que dieron mas rebotes, obviamente  llegaran  con un retardo en relación a los primeros modos, esto provocara una especie de eco de la señal     y cono resultado tendremos una señal prolongada en el tiempo. En este tipo de fibras hubo  dos subtipos dentro del tipo multimodo, estos son: Multimodo de Índice  Escalonado y Multimodo de Índice Gradual.


Fibras Multimodo de Índice Escalonado:

En este subtipo de fibras multimodo su núcleo esta ligeramente dopado, lo que hace que su índice de refracción sea ligeramente mayor que el Indice de Refracción del recubrimiento. Ese dopado es constante en todo el núcleo, en la frontera, el valor del Indice de Refracción cambia abruptamente, disminuyendo al valor del índice del recubrimiento. Este cambio abrupto en el valor de los Indices y su representación gráfica en el perfil del índice es lo que da nombre a este subtipo de fibras. Las dimensiones del diámetro del núcleo han variado y se han fabricado núcleos de 62.5 micras y de 50 micras, seindo más comunes las primeras.

Características de las fibras de índice escalonado:

- Fuerte dispersión modal
- Producto Ancho de Banda por Distancia Pequeño.
- Uso de LED´s como fuentes ópticas.
- Apertura Numérica grande. 
- Requerimientos mas holgados para conectores. 
- Aplicaciones pasadas:LAN´s distancias cortas, velocidades pequeñas, hoy en día en desuso.

Fibras multimodo de Índice Gradual
Este tipo de fibras esta dopado en el núcleo y va cambiando conforme nos alejamos del eje de la fibra; justo en el centro habrá  un nivel n1 que irá  descendiendo hasta llegar al nivel n2 correspondiente al recubrimiento. El dopado no es constante en el núcleo, su valor de índice de refracción va descreciendo en forma gradual hasta llegar al índice del recubrimiento,donde ya permanece constante.Este cambio gradual en  el valor de los índices y su representación gráfoca en el perfil del índice,es lo que da nombre a este tipo de fibras.Las dimensiones del diámetro son las mismas que las del de Índice Escalonado.

Características de las fibras multimodo de índice gradual
- Producto de Ancho de Banda por Distancia mayor que las de índice escalonado.
- Dispersión modal 10 veces menor que las de índice escalonado.
- Uso de LED`s como fuentes ópticas.
- Apertura Numérica grande.
- Requerimientos más holgados para conectores.
- Aplicaciones LAN´s;distancias cortas,velociodades pequeñas.
 
FIBRAS MONOMODO
Este nombre reciben laa fibras porque solamente un rayo o haz de luz entra refractado al núcleo de una fibra y toda la energía se propaga por la misma trayectoria  y solo hay un modo o trayectoria dentro de este tipo de fibras. Este tipo de fibras fueron construidas con el fin de evitar el alto índice de  dispersión causada por los múltiples modos.

Características de las fibras monomodo: 
-  Produce  mejor producto de ancho de banda por distancia.
-  Solo se presenta dispersión cromática.
- Se requieren conectores muy adecuados.
- Se requieren fuentes de luz precisas.
- Se aplican para altas velocidades y redes de larga distancia.

FABRICACIÓN DE UNA FIBRA ÓPTICA
 Para el proceso de fabricación de una fibra óptica tenemos dos etapas:
La primera es la preforma la cual es un tubo de vidrio de alta pureza,y la segunda es el estiramiento de la preforma.
La Preforma: La preforma es un tubo de vidrio de óxido de silicio o silice de gran pureza y con dimensiones de un metro de longitud y 5 cm de diámetro.
Con la preforma ya hecha esta lista para empezar el proceso de dopado (OH) el cual consiste en dejar al tubo libre de impurezas, se pone a una temperatura de1300 ^oC con una flama que se pasa alrededor del tubo el cual se mantiene girando sobre su propio eje.

Despues de esto se introducen vapores al tubo y al calentarse estos se depositan en el interior del tubo hueco,adhiriendosele y formando parte de la cara cilíndrica interior.En este paso de deja el tiempo necesario para alcanzar el índice de refracción deseado.

Entonces que ya se ha calculado el índice de refracción deseado de dejan de introducir los vapores y comienza un calentamiento más intenso a 1900^ºC.

Este calentamiento tan intenso causa un colapso en el tubo fundiendose completamente y desechando al huecoDespues de esto ya tenemos una estructura casi identica a una fibra óptica con un núcleo y un recubrimento con diferentes índices de refracción y lo único que no se obtiene son las dimensiones.

Para fabricar una fibra monomodo o multimodo se obtienen haciendo variaciones sobre todos los parámetros que intervienen en la fabricación de la fibra los cuales son temperatura de calentamiento,la velocidad de traslación,la velocidad de rotación y la cantidad de dopantes etc.

La fibra óptica

Una vez teniendo la preforma cilíndrica se procede a estirarla hasta que quede tan delgada como el cabello humano. Este proceso consiste en calentar la prefroma hasta que se derrita. Dos rodillos se encargan de jalar con fuerza necesaria para obtener el diámetro de 125 mm. Un rayo láser monitorea todo el proceso de estirado, si el diámetro se pasa de los 125 mm los rodillos jalaran con mas fuerza y sie el diámetro de la fibra es menor a los 125 mm los rodillos jalaran con menos fuerza para compensar en diámetro requerido. Después de esto se pasa la fibra por una etapa de bañado de pintura que es la protección primaria y después será enrollada en la bobina la cual es el producto final de los fabricantes de fibra óptica.

Tipos de fuentes ópticas

Tenemos dos tipos de fuentes ópticas:

-       Fuentes tipo LED (Light-Emiting Diode)

TRANSMISORES ÓPTICOS




Transmisores Ópticos

Muchas de las propiedades del láser no pueden aun ser explotadas, por ejemplo, el pequeño ancho de banda y la coherencia de la luz del mismo. En la actualidad los láser son usualmente fabricados a partir de materiales semiconductores (Diodo láser, LD). 

Además de los laceres, también se usan los diodos emisores de luz, LED. Ellos fueron desarrollados en la década de los 70's y son sencillos y baratos. Lamentablemente emiten una luz de gran ancho de banda y como irradian en forma esférica, solamente una pequeña parte de la potencia puede ser introducida en la fibra. 





Diferentes LED




Estas son las fuentes más usuales cuando se requiere de un bajo costo y las aplicaciones no son tan demandantes en términos de distancia y ancho de banda. Una de las ventajas de las fuentes tipo LED es su alta estabilidad en el nivel de emisión contra el tiempo, su vida útil y su comportamiento prácticamente lineal en cuanto al nivel de potencia con relación a la corriente eléctrica de excitación.

Sin embargo para aplicaciones de alta velocidad hay una gran desventaja con las fuentes tipo LED, esta es el ancho espectral de haz emitido. Por ejemplo aunque la longitud de onda nominal de una fuente LED sea por ejemplo de 850 nm ± 20 ó 30 nm. Este ancho significa que la emisión de luz contiene toda una gama de componentes con diferentes longitudes de onda. Las fuentes LED se usan bastante con este tipo de fibras en la 1^ª  y 2^{ª 1} ventanas ópticas, a 850 y 1310 nm respectivamente.


-       Fuentes tipo LASER (Llght Amplification by Simulated Emision of Radiation

Estas fuentes son las ideales para aplicaciones de alta capacidad y velocidad como las que corresponden a las fibras monomodo. Normalmente se trabaja con estas fuentes en la 2^ª y 3^ª ventanas ópticas a 1310 y 1550 nm respectivamente.

Las fuentes tipo LASER ofrecen la posibilidad de potencias bastantes mayores, el ancho espectral de la fuente es bastante pequeño y soportan velocidades de modulación muy altas. Uno de los inconvenientes  es que no son tan lineales. Esto significa que la curva de potencia de luz emitida contra corriente de excitación presenta un punto de quiebre en donde se pierde completamente la linealidad.

Con este comportamiento resulta difícil la modulación del LASER para la transmisión de señales. Esto también ocasiona que el LASER nunca se apague. Cuando se transmite un uno se tiene una potencia alta y cuando se transmite un cero se tiene una potencia baja, pero nunca nula.

Como conclusión comparemos en un tabla las diferencias entre una fuente tipo LED y la fuente tipo LASER:

Características	LED	LASER
Potencia acoplada en mW	>50	3000
Ancho espectral	30 a 150	<1 5="" a="" span="">
Ancho de banda máximo	1 GHz	6 GHz
Tiempo de vida estimado en horas	105 a 106	104 a 105
Costo	Bajo	Alto
Fibras	Multimodo	Multimodo y Monomodo

tlabla 5.2.-Comparación entre fuentes LED y LASER

EMPALMES Y CONECTORES DE FIBRAS ÓPTICAS

Conectores: Estos se utilizan para conectar a la fibra óptica a un equipo óptico. Existe una gran variedad de conectores en el mercado.
Existen dos versiones de conectores;el conector macho y el conector hembra.La función del conector hembra es la de proveer el mecanismo que pone en contacto a los conectores machos.En cuanto a los componentes de un conector la férula cuenta con un orificio de gran precisión justo en el centro a través del cual se conduce la fibra óptica.Este orificio tiene un díametro  de 125 m por lo que pasa la fibra desnuda incluyendo solamente a l núcleo y a la cubierta.Justo en el centro del conector hembra se pone en contacto,frente a frente,las dos ferulas con lo que se logra el contacto también entre las dos fibras.Es evidente que este contacto es de mucha presición,pues cualquier falla en el alineamiento o cualquier separación de más entre las mismas fibras provoca una atenuación y una reflexión que afecta al desempeño de todo el sistema. 
Los otros elementos sirven para darle soporte a las férulas asegurando que el contacto sea estable y preciso.El cuerpo es la parte que sirve de base para la acción del elemento de fijación.El aliviador de tensión  permite que cuando un una persona especializada este manipulando el cable aplique la presión de sus dedos en esta parte y no directamente sobre la fibra.Esta parte esta hecha de un material de plastico que puede ser rigido o blando según su uso.La principal función del aliviador de tensión es que al efectuar una conexión,el radio del arco que forma el cable de fibra no exceda el radio minimo adecuado que evita una atenuación en la luz.

En aplicaciones tipo Lan no es tan importante la atenuación mientras que  en redes de telecomunicaciones  de larga distancia es muy importante la atenuación así como la reflexión generada,esto ultimo sobretodo en altas capacidades por encima de los 622 Mbps.

A continuación se dan a conocer algunos de los conectores más comunee en aplicaciones relacionadas con telecomunicaciones:

Conector tipo ST (Straight Tip)
Este conector fue diseñado por la compañía Lucent y es de uso bastante común en sus sistemas de cableado estructurado.

Conector tipo SC (Subscriber Conector)
Este tipo de conector tiene una fijación del tipo “empujar y jalar” conocida en inglés como Push Pulldebido a que en esa forma es como se fijan el conector hembra con el macho.Debido a que no requiere del espacio necesario para el movimiento de los dedos alrededor del conector,se le utiliza para paneles de alta densidad en donde hay que acomodar muchos conectores juntos.

Conector tipo FC (Fiber Conector)
Este conector es bastante común en aplicaciones de telecomunicaciones.Muchos de los primeros sistemas de transmisión para fibras ópticas que se instalaron  en México en redes publicas empleaban este conector.Su fijación es mediante una rosca entre el conector hembra y el macho.Cuenta con una muesca que permite que el contacto se haga siempre en la misma posición.

Conector tipo MT-RJ de SIECOR
Este nuevo conector permite la conexión de dos fibras de manera simultánea.Funciona con el mecanismo push-pull.Son tan buenas las caracteristicas de este conector que incluso existe un grupo de empresas que conformarón un grupo llamado MT-RJ Alliance para impulsar su estandarización.El conector ocupa la mitad del espacio requerido por un conector SC.Este conector se usa tanto para fibras monomodo como multimodo. 

Empalmes 
Estos se utilizan para las conexiones que se pretenden ser permanentes.Estas uniones permiten unir los rollos de cable en un tendido de larga distancia.El numero de empalmes necesarios en un cierto segmento dependerá de la distancia a cubrir y de la cantidad de cable por cada rollo.
Existen dos tipos de empalmes:los mecánicos y los de fusión.Los primeros son más sensillos,de menor costo pero con ciertas deficiencias que los hacen comunes en aplicaciones dentro de redes LAN pero no en redes de alta capacidad para redes de telecomunicaciones públicas.Por el contrario los empalmes de fusión son los más utilizados en los enlaces de larga distancia y para redes metropolitanas MAN,SDH y WDM.

a).- Empalmes de fusión
Para realizar estos empalmes,se utiliza una máquina conocida como empalmadora de fusión.El primer paso es la preparación de cada uno de los dos extremos de cable.Para esto se retiran todas las cubiertas que protegen a la fibra óptica hasta dejar a la fibra desnuda completamente.Los extremos de la fibra desnuda se cortan con una herramienta de corte de precisión (cleaving tool) para que ambos extremos de la fibra queden perfectamente horizontales a fin de asegurar un buen contacto entre ambos.Después de este corte,los extremos de la fibra se limpian usando pañuelos especiales  una sustancia basada en alcoholes que sirven especificamente para este proposito eliminando así las impurezas.Inmediatamente después,ambos extremos de fibra se ponen a cada lado de la empalmadora.Las empalmadoras automaticas a partir de este momento sólo requieren de la indicación para proceder al empalme.Usando un sistema robotizado alinean en los dos ejes a ambos extremos de la fibra y los acercan para ponerlos en contacto.Uuna vez realizado el contactom,la empalmadora aplica un arco eléctrico durante un tiempo muy preciso con lo que se funde el vidrio de la funda y queda hecho el empalme.

Despues de realizado el empalme,es necesario protegerlo mediante algún mecanismo.Para este efecto, se usan los protectores de empalmes.Funcionan de manera similar a un “Hot Dog”,pues están formados por dos tapas unidas al centro.Las fibras empalmadas se colocan al centro de una de las tapas que cuenta con una superficie pegajosa a la que se adhiere la fibra.Después se cierran las tapas y la fibra queda bien protegida en el interior.

b).-  Empalmes mecánicos
Estos empalmes se emplean en redes LAN en donde no es necesario un desempeño tan alto por parte de los empalmes.También se usan como reparaciones temporales en redes de larga distancia después de algún corte a fin de reestablecer de manera rápida el servicio.La preparación de los cables de fibra óptica para estos empalmes es la misma.Se desnuda la fibra,se hace el corte de presición en ambos extremos y se limpian.El empalme mecánico consiste en mantenener las fibras en contacto permanente mediante algún mecanismo.

Contenedores de empalmes
Ya que se han empalmado todas las fibras que estan contenidas en un cable,se deben de proteger los mismos para garantizar que duren y que se mantengan sus caracteristicas.Para esto  se utilizan los contenedores de empalmes.Las caracteristicas de esos equipos varian de acuerdo a su uso.Algunos se utilizan en postes,en isntalaciones aéreas,otros se depositan dentro de contenedores de fibra de vidrio,de asbesto o de concreto.Todos los equipos cuentan con un  mecanismo para sujetar firmemente a los cables de fibra cuando entran al contenedor.A partir de este punto los cables se pelan y se dejan las fibras con sus empalmes.Los empalmes se depositan en charolas especiales para este fin.Las fibras empalmadas dan varias vueltas dentro del contenedor para evitar la entrada de humedad.

CABLES DE FIBRAS ÓPTICAS

Protección básica

La estructura básica de la fibra comprende el núcleo y la cubierta con un díametro exterior de 125mm,a esto se le conoce como fibra desnuda;sin protección alguna.La protección básica que lleva la fibra óptica dentro de la estructura de los distintos tipos de cables consiste en una protección primaria y en otra conocida como secundaria.

La protección primaria consta de una cubierta a base de un material acrílico con un diámetro exterior de 250 mm.En muchas ocaciones este material se tiñe con colores para pder identificar a las diferentes fibras dentro de un mismo cable.Esta cubierta está bien pegada a la fibra y además de la protección le da rigidez para su manejo.

La cubierta secundaria tiene sus variantes.En general consta de una protección a base de un material polimérico con un diámetro exterior hasta de 900 mm.

ESTRUCTURA Y HACES DE FIBRA ÓPTICA

 Existen una multitud de tipos y estructuras de cables ópticos, daremos algunos ejemplos y clasificación elemental. 

Conjunto de fibras. Es un cable compuesto por un gran número de fibras yuxtapuestas y enceradas en una cubierta protectora, por lo que es el más simple de los cables. En un haz de fibras, estas se utilizan en paralelo. Hay dos tipos de haces de fibras: 
El primero se compone de un gran número de fibras (200 a 400) y tiene una gran atenuación (de 400 a 1000 dB/km.) y una gran apertura numérica (de 0.5 a 0.6). La ventaja de un haz como este es el tamaño de la superficie efectiva que facilita el acoplamiento con emisores de gran superficie emisiva. Se utiliza en enlaces muy cortos. 

El segundo tipo de haz esta constituido por 6 a 40 fibras más eficientes, atenuación de aproximadamente 20 dB/km. y con una apertura numérica alrededor de 0.2. Un haz como este, tiene un diámetro exterior de unos cuantos milímetros, lo que facilita el acoplamiento entre le emisor y la fibra.

En los haces, las fibras no están protegidas contra las microcurvaturas y contra las altas tensiones; sin embargo, dado el gran numero de fibras, la ruptura de una de ellas tiene menos consecuencias. Es necesario tener en cuanta esta pérdida para el acoplamiento entre el emisor y la fibra, ya que no se propaga la luz inyectada fuera de los núcleos de las fibras. 

Has de 19 fibras con cubierta protectora

 Estructuras típicas. Tiene un elemento de refuerzo, central o periférico. Las fibras tienen un revestimiento apretado o flojo (en un tubo), todo ello recubierto por un revestimiento protector.

 

Cable óptico con estructura típica.

Las fibras con revestimiento apretado o flojo generalmente están cableadas en forma de hélice para que estén repartidas las tensiones en las curvaturas del cable. El numero de fibras varia de 1 a mas de 20. Para aumentar el numero de fibras, se pueden introducir varias unidades en un mismo cable o sobreponer capas de fibras.

 

Cables ópticos

a) Cable con 7 unidades de 7 fibras.

b) Cable con repartición concéntrica de fibras

Estructura de cinta. Los laboratorios Bell fueron los primeros que estudiaron este tipo de estructuras en las que las cintas están contra-pegadas sobre 12 fibras, después agrupadas y retorcidas en grupos de 12. Se tienen así 144 fibras en una sola estructura.

Cable con estructura de cinta

       

En las estructuras de cinta, las fibras pueden tener revestimiento apretado (fibras contra-pegadas) o revestimiento flojo (fibras colocadas en tubos de aluminio y recubiertas con polietileno). La ventaja primordial de una estructura como esta es el gran numero de fibras que se pueden agrupar (144 fibras para un cable de diámetro exterior de 12 mm).

Estructuras cilíndricas ranuradas. Esta estructura, elaborada en Francia por el CNET, permite utilizar fibras provistas solo de su revestimiento primario; después se depositan, libres y sin tensión, en las ranuras helicoidales de un soporte central

Canal con estructura cilíndrica ranurada