JGJJ300: mayo 2017

FIBRA ÓPTICA

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.

Opciones de medios para el transporte

El objetivo general de las telecomunicaciones es permitir comunicaciones de voz, datos, video a distancia de alta calidad, sin importar la localización de los extremos. Para determinar el tipo de medio que se debe utilizar es considerar dos aspectos en general: el primero la distancia que existe entre los extremos: y el segundo la cantidad de información que se desea transmitir. Esto de alguna manera va asociado con el costo para cada opción de comunicación. Otro factor que también puede influir es el tiempo en el que se desea contar con los medios de comunicación.

	Distancia entre repetidores	Vida útil	Efectos Climáticos	Complejidad de Operación	Capacidad
Satélite	Solo uno	Limitada	Si	Alta	Media
Par de Cobre Cable coaxial	Corta 2-10 Km	Larga	No mucho Humedad	Moderada	Media
Microondas	Media 25-75 km	Larga	Si Lluvias	Moderada	Media-alta
Fibras ópticas	Larga Hasta 600 km	Muy larga	Nulos	Moderada	Muy alta

Tabla - Opciones de medios de transporte

Existen diversas opciones de medios de transporte, pero definitivamente las fibras ópticas cuentan con el mejor escenario para la implementación de redes de transporte. Proveen la mayor capacidad, la mayor distancia entre repetidores, la mejor calidad y por lo tanto relación costo beneficio. En la siguiente figura se comparan los diferentes medios de transporte desde diferentes medios de transporte desde diferentes puntos de vista.

VENTAJAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

Tenemos diversas ventajas que favorecen la utilización de las fibras óptica sobre redes de telecomunicaciones.

Muy altas capacidades, en el orden de los Tbps.

Calidad en transmisión, en el orden de BER=10^-12

Niveles bajos de atenuación, en el orden de 0.2 dB/km.

Respuesta a la frecuencia plana dentro de las ventanas ópticas, por lo tanto se prescinde

prácticamente de ecualización.

Distancia grande entre repetidores, entre 150 y 600 kms.

Inmunidad a ruidos e interferencias.

Menor costo por circuito que cualquier otro medio.

Cables más ligeros, pequeños y flexibles.

No generan interferencia y por lo tanto no existe la diafonía.

Seguridad en la transmisión.

Facilidad de mantenimiento.

La alta capacidad que se consigue sobre las fibras ópticas se debe al gran ancho de banda que estas pueden manejar. En la figura anterior se compara la capacidad de un enlace de radio digital frente a uno con fibra óptica, en función del ancho de banda de la portadora y la frecuencia de operación.

DESVENTAJAS DE LAS FIBRAS ÓPTICAS

ATENUACIÓN

El espectro de la curva de atenuación de una típica fibra óptica hecha de silicio. La curva tiene tres características principales. Una gran tendencia de atenuarse conforme se incrementa la longitud de onda (Dispersión Rayleigh), Atenuación en los picos de absorción asociados con el ión hidroxyl (OH-), y Una tendencia por la atenuación para incrementar las longitudes de onda por arriba de los 1.6 um, debidas a las pérdidas inducidas por la absorción del silicio.

Nuevos sistemas de transmisión usan fibras multimodo, operadas en la primera ventana de longitud de onda cercana a las .85 um, mostrado en la figura 3, y después en la segunda ventana cerca de 1.3 um. Una fibra de modo simple primeramente opera en la segunda ventana, donde la atenuación de la fibra es típicamente menor que 0.35 dB/Km. Sin embargo la región de menos pérdida ( típicamente pérdidas cercanas a las 0.20 dB/Km) permanece en una longitud de onda amplia y los laceres y receptores operan en esa ventana cercanos a 1.55 um, estos llegaron a ser disponibles a finales de los 80´s.

DISPERSIÓN

La dispersión cromática describe la tendencia para diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades en una fibra. En longitudes onda donde la dispersión cromática es alta, los pulsos ópticos tienden a expandirse en el tiempo y provocar interferencia, lo cual puede producir una inaceptable velocidad del bit, muestra como la dispersión cromática cambia con la longitud de onda para tres diferentes tipos de fibra. La dispersión cromática de una fibra consiste de dos componentes - Material y Guía de Onda- como se muestra en la, el componente material depende de las características de dispersión de los dopantes y del silicio de construcción. Estos materiales no ofrecen mucha flexibilidad a ajustes significantes en la dispersión de la fibra, así que ese esfuerzo se ha enfocado en alterar la dispersión de guías de ondas de las fibras ópticas.

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.

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.

La alta pureza fue un problema en el procesamiento del material de la fibra que ya ha sido resuelto. 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 (absorción del calor). 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. Su nombre deriva del hecho de que son excelentes guías de onda para los impulsos lumínicos, y se emplean para transmitir informaciones de cualquier naturaleza transformadas en bits, en forma de ondas electromagnéticas de elevadísimas frecuencias, iguales a la de la luz.

PROPAGACIÓN DE LA LUZ EN LAS FIBRAS ÓPTICAS.

En la siguiente figura se muestra el perfil de la capa longitudinal central de la fibra, se ve detalladamente como sigue su trayecto la luz al propagarse al interior de la fibra:

Para poder entender este diagrama iniciaremos con la frontera vertical que se forma entre el medio 0 y el núcleo que es el medio 1.Dado que hay una frontera, entonces existe un ángulo critico que depende de n₀y de n₁, para que el haz de luz en el punto A pueda traspasar al núcleo es necesario que incida en esta frontera con un ángulo menor a ese ángulo crítico determinado por n₀ y n_1.Requerimos de una refracción en el punto A

Una vez que el haz de luz ha entrado en el núcleo, éste debe incidir en la frontera horizontal formada por el núcleo y el revestimiento, de tal forma que haya una reflexión total interna. Para que eso sea posible el ángulo de incidencia en el punto B debe ser mayor al ángulo crítico determinado por n₁ y n_2.

Dado que el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia, el haz de luz saldrá del punto B con la misma dirección con la que llego y llegará al siguiente punto de la frontera núcleo-recubrimiento con las mismas condiciones y se tendrá en ese siguiente punto otra vez una reflexión interna total.

En conclusión; la luz entra al núcleo retractándose en la frontera formada por los medios

0-1; posteriormente se ira rebotando a lo largo de la fibra mediante reflexiones internas totales en las fronteras formadas por los medios 1-2.

TIPOS DE CABLE COAXIAL

Este tipo de cable está compuesto de un hilo conductor central de cobre rodeado por una malla de hilos de cobre. El espacio entre el hilo y la malla lo ocupa un conducto de plástico que separa los dos conductores y mantiene las propiedades eléctricas.

Tipos

Existen múltiples tipos de cable coaxial, cada uno con un diámetro e impedancia diferentes. El cable coaxial no es habitualmente afectado por interferencias externas, y es capaz de lograr altas velocidades de transmisión de datos en largas distancias. Por esa razón, se utiliza en redes de comunicación de banda ancha (CATV) y cables de banda base (Ethernet).

El tipo de cable que se debe utilizar depende de la ubicación del cable. Los cables coaxiales pueden ser de dos tipos:

Policloruro de vinilo (PVC)

El policloruro de vinilo es un tipo de plástico utilizado para construir el aislante y la cubierta protectora del cable en la mayoría de los tipos de cable coaxial. El cable coaxial de PVC es flexible y se puede instalar fácilmente en cualquier lugar. Sin embargo, cuando se quema, desprende gases tóxicos. Es más dado a daño por corrosión en exteriores; para ello se emplean las cubiertas de polietileno.

Plenum

El plenum contiene materiales especiales en su aislamiento y en una clavija del cable. Estos materiales son resistentes al fuego y producen una mínima cantidad de humos tóxicos. Sin embargo, el cableado plenum es más caro y menos flexible que el PVC.