viernes, 11 de diciembre de 2009

Fibra óptica




Introducción

El primer intento de utilizar la luz como soporte para una transmisión fue realizado por Alexander Graham Bell, en el año 1880. Utilizó un haz de luz para llevar información, pero se evidenció que la transmisión de las ondas de luz por la atmósfera de la tierra no es práctica debido a que el vapor de agua, oxigeno y partículas en el aire absorben y atenúan las señales en las frecuencias de luz.
Se ha buscado entonces la forma de transmitir usando una línea de transmisión de alta confiabilidad que no reciba perturbaciones desde el exterior, una guía de fibra llamada Fibra óptica la cual transmite información lumínica.
La fibra óptica puede decirse que fue obtenida en 1951, con una atenuación de 1000 dB/Km. (al incrementar la distancia 3 metros la potencia de luz disminuía ½), estas perdidas restringía, las transmisiones ópticas a distancias cortas. En 1970, la compañía de CORNING GLASS de Estados Unidos fabricó un prototipo de fibra óptica de baja perdida, con 20 dB/Km. Luego se consiguieron fibras de 7 dB/Km. (1972), 2.5 dB/Km. (1973), 0.47 dB/Km. (1976), 0.2 dB/Km. (1979). Por tanto a finales de los años 70 y a principios de los 80, el avance tecnológico en la fabricación de cables ópticos y el desarrollo de fuentes de luz y detectores, abrieron la puerta al desarrollo de sistemas de comunicación de fibra óptica de alta calidad, alta capacidad y eficiencia. Este desarrollo se vio apoyado por diodos emisores de luz LEDs, Fotodiodos y LASER (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación).
La Fibra Óptica es una varilla delgada y flexible de vidrio u otro material transparente con un índice de refracción alto, constituida de material dieléctrico (material que no tiene conductividad como vidrio o plástico), es capaz de concentrar, guiar y transmitir la luz con muy pocas pérdidas incluso cuando esté curvada. Está formada por dos cilindros concéntricos, el interior llamado núcleo (se construye de elevadísima pureza con el propósito de obtener una mínima atenuación) y el exterior llamado revestimiento que cubre el contorno (se construye con requisitos menos rigurosos), ambos tienen diferente índice de refracción ( 
n2 del revestimiento es de 0.2 a 0.3 % inferior al del núcleo n1 ).
El diámetro exterior del revestimiento es de 0.1 mm . aproximadamente y el diámetro del núcleo que transmite la luz es próximo a 10 ó 50 micrómetros. Adicionalmente incluye una cubierta externa adecuada para cada uso llamado recubrimiento.



Ventajas de la tecnología de la fibra óptica

Baja Atenuación

Las fibras ópticas son el medio físico con menor atenuación. Por lo tanto se pueden establecer enlaces directos sin repetidores, de 100 a 200 Km . con el consiguiente aumento de la fiabilidad y economía en los equipamientos.



Gran ancho de banda

La capacidad de transmisión es muy elevada, además pueden propagarse simultáneamente ondas ópticas de varias longitudes de onda que se traduce en un mayor rendimiento de los sistemas. De hecho 2 fibras ópticas serían capaces de transportar, todas las conversaciones telefónicas de un país, con equipos de transmisión capaces de manejar tal cantidad de información (entre 100 MHz/Km a 10 GHz/Km).



Peso y tamaño reducidos

El diámetro de una fibra óptica es similar al de un cabello humano. Un cable de 64 fibras ópticas, tiene un diámetro total de 15 a 20 mm . y un peso medio de 250 Kg/km. Si comparamos estos valores con los de un cable de 900 pares calibre 0.4 (peso 4,000 Kg/Km y diámetro 40 a 50 mm ) se observan ventajas de facilidad y costo de instalación, siendo ventajoso su uso en sistemas de ductos congestionados, cuartos de computadoras o el interior de aviones.



Gran flexibilidad y recursos disponibles

Los cables de fibra óptica se pueden construir totalmente con materiales dieléctricos, la materia prima utilizada en la fabricación es el dióxido de silicio (Si0 2 ) que es uno de los recursos más abundantes en la superficie terrestre.



Aislamiento eléctrico entre terminales

Al no existir componentes metálicos (conductores de electricidad) no se producen inducciones de corriente en el cable, por tanto pueden ser instalados en lugares donde existen peligros de cortes eléctricos.



Ausencia de radiación emitida

Las fibras ópticas transmiten luz y no emiten radiaciones electromagnéticas que puedan interferir con equipos electrónicos, tampoco se ve afectada por radiaciones emitidas por otros medios, por lo tanto constituyen el medio más seguro para transmitir información de muy alta calidad sin degradación.



Costo y mantenimiento

El costo de los cables de fibra óptica y la tecnología asociada con su instalación ha caído drásticamente en los últimos años. Hoy en día, el costo de construcción de una planta de fibra óptica es comparable con una planta de cobre. Además, los costos de mantenimiento de una planta de fibra óptica son muy inferiores a los de una planta de cobre. Sin embargo si el requerimiento de capacidad de información es bajo la fibra óptica puede ser de mayor costo.
Las señales se pueden transmitir a través de zonas eléctricamente ruidosas con muy bajo índice de error y sin interferencias eléctricas.
Las características de transmisión son prácticamente inalterables debido a los cambios de temperatura, siendo innecesarios y/o simplificadas la ecualización y compensación de las variaciones en tales propiedades. Se mantiene estable entre -40 y 200 
ºC .
Por tanto dependiendo de los requerimientos de comunicación la fibra óptica puede constituir el mejor sistema.



Desventajas de la fibra óptica

El costo de la fibra sólo se justifica cuando su gran capacidad de ancho de banda y baja atenuación son requeridos. Para bajo ancho de banda puede ser una solución mucho más costosa que el conductor de cobre.
La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal de recepción debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía debe proveerse por conductores separados.
Las moléculas de hidrógeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en la atenuación. El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo más importante para el envejecimiento de la fibra óptica.
Incipiente normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los parámetros de los componentes, calidad de la transmisión y pruebas.






Teoría de propagación





La propagación se realiza cuando un rayo de luz ingresa al núcleo de la fibra óptica y dentro de él se producen sucesivas reflexiones en la superficie de separación núcleo – revestimiento.



núcleo – revestimiento
La condición más importante para que la fibra óptica pueda confinar la luz en el núcleo y guiarla es:



n 1 > n 2
Para describir los mecanismos de propagación se usará la óptica geométrica. Se basa en que la luz se considera como rayos angostos, donde la reflexión ocurre en la frontera de dos materiales de índices de refracción diferentes.
En el vacío las ondas electromagnéticas se propagan con la velocidad de la luz 299.792.456 km/seg.
En el aire se puede aproximar a:



c = 300,000 km/seg.
Si se tiene un material con distinto índice de refracción al del aire, su velocidad será ligeramente distinta a la de la luz dependiente de n



formula
Relación que puede escribirse formula

donde:
c = es la velocidad de la luz (3.000.000.000 m/s) en el aire
= es la velocidad de la luz en un material especifico.
= índice de refracción
Cuando un rayo incide en la frontera entre dos medios con diferentes índices de refracción, el rayo incidente será refractado con distinto ángulo, según la ley de refracción de Snell,



formula
De donde



n2sen θ2 = n1sen θ1

n
1= índice de refracción del material 1 (adimensional)
n
2= índice de refracción del material 2 (adimensional)
θ
1= es el ángulo de incidencia (grados)
θ
2 = es el ángulo de refracción (grados)
v
1 = velocidad en el material 1
v
2 = velocidad en el material 2

La representación de la ley de Snell se muestra en la figura que se encuentra a continuación.



Snell
En la frontera, el haz incidente se refracta hacia la normal o lejos de ella, dependiendo si n1 es menor o mayor que n2.
Esto implica que si un rayo ingresa de un medio menos denso (índice refractivo más bajo) a otro más denso (índice refractivo mas alto) (
n1< n2), el rayo se refracta con un ángulo menor con respecto a la perpendicular de la frontera.
En el caso contrario cuando un rayo incide de un medio más denso hacia otro menos denso, el rayo se refracta con un ángulo mayor con respecto a la perpendicular de la frontera.




Ángulo crítico

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso, el ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico, resulta cuando el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, (superficie de separación entre ambos medios). Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados.




Ángulo crítico

Por Snell
n
2sen θ2 = n1sen θ1
Si θ
2 = 90º
θ
1 = θC= ángulo crítico
formula
Entonces para θ
1 > θC => reflexión total
Índices de refracción de varios materiales se indican en la siguiente tabla.



MEDIO
INDICE DE REFRACCION
Vacío
1.0
Aire
1.0003
Agua
1.33
Alcohol etílico
1.36
Cuarzo fundido
1.46
Fibra de vidrio
1.5-1.9
Diamante
2.0-2.42
Silicio
3.4
Galio Arsenuro
3.6
El ángulo crítico considerando el aire y el vidrio será:



Para el aire n2 =1
Vidrio n1 = 1.5
1.5 sen θ1 = 1
θ1 = 41.8º

Ejemplo

Si el medio 1 es vidrio y el medio 2 alcohol etílico. Para un ángulo de incidencia de 30°, determine el ángulo de refracción.
De la tabla
 
n1 (vidrio) = 1.5
n2 (alcohol etílico) = 1.36
formula



















Tipos de fibras ópticas



Cable de fibra por su composición hay tres tipos disponibles actualmente:



  • Núcleo de plástico y cubierta plástica
  • Núcleo de vidrio con cubierta de plástico (frecuentemente llamada fibra PCS, El núcleo silicio cu bierta de plástico)
  • Núcleo de vidrio y cubierta de vidrio (frecuentemente llamadas SCS, silicio cubierta de silicio)
Las fibras de plástico tienen ventajas sobre las fibras de vidrio por ser más flexibles y más fuertes, fáciles de instalar, pueden resistir mejor la presión, son menos costosas y pesan aproximadamente 60% menos que el vidrio. La desventaja es su característica de atenuación alta: no propagan la luz tan eficientemente como el vidrio. Por tanto las de plástico se limitan a distancias relativamente cor tas, como puede ser dentro de un solo edificio.
Las fibras con núcleos de vidrio tienen baja atenuación. Sin embargo, las fibras PCS son un poco mejores que las fibras SCS. Además, las fibras PCS son menos afectadas por la radiación y, por lo tanto, más atractivas a las apli caciones militares. Desafortunadamente, los cables SCS son menos fuertes, y más sensibles al aumento en atenuación cuando se exponen a la radiación.
Cable de fibra óptica disponible en construcciones básicas:



  • Cable de estructura holgada y
  • Cable de estructura ajustada.

Cable de estructura holgada

Consta de varios tubos de fibra rodeando un miembro central de refuerzo, y rodeado de una cubierta protectora. El rasgo distintivo de este tipo de cable son los tubos de fibra. Cada tubo, de dos a tres milímetros de diámetro, lleva varias fibras ópticas que descansan holgadamente en él. Los tubos pueden ser huecos o, más comúnmente estar llenos de un gel resistente al agua que impide que ésta entre en la fibra. El tubo holgado aísla la fibra de las fuerzas mecánicas exteriores que se ejerzan sobre el cable.



Cable de tubo Holgado
Cable de tubo Holgado
El centro del cable contiene un elemento de refuerzo, que puede ser acero, Kevlar o un material similar. Este miembro proporciona al cable refuerzo y soporte durante las operaciones de tendido, así corno en las posiciones de instalación permanente. Debería amarrarse siempre con seguridad a la polea de tendido durante las ope raciones de tendido del cable, y a los anclajes apropiados que hay en cajas de empal mes o paneles de conexión.
La c ubierta o protección exterior de l cable se puede hacer , entre otros materiales, de pol ietileno, de armadura o coraz a de acero, goma o hilo de aram ida, y para apli caciones tanto exteriores com o interiores. Con objeto d e l ocalizar los fallos con e l OTDR d e un a manera más fácil y precisa, la cubierta está secuenc ialm e nt e numerada cada metro (o cada pie) por el fabricante.



Tubo holgado de cable de fibra óptica
Tubo holgado de cable de fibra óptica
Los cables de estructura holgada se usan en la mayoría de las instalaciones exte­riores, incluyendo aplicaciones aéreas, en tubos o conductos y en instalaciones direc tamente enterradas. El cable de estructura holgada no es muy adecuado para instalaciones en recorridos muy verticales, porque existe la posibilidad de que el gel interno fluya o que las fibras se muevan.



Cable de estructura ajustada

Contiene varias fibras con protección secundaria que rodean un miembro central de tracción, y todo ello cubierto dc una protección exterior. La protección secundaria de la fibra consiste en una cubierta plástica de 900 μm de diámetro que rodea a! recubrimiento de 250 μm de la fibra óptica.



Cable de estructura ajustada
Cable de estructura ajustada
La protección secundaria proporciona a cada fibra individual una protección adi­cional frente al entorno así como un soporte físico. Esto permite a la fibra ser conec tada directamente (conector instalado directamente en el cable de la fibra), sin la protección que ofrece una bandeja de empalmes. Para algunas instalaciones esto puede reducir cl coste de la instalación y disminuir el número de empalmes en un tendido de fibra. Debido al diseño ajustado del cable, es más sensible a las cargas de estiramiento o tracción y puede ver incrementadas las pérdidas por microcurvaturas.
Por una parte, un cable de estructura ajustada es más flexible y tiene un radio de curvatura más pequeño que el que tienen los cables de estructura holgada. En primer lugar. es un cable que se ha diseñado para instalaciones en el interior de los edificios. También se puede instalar en tendidos verticales más elevados que los cables de estruc tura holgada, debido al soporte individual de que dispone cada fibra.



Cable blindado

Tienen tina coraza protectora o armadura de acero debajo de la cubierta de polietileno. Esto proporciona al cable una resistencia exce lente al aplastamiento y propiedades de protección frente a roedores. Se usa fre cuentemente en aplicaciones de enterramiento directo o para instalaciones en entornos de industrias pesadas. El cable se encuentra disponible generalmente en estructura hol gada aunque también hay cables de estructura ajustada.



Cable de fibra óptica con armadura
Cable de fibra óptica con armadura
Existen también otros cables de fibra óptica para las siguientes aplicaciones especiales:



Cable aéreo autoportante

O autosoportado es un cable de estructura holgada diseñado para ser utilizado en estructuras aéreas. No requiere un fijador corno soporte. Para asegurar el cable directamente a la estructura del poste se utilizan abrazaderas espe ciales. El cable se sitúa bajo tensión mecánica a lo largo del tendido.



Cable submarino

Es un cable de estructura holgada diseñado para permanecer sumergido en el agua. Actualmente muchos continentes están conectados por cables submarinos de fibra óptica transoceánicos.



Cable compuesto tierra-óptico (OPGW)

Es un cable de tierra que tiene fibras ópticas insertadas dentro de un tubo en el núcleo central del cable. Las fibras ópticas están com pletamente protegidas y rodeadas por pesados cables a tierra. Es utilizado por las compañías eléctricas para suministrar comunicaciones a lo largo de las rutas de las líneas de alta tensión.



Cables híbridos

Es un cable que contiene tanto fibras ópticas como pares de cobre.



Cable en abanico

Es un cable de estructura ajustada con un número pequeño de fibras y diseñado para una conexión directa y fácil (no se requiere un panel de conexiones).



Clasificación de las fibras ópticas

Las fibras ópticas utilizadas actualmente en el área de las telecomunicaciones se clasifican fundamentalmente en dos grupos según el modo de propagación: Fibras Multimodo y Fibras Monomodo. 


Fibras ópticas Multimodo

Son aquellas que pueden guiar y transmitir varios rayos de luz por sucesivas reflexiones, (modos de propagación).



Fibras ópticas Multimodo
Los modos son formas de ondas admisibles, la palabra modo significa trayectoria.



Fibras ópticas Monomodo

Son aquellas que por su especial diseño pueden guiar y transmitir un solo rayo de luz (un modo de propagación) y tiene la particularidad de poseer un ancho de banda elevadísimo.



Fibras ópticas Monomodo
En estas fibras monomodo cuando se aplica el emisor de luz, el aprovechamiento es mínimo, también el costo es más elevado, la fabricación difícil y los acoples deben ser perfectos.









Propiedades de la fibra óptica







Las propiedades de la fibra óptica se pueden encuadrar en cuatro grandes grupos:



  • Propiedades ópticas
  • Propiedades de transmisión
  • Propiedades físicas
  • Propiedades geométricas.

Propiedades ópticas

Dan lugar a la clasificación según el índice de refracción y la apertura numérica.



Perfil de índice de refracción

Es la variación índice conforme nos movemos en la sección transversal de la fibra óptica, es decir a lo largo del diámetro. Se tiene al índice escalón e índice gradual.
Fibras de 
índice escalón o también llamadas salto de índice (SI), son aquellas en las que al movernos sobre el diámetro AB, el índice de refracción toma un valor constante n2 desde el punto A hasta el punto donde termina el revestimiento y empieza el núcleo. En ese punto se produce un salto con un valor n1 > n2 donde también es constante a lo largo de todo el núcleo. Este tipo de perfil es utilizado en las fibras monomodo.



Fibras de índice escalón
En las fibras de índice escalón multimodo la dispersión del haz de luz ocasionado por retardo de los distintos caminos de los modos de propagación, limita en ancho de banda
Fibras de 
índice gradual.- El índice de refracción n2 es constante en el revestimiento, pero en el núcleo varía gradualmente (en forma parabólica) y se tiene un máximo en el centro del núcleo. Este tipo de perfil es utilizado en las fibras multimodo pues disminuye la dispersión de las señales al variar la velocidad para las distintas longitudes de los caminos en el centro y próximos a la frontera.



Fibras de índice gradual
Apertura Numérica (NA).- Es un parámetro que da idea de la cantidad de luz que puede ser guiada por una fibra óptica. Por lo tanto cuanto mayor es la magnitud de la apertura numérica de una fibra, mayor es la cantidad de luz que puede guiar o lo que es lo mismo, mas cantidad de luz es capaz de aceptar en su núcleo.



Apertura Numérica
Por Snell para ángulo crítico 











Snell a la entrada




Si n0 = 1 



θe ángulo de aceptación o de enbtrada (aceptancia)
la apertura numérica será 




La potencia acoplada a una fibra PA puede expresarse como:




PT = potencia total en el núcleo
m = parámetro definido por el patrón de radiación
para el LED de superficie 
m = 1
En porcentaje % de acoplamientos típicos



LED
1 – 10% (multimodo)
< 1% (monomodo)

50-100μm
9 μm (diámetro núcleo)
LASER
50% (multimodo)
10% (monomodo)

50 μm
9 μm (diámetro núcleo)











Empalmes y conexión de fibras ópticas




Para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión como empalmes y conectores.
Los conectores son dispositivos mecánicos utilizados para recoger la mayor cantidad de luz. Realizan la conexión del emisor y receptor óptico.
En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por tanto las perdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseño de sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran distancia.




Los empalmes son las uniones fijas para lograr continuidad en la fibra.
En las fibras monomodo los problemas de empalme se encuentran principalmente en su pequeño diámetro del núcleo Dn = 10μm, esto exige contar con equipos y mecanismos de alineamiento de las fibras con una mayor precisión.
Las pérdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de:
Emisor óptico a fibra, conexiones de fibra a fibra y conexiones de fibra a fotodetector.
Las pérdidas de unión son causadas frecuente mente por una mala alineación lateral, mala alineación de separación, mala alineación angular, acabados de superficie imperfectos y diferencias ya sea entre núcleos o diferencia de índices, como los indicados en la figura.



Técnicas de empalme

Existen fundamentalmente 2 técnicas diferentes de empalme que se emplean para unir permanentemente entre sí fibras ópticas.
La primera es el empalme por fusión que actualmente se utiliza en gran escala, y la segunda el empalme mecánico.



Empalme por fusión

Se realiza fundiendo el núcleo, siguiendo las etapas de:



  • preparación y corte de los extremos
  • alineamiento de las fibras
  • soldadura por fusión
  • protección del empalme

Empalme mecánico

Este tipo de empalme se usa en el lugar de la instalación donde el desmontaje es frecuente, es importante que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan exactamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y sujeción de las fibras y de un adhesivo adaptador de índice que fija los extremos de las fibras permanentemente.
Después de realizado el empalme de la fibra óptica se debe proteger con:



  • manguitos metálicos
  • manguitos termoretráctiles
  • manguitos plásticos.
En todos los casos para el sellado del manguito se utiliza adhesivo o resina de secado rápido.










Propiedades de transmisión de la fibra óptica





Las principales características de transmisión de las fibras ópticas son la atenuación, el ancho de banda, el diámetro de campo modal y la longitud de onda de corte.



Atenuación

Significa la disminución de potencia de la señal óptica, en proporción inversa a la longitud de fibra. La unidad utilizada para medir la atenuación en una fibra óptica es el decibel (dB).



10 log P1 / P2
Donde:
P1 potencia de la luz a la entrada de la fibra
P2 potencia de la luz a la salida de la fibra
La atenuación de la fibra se expresa en dB/Km. Este valor significa la perdida de luz en un Km.
El desarrollo y la tecnología de fabricación de las fibras para conseguir menores coeficientes de atenuación se observa en el siguiente gráfico.




Los factores que influyen en la atenuación se pueden agrupar en dos.
Factores propios.- Podemos destacar fundamentalmente dos.
Las pérdidas por 
absorción del material de la fibra, son debido a impurezas tales como iónes metálicos, níquel variado (OH)- , etc. ya que absorben la luz y la convierten en calor. El vidrio ultrapuro usado para fabricar las fibras ópticas es aproximadamente 99.9999% puro. Aún así, las pérdidas por absorción entre 1 y 1000 dB/Km son típicas.
Las pérdidas por 
dispersión (esparcimiento) se manifiesta como reflexiones del material, debido a las irregularidades submicroscópicas ocasionadas durante el proceso de fabricación y cuando un rayo de luz se esta propagando choca contra estas impurezas y se dispersa y refleja.
Dentro de estas pérdidas tenemos



  • Pérdidas por difusión de Rayleigh (por fluctuaciones térmicas del índice de refracción).
  • Imperfecciones de la fibra, particularmente en la unión núcleo-revestimiento, variaciones geométricas del núcleo en el diámetro
  • Impurezas y burbujas en el núcleo (como superficie rugosa a λ pequeños)
  • Impurezas de materiales fluorescentes
  • Pérdidas de radiación debido a microcurvaturas, cambios repetitivos en el radio de curvatura del eje de la fibra
Factores externos.- El principal factor que afecta son las deformaciones mecánicas. Dentro de estas las más importantes son las curvaturas, esto conduce a la pérdida de luz por que algunos rayos no sufren la reflexión total y se escapan del núcleo.
Las curvas a las que son sometidas las fibras ópticas se pueden clasificar en macro curvaturas (radio del orden de 1cm o más) y micro curvaturas (el eje de la fibra se desplaza a lo sumo unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milímetros)



OTDR

Para obtener una representación visual de las características de atenuación de una fibra óptica alo largo de toda su longitud se utiliza un reflectómetro óptico en el dominio en tiempo (OTDR). El OTDR dibuja esta característica en su pantalla de forma gráfica, mostrando las distancias sobre el eje X y la atenuación sobre el eje Y. A través de esta pantalla se puede determinar información tal como la atenuación de la fibra, las pérdidas en los empalmes, las pérdidas en los conectores y la localización de las anomalías.
El ensayo mediante el OTDR es el único método disponible para determinar la localización exacta de las roturas de la fibra óptica en una instalación de cable óptico ya instalado y cuyo recubrimiento externo no presenta anomalías visibles. Es el mejor método para localizar pérdidas motivadas por empalmes individuales, por conectores, o por cualquier anomalía en puntos concretos de la instalación de un sistema. Permite determinar si un empalme está dentro de las especificaciones o si se requiere rehacerla.
Cuando está operando el OTDR envía un corto impulso de luz a través de la fibra y mide el tiempo requerido para que los impulsos reflejados retornen de nuevo al OTDR. Conociendo el índice de refracción y el tiempo requerido para que lleguen las reflexiones, el OTDR calcula la distancia recorrida del impulso de la luz reflejada:




Ancho de Banda

Determina la capacidad de transmisión de información, considerando pulsos luminosos muy estrechos y separados en el tiempo. La capacidad viene limitada por una distorsión de la señal que resulta por ensanchamiento de los pulsos luminosos al transmitirse a lo largo de la fibra. Los factores que contribuyen dicho ensanchamiento son:



  • Dispersión intermodal
  • Dispersión intramodal
La dispersión es la propiedad física inherente de las fibras ópticas, que define el ancho de banda y la interferencia ínter simbólica (ISI).



Dispersión intermodal ó modal

Es causada por la diferencia en los tiempos de propagación de los rayos de luz que toman diferentes trayectorias por una fibra. Tiene lugar solo en las fibras multimodo, se puede reducir usando fibras de índice gradual y casi se elimina usando fibras monomodo de índice de escalón. Esta dispersión causa que un pulso de luz se recibe en el receptor ensanchado, como en la siguiente figura.








Dispersión intramodal

  • Del material
  • De la guía
  • Producto cruzado

La dispersión intramodal del material

La dispersión intramodal del material o cromática resulta por que a diferentes longitudes de onda de la luz se propagan a distintas velocidades de grupo a travéz de un medio dado (material de la fibra). Como en la práctica las fuentes de luz no son perfectamente monocromáticas, se ocasiona por esta causa un ensanchamiento de pulso recibido. Este efecto aparece en las fibras multimodo y monomodo. Esta dispersión cromática se puede eliminar usando una fuente monocromática tal como un diodo de inyección láser (ILD)



Dispersión intramodal de la guía de onda.

Es función del ancho de banda de la señal de información y la configuración de la guía generalmente es más pequeña que la anterior y se la puede despreciar.



Producto cruzado

Es pequeño y se desprecia excepto cuando no se desprecia el de la guía.
Diámetro de campo modal.- Da idea de la extensión de la mancha de luz del modo fundamental a la salida de la fibra. Su valor aumenta conforme la longitud de onda de la luz guiada es mayor, es de gran importancia en las características de la fibra monomodo. A partir de él se puede calcular posibles pérdidas en empalmes, pérdidas por microcurvaturas y dispersión cromática de la fibra.
Longitud de onda de corte.- La fibra óptica, llamada monomodo no guía un único rayo para todas las longitudes de onda. Solo a partir de una longitud de onda óptica se comporta como monomodo, para longitudes de onda por debajo de ese valor la fibra óptica guía varios rayos de luz y se comporta como multimodo. La longitud de onda en la que se produce la separación entre monomodo y multimodo para una fibra óptica se llama longitud de onda de corte.







Propiedades físicas de la fibra óptica





Las propiedades físicas más importantes son sus propiedades mecánicas las cuales son:



Modulo de Young

Se define como la fuerza por unidad de área que produce un alargamiento en la fibra óptica, donde su valor se encuentra entre 700 kp/mm2



Carga de Rotura

Es la mínima fuerza por unidad de área que es capaz de romper la fibra óptica, donde su valor es de 400 kp/mm2



Alargamiento en el punto de rotura

Es de 5 % la carga de tracción aplicada durante 1 seg. a toda la longitud de la fibra óptica es de 5 N.



Coeficiente de dilatación

Indica el alargamiento que sufre la fibra óptica por cada grado de temperatura.
Su valor para la fibra óptica es de 0,5.10E-6 °C, esto quiere decir que 1000 m. de fibra óptica sufrirán un alargamiento de 25 mm al pasar de 20 °C a 70 °C.



Propiedades geométricas

Se suelen distinguir los siguientes parámetros, como los más importantes para caracterizar geométricamente a una fibra óptica: Diámetro del revestimiento, diámetro del núcleo, concentridad núcleo-revestimiento, no circularidad del núcleo y no circularidad del revestimiento.






Pruebas mecánicas sobre un cable óptico





A objeto de evaluar el desempeño de un cable óptico frente a las distintas solicitaciones mecánicas, los fabricantes y usuarios de cables ópticos han desarrollado una serie de ensayos que tratan de imitar las condiciones de trabajo a las que se enfrenta el cable durante la instalación y su operación.
Se indicarán las más importantes



Prueba de tensión

El objeto es verificar el comportamiento del cable para las condiciones de instalación y determinar cual es la máxima tensión a la cual puede ser sometido, sin que se afecten las propiedades de transmisión de la fibra y/o se verifiquen la ruptura.



Prueba de compresión

Se efectúa para establecer el comportamiento de un cable óptico cuando se vé sometido a un esfuerzo de compresión.
Se busca simular la situación durante la instalación si el cable es aplastado se coloca la muestra del cable entre dos placas metálicas evitando que exista movimientos laterales y se aplica la carga gradualmente hasta que se detecte la rotura y/o variación de atenuación de una fibra.



Prueba de impacto

Determina el comportamiento del cable óptico cuando recibe un impacto localizado en un área pequeña, tal como sucede cuando durante la instalación o manipuleo del cable cae sobre éste un objeto como una herramienta. El ensayo se efectúa aplicando una carga hasta verificar la rotura de una fibra.



Prueba de doblado

Establece el comportamiento del cable óptico cuando se le somete a sucesivos doblajes, situación presentada normalmente en las maniobras de instalación.
El ensayo consiste en plegar alrededor de un mandril de diámetro 20 veces mayor al del cable un numero determinado de veces, verificando luego que no se haya dañado ninguna fibra ni la vaina del cable.



Prueba de torsión

Consiste en verificar el comportamiento del cable al ser sometido a una torsión sobre su propio eje, situación probable también durante la instalación.
Para ello se toma una muestra, se la fija por un extremo y luego se la hace rotar 180 grados en los dos sentidos. Finalizada la prueba se verifica que las fibras no estén dañadas.







Conversión eléctrica – óptica



Para transmitir información mediante señales luminosas a través de un conductor (fibra óptica) se requiere que en el punto emisor y receptor existan elementos para convertir las señales eléctricas en ópticas y viceversa.
En el extremo emisor la intensidad de una fuente luminosa se modula mediante una señal eléctrica y en el extremo receptor, la señal óptica se convierte en una señal eléctrica.
Para este proceso de conversión se utilizan las propiedades de los materiales semiconductores los cuales poseen dos bandas de energía, banda de valencia (nivel bajo de energía) y banda de conducción (nivel alto de energía) separadas por una distancia de energía.
Un fotón (quantum de energía) tiene una energía




h = constante de Plank
γ = Frecuencia del fotón
λ = longitud de onda
V= velocidad de la luz en el medio
En el semiconductor para pasar un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, existe energía absorbida por incidencia de un fotón. Proceso inverso se realiza para liberar fotones.



E=EC - EV
Donde:
EC energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de conducción
EV energía de un electrón, cuando se encuentra en la banda de valencia




es una característica del material y se puede cambiar en función al contaminante empleado en el semiconductor.
Cuando se libera un fotón se lo puede hacer de dos maneras: espontánea o estimulada. En la emisión espontánea no existe ningún medio externo que induzca al electrón pasar de la banda de conducción a la banda de valencia. En la emisión estimulada un fotón induce a que el electrón pase a su estado de reposo, liberando un fotón, en cuyo caso se dice que existe amplificación, si además existe retroalimentación y un elemento de selectividad, se logrará tener emisiones coherentes (mediante espejos). Una representación de estos procesos se indica en la figura que se encuentra a continuación.






















Emisores y receptores ópticos








Emisores ópticos

Entre los emisores ópticos tenemos a los diodos LED y los diodos LASER.




Diodos LED

Son fuentes de luz con emisión espontánea o natural (no coherente), son diodos semiconductores de unión p-n que para emitir luz se polarizan directamente.



     

La energía luminosa emitida por el LED es proporcional al nivel de corriente de la polarización del diodo.
En la figura anterior vemos la representación característica de potencia óptica- corriente de polarización.
Existen dos tipos de LED:



  • LED de superficie que emite la luz a través de la superficie de la zona activa.
  • LED de perfil que emite a través de la sección transversal (este tipo es mas direccional)

Diodos LASER (LD)

Son fuentes de luz coherente de emisión estimulada con espejos semireflejantes formando una cavidad resonante, la cual sirve para realizar la retroalimentación óptica, así como el elemento de selectividad (igual fase y frecuencia).
La emisión del LD es siempre de perfil, estos tienen una corriente de umbral y a niveles de corriente arriba del umbral la luz emitida es coherente, y a niveles menores al umbral el LD emite luz incoherente como un LED.
La figura muestra una comparación de los espectros emitidos por un LED y un LD.




Como las características de los espejos son funciones tanto de la temperatura, como de la operación; la característica potencia óptica- corriente de polarización es función de la temperatura y sufre un cierto tipo de envejecimiento. Una representación gráfica de la corriente de umbral, del proceso de envejecimiento se ilustra en la a continuación.





Receptores ópticos

El propósito del receptor óptico es extraer la información contenida en una portadora óptica que incide en el fotodetector. En los sistemas de transmisión analógica el receptor debe amplificar la salida del fotodetector y después demodularla para obtener la información. En los sistemas de transmisión digital el receptor debe producir una secuencia de pulsos (unos y ceros) que contienen la información del mensaje transmitido.



Fotodetector

Convierte la potencia óptica incidente en corriente eléctrica, esta corriente es muy débil por lo que debe amplificarse. Las características principales que debe tener son:



  • Sensibilidad alta a la longitud de onda de operación
  • Contribución mínima al ruido total del receptor
  • Ancho de banda grande (respuesta rápida)
Existen dos tipos de fotodetectores:



Fotodetectores PIN

Genera un solo par electrón-hueco por fotón absorbido. Son los más comunes y están formados por una capa de material semiconductor ligeramente contaminado (región intrínseca), la cual se coloca entre dos capas de material semiconductor, una tipo N y otra tipo P. Cuando se le aplica una polarización inversa al fotodetector, se crea una zona desértica (libre de portadores) en la región intrínseca en la cual se forma un campo eléctrico. Donde un fotón en la zona desértica con mayor energía o igual a la del material semiconductor, puede perder su energía y excitar a un electrón que se encuentra en la banda de valencia para que pase a la banda de conducción. Este proceso genera pares electrón – hueco que se les llama fotoportadores.





Fotodetectores de Avalancha APD.-
Presenta ganancia interna y genera mas de un par electrón-hueco, debido al proceso de ionización de impacto llamado ganancia de avalancha. Cuando a un fotodetector se le aumenta el voltaje de polarización, llega un momento en que la corriente crece por el fenómeno de avalancha, si en esta región se controla el fenómeno de avalancha limitando la corriente (antes de la destrucción del dispositivo), la sensibilidad del fotodetector se incrementa.
Cuando se aplican altos voltajes de polarización, los portadores de carga libres se desplazan rápidamente, con mayor energía y liberan nuevos portadores secundarios, los cuales también son capaces de producir nuevos portadores. Este efecto se llama multiplicación por avalancha (
M) que esta dada por:




Donde:
IT : fotocorriente total
IP : fotocorriente primaria
V : Voltaje de polarización aplicado
VB : Voltaje de ruptura del dispositivo
n : coeficiente











Cálculo de enlace fibra óptica








Características de Transmisión

Para una correcta planificación de las instalaciones de cables con fibras ópticas es necesario considerar la atenuación total del enlace y el ancho de banda del cable utilizado.
Para el cálculo de atenuación de enlace se consideran 2 métodos:



  • Cálculo del cable de fibra óptica
  • Cálculo del margen de enlace con cable de fibra óptica seleccionado

Cálculo del cable

La atenuación total del cable considerando reserva será:
a
t = LaL + neae + ncac + arL
= longitud del cable en Km.
a
L = coeficiente de atenuación en dB/Km
n
e = número de empalmes
a
e = atenuación por empalme
n
c = número de conectores
a
c = atenuación por conector
a
r = reserva de atenuación en dB/Km
La reserva de atenuación (margen de enlace), permite considerar una reserva de atenuación para empalmes futuros (reparaciones) y la degradación de la fibra en su vida útil (mayor degradación por absorción de grupos OH).
La magnitud de la reserva depende de la importancia del enlace y particularidades de la instalación, se adopta valores entre 0.1 dB/Km y 0.6 dB/Km.
Las pérdidas en los empalmes se encuentran por debajo de 0.1 dB/Km no superan 0.5 dB/Km.
El enlace será proyectado para un margen de potencia igual a la máxima atenuación antes de ser necesario un repetidor.



PM = Pt - Pu
Donde:
PM = Margen de potencia en dB (máxima atenuación permisible)
Pt = Potencia del transmisor en dB
P= Potencia de umbral en dB (dependiente de la sensibilidad del receptor)
La potencia de salida del transmisor es el promedio de la potencia óptica de salida del equipo generador de luz empleando un patrón estándar de datos de prueba.
El umbral de sensibilidad del receptor para una tasa de error de bit (BER) es la mínima cantidad de potencia óptica necesaria para que el equipo óptico receptor obtenga el BER deseado dentro del sistema digital. En los sistemas analógicos es la mínima cantidad de potencia de luz necesaria para que el equipo óptico obtenga el nivel de señal a ruido (S/N) deseado.
Por lo tanto de la expresión de



at = PM

Fija la máxima atenuación por Km para el cable a ser seleccionado.


Cálculo del margen

La atenuación total en dB sin considerar reserva del cable será:



at = LaL + neae + ncac
Siendo PM = Pt - Pu
El margen de enlace 
Me en dB será:



Me= Pm - at

Ejemplo

Tenemos un enlace para un sistema de 34 Mbits y λ= 1300 nm.
Supongamos que 
= 25 Km y se emplean fibras ópticas de 2000 mts. por lo que se requieren 12 empalmes con atenuación promedio de 0.2 dB, los conectores de transmisión y recepción con atenuación 0.5 dB.
1.- Cálculo de la fibra
La reserva fijamos en 0.3 
dB/Km




Para una potencia de transmisión de 0 dB y un umbral de sensibilidad de –30 dBm (BER 10-9)El margen de potencia máxima = 30 dB



Podemos elegir un cable con una atenuación menor o igual a 0.76 dB/Km


Cálculo de margen de enlace Me

Suponemos una fibra con aL = 0.7 dB/Km



at = LaL + neae + ncac
at = 15 · 0.7 + 12 · 0.2+ 2 · 0.5 = 18.74 dB
Si PM = 30 dB
El margen de enlace será:



Me= Pm - at = 30 – 18.74
Me = 11.26 dB
Será la atenuación máxima adicional permisible para degradaciones futuras del enlace.



Ancho de banda en fibras de índice gradual

El ancho de banda se encuentra limitado por la dispersión modal y/o del material si se usa LED con gran ancho espectral y λ= 850 nm predomina dispersión intermodal, con LD yλ= 1300 nm predomina dispersión del material.
Existen varios métodos para calcular en forma aproximada la variación del ancho de banda en función de la longitud.
b1=B1L1
Para perfil de índice gradual con ancho del sistema 
B y longitud L es aplicable el método de ley de potencias




B = ancho de banda del sistema en MHz
b1 = ancho de banda por longitud en MHz*Km
B1 = ancho de banda del cable de fibra óptica en MHz a L1
L1 = longitud de fibra óptica generalmente 1 Km para B1
= longitud de la fibra del enlace en Km
El ancho de banda no disminuye linealmente con la longitud por la dispersión de modos se aproxima con γ (exponente longitudinal) entre 0.6 y 1 (valor empírico 0.8).
Para el ejemplo de perfil de índice gradual y λ= 1300 
nm el ancho de banda Bpara sistema de 34 Mbits es ≥ 50 MHz ancho de banda de campo regulador tanto para LED como para LD (para 8 Mbits ≥ 25 MHz y para 140 Mbits ≥ 120 MHz




En fibra óptica de perfil de índice gradual λ= 1300 nm b1 incrementa en pasos de 200 MHz/Km (600 – 800 – 1000 MHz/Km), por tanto para 657 se adopta 800MHz*Km.



 Dispersión de fibra óptica monomodo

En sistemas digitales se usa LD hasta 140 Mbits/seg se desprecia el ancho de banda de la fibra monomodo ya que es GHz.
Por tanto para monomodo se calcula dispersión en lugar de ancho de banda.
El ensanchamiento del pulso Δ
T = M(λ) Δλ L
Δ
T = ensanchamiento del pulso en ps
M(λ) = dispersión cromática en ps/nm*Km
Δλ = ancho espectral medio del emisor en nm
L = longitud de la fibra en Km
Por ejemplo para:
= 25 Km
λ = 1330 nm
Δλ = 5 nm
M(λ) = 3.5 ps/nm*Km
Resulta Δ
T = 3.5 * 5 * 25 = 437.5 ps
De la expresión para el cálculo de ancho de banda




El cálculo de la dispersión en sistemas encima de 565 Mbits/seg considera adicionalmente características del láser como ruido de distribución de modos.



Características mecánicas

Se debe tener en cuenta la configuración de los cables para que los mismos se encuentren protegidos de influencias ambientales.




Fuente: http://www.textoscientificos.com/redes/fibraoptica

1 comentario:

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