Fibra Óptica.

1. Parte del cable de fibra óptica

  

Medio muy  empleado en telecomunicaciones y sistemas de redes de datos , que está fabricado de un hilo muy fino de material transparente, (  materiales plásticos o de vidrio  ) y  por el que pasan los  pulsos de luz  (  datos que se quieren transmitir ).

En la imagen superior, tenemos las partes de un tipo de cable especifico, que contiene varios hilos de fibra.

Podemos ver algunos materiales especiales como son el Kevlar (  fibra de para-aramida ), que otorga resistencia al esfuerzo de tracción, o el mylar ( también conocido como PET ) que genera una protección extra a la humedad, o el material de la vaina exterior, con plásticos especiales ( poco apetecibles para roedores ). Todo ellos, entre otros elementos, para alojar a lo mas preciado de todo, los finos hilos como cabellos de fibra óptica.

 Dentro de cada hilo de fibra, un  haz de luz está  confinado ( centrado) se propaga  por el interior  con un ángulo de reflexión  adecuado,  Ese ángulo debe ser inferior a un determinado valor como veremos a continuación con la ayuda del:

2. Principio de Snell

 

 Por el principio de snell ( matemático holandés Willebrord Snell van Royen (1580-1626) ) podemos calcular el ángulo de un rayo que es refractado al pasar de un medio a otro. En la imagen vemos que al incidir el rayo sobre otro medio, podemos tener un rayo que atraviese el medio ( refractado ) o bien que el rayo rebote ( reflejado ).

Lo que nos interesa es que el rayo quede confinado dentro del medio ( fibra ) y no pase al otro medio ( en azul )

 La fórmula que nos indica:

n1 x  senϴ1 =  n2 x  senϴ2

donde n1 es el índice de refracción del medio 1 y n2 corresponde al medio 2

Los índices n se obtienen de dividir la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en el medio, esto es:

n = c/v

 Ley de Snell ha sido desarrollada considerando  los fenómenos de refracción de la luz , pero se aplica también para las ondas electromagnéticas que atraviesan  una superficie de separación entre dos medios en los que la velocidad de propagación  sea diferente.

En la imagen superior, tenemos 4 situaciones, donde es necesario parar de cierto ángulo límite para que exista una reflexión total de la luz

 

Lo vemos para una fibra óptica  en la siguiente ilustración:

  La luz puede venir  por un  láser o un diodo  led.

Actividades:

1. La luz viaja por el agua a una velocidad de 225.400 km/s. Calcular el índice de refracción y el ángulo crítico. Haz el dibujo adecuado
2. Para el caso del vidrio , los datos son 205000 km/h.  Calcular su n y su  ángulo crítico

Actualmente, la fibra  es el medio por cable más avanzado y con mayor apuesta en el sector de las telecomunicaciones, debido a:

1.  Elevado ancho de banda ( del orden del GHz).
2. Pequeño tamaño en el diámetro  de la fibra ( el cable completo es mucho mayor )
3. Relativa flexibilidad para doblarlo.  Se debe mirar las características del fabricante para tomar el valor real de curvatura. Una regla aproximada es tomar la medida del diámetro externo del Cable y multiplicado 20 veces, es decir, Rc = 20 x Dc (donde Dc es el Diámetro externo del cable).
4. Es muy ligero. Un km es 9 veces menos pesado que el correspondiente al cable de cobre
5. Total Inmunidad frente  a perturbaciones  electromagnéticas.  Ni las tormentas , ni los arranques de motores van a perturbar el transito de datos por la fibra
6. Elevada seguridad en la información que pueda llevar. En caso de señales eléctricas por un conductor de cobre, la toma de una muestra para curiosear qué información  se transmite es difícilmente detectable. En caso de la fibra, esa intrusión supone un debilitamiento de la energía lumínica en recepción, lo cual sirve de alarma.  Si queremos  confidencialidad,  fibra óptica
7. No genera interferencias en el entorno.
8. La atenuación es muy pequeña  y no es dependiente de la frecuencia del haz. Podemos cubrir largas  distancias antes de utilizar algún  elemento activo ( amplificadores láser )
9. Amplio margen de temperatura de trabajo
10. Inmune a la  corrosión.
11. Gracias al uso de la técnica de la reflectometría, podemos localizar  los cortes del cable. En el mar, hay miles de km de fibra. Esto permite solucionar problemas con gran rapidez, en caso de que algún "pez esté enganchado al facebook ".

Veremos ahora dos videos sobre fibra.

1º Cuidados de la fibra óptica

2º El reflectómetro óptico (OTDR )

  Pero todo tiene sus desventajas

1.  Fragilidad de las fibras ( rotura por impactos o curvatura excesiva )
2. Transmisores y receptores muy  costosos.
3. No se pueden usar para alimentar repetidores intermedios, dado que la fibra no es conductora. La energía debe proveerse por conductores separados.
4. Para unir fibras hace falta equipos especiales ( fusionadoras ) y técnicos preparados en estas tareas.
5. En muchos casos tenemos que hacer varios  procesos de conversión eléctrica-óptica.
6. La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.
7. Se puede producir cambios en la atenuación.  porque las moléculas de hidrógeno lleguen a  difundirse en las fibras de silicio.

    Ventanas de transmisión de la fibra óptica: 

Se llaman así a las longitudes  de  onda (λ) de la luz que emplean los  emisores. Se les suele llamar ventanas  y vienen representadas en la figura siguiente Actividad. En la gráfica anterior, explica porqué no se usa la frecuencia 1450 nm.

 Actividad. Porque es mas ventajoso utilizar la 3º ventana en enlaces de gran distancia

Algo que tenemos que conocer dentro de las fibras es la DISPERSIÓN MODAL que es  una característica de tienen la fibras multimodo y que provocan que se limite el  ancho de banda, dado que los distintos modos de luz recorren caminos diferentes dentro de la fibra óptica.  Dejamos una ilustración de este efecto, donde podemos ver cómo, a modo de ejemplo, una luz blanca de entrada ( cuyos componentes principales son el azul, verde y rojo ) tiene tres modos ( uno por cada color ) llegando la luz azul antes que el resto. La luz roja, por la trayectoria que toma, llega mas tarde que el resto. Este problema se soluciona usando fibras con núcleos con  índice de refracción variable

3. Tipos de fibra

Las diferentes caminos que la luz sigue en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Según el modo de propagación, la fibra se clasifica en  multimodo y monomodo.

3.1 Fibra multimodo

En esta fibra, los haces de luz pueden circular por varios caminos. Como cada modo tiene una distancia diferente entre el principio y final de la fibra, los haces  no llegan todos a la vez. Estas fibras son usadas en  aplicaciones de distancias  menores a 2 km, siendo  simples de diseñar y económicas, son  más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de poca precisión.

El núcleo de la fibra se dopa con 4-10% de GeO2 , aumentando su  densidad y con ello su índice de refracción.

Al hablar de dopar, hablamos de meter unas moléculas en otro medio, y por tanto, sobre la fibra base de SIO2 ( toda la fibra ), introducimos GeO2, pero " el material ya estaba ahí, no se añade ningún material nuevo".

 Según el  índice de refracción del núcleo, hay  dos tipos de fibra multimodo:

• Fibra de  Índice escalonado: Donde el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.
• Fibra de Índice gradual. En este caso, el  índice de refracción no es constante dado que el núcleo se constituye de distintos materiales. Tiene menor dispersión modal .

 

Según el sistema ISO 11801, para esta segunda fibra tenemos:

• OM1: Fibra 62.5/125 µm.  Usa led como emisores. Velocidades de  Gigabit Ethernet (1 Gbit/s),
• OM2: Fibra 50/125 µm. Usa led como emisores. Soporta hasta Gigabit Ethernet , igual que OM1
• OM3: Fibra 50/125 µm. usa láser (VCSEL) como emisores. Soporta hasta 10 Gigabit Ethernet

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3.2 Fibra monomodo

En esta fibra, se considera que el desplazamiento de la luz sobre la fibra es paralelo a la misma fibra. Tiene un  diámetro del núcleo de la fibra (8,3 a 10 micrones). Tienen elevadas tasas de información (10 Gbit/s).

 A diferencia de  las  multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar distancias de 400 km  mediante un láser de alta intensidad

 

4. Fusión de fibras y tipos de conectores

 

 Vamos a ver un  video sobre  la utilización de la fusionadora.

 

4.1  tipos de conectores

Vamos a ver de forma simplificada los conectores mas usados en las instalaciones de fibra. 

 1º Standard Connector (SC ). 

 Puede ser el conector más utilizado de todos. Su pérdida de inserción  es de 0.25 dB y pueden  para soportar 1000 ciclos de conexión-desconexión.

 

2º Lucent Connector (LC )

 

 Muy utilizado en aplicaciones de fibra monomodo. Pérdidas típicas de inserción de 0.10dB.   Tiene un tamaño reducido

3º Conector de punta recta o Straight Tip (ST).

 

 La fibra está sujeta por una férula de 2.5 mm, que se adjunta con un sistema de anclaje por bayoneta y tiene 0.25dB de pérdida de inserción. Se suelen emplear  en aplicaciones de larga distancia.

4º FERRULE CONNECTOR (FC)

Tiene también una férula de cerámica de tamaño 2.5 mm con sujeción de rosca. Se suele emplear  en entornos de altas vibraciones.

Aparte de las pérdidas por conector, el haz al incidir en la férula tiene reflexiones no deseadas. El pulido de ésta es determinante para reducir esta reflexión. El color del cable nos va a indicar de que pulido se trata. Completar este apartado en en el enlace Instalación de elementos de radio

4. Instalaciones básicas de fibra óptica

 

Exponemos en este apartado, los recursos de fibra que tenemos en este momento, con la normativa actual. El propósito de este apartado es implementar los conocimientos en una instalación típica de fibra, desde la central al hogar

El esquema general viene de la siguiente manera

PAU. Caja localizada en  el final de la instalación. De esa caja tenemos el acceso a la conexión de fibra. Puede tener una o varias salidas, aunque en general se pone la de una salida.

El cable que se conecta desde el PAU al router se llama pigtail

Los aparatos que vemos en la imagen son los generadores de haz laser y medidores para verificar la instalación

Mostramos algunos ejemplos de cables de fibra con diferentes hilos empleados en la instalación

Registro secundario básico de fibra óptica

 Elemento de paso y derivación de mangueras de fibra óptica, con capacidad de varias fusiones en varias bandejas. Se utiliza en el interior de los edificios para los  proyectos de  FTTH  ( fiber to the home ). Su grandes dimensiones facilitan la labor del instalador a la hora de fusionar, segregar y ubicar las diferentes fibras.

Otro elemento usado en instalaciones es el denominado Torpedo, donde se distribuyen la lineas de fibra para los diferentes destinos. Se suele poner en la calle. Puede tener otra forma diferente a la expuesta aquí.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3º  Para terminar, haremos algunas fusiones gracias a los materiales que traen la  empresa Malagueña Sirus, que muy amablemente colabora en la formación de nuestros alumnos.