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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.
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Teoría de propagación
Tipos de fibras ópticas
Propiedades de la fibra óptica
Empalmes y conexión de fibras ópticas
Propiedades de transmisión de la fibra óptica
Propiedades físicas de la fibra óptica
Pruebas mecánicas sobre un cable óptico
Conversión eléctrica – óptica
Emisores y receptores ópticos
Cálculo de enlace fibra óptica
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.
La condición más importante para que la fibra óptica pueda confinar la luz en el núcleo
y guiarla es:
n1>n2
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
Relación que puede escribirse
donde:
c = es la velocidad de la luz (3.000.000.000 m/s) en el aire
v = es la velocidad de la luz en un material especifico.
n = 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,
De donde
n2sen θ2 = n1sen θ1
n1= índice de refracción del material 1 (adimensional)
n2= índice de refracción del material 2 (adimensional)
θ1= es el ángulo de incidencia (grados)
θ2 = es el ángulo de refracción (grados)
v1 = velocidad en el material 1
v2 = velocidad en el material 2
La representación de la ley de Snell se muestra en la figura que se encuentra a
continuación.
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.
Por Snell
n2sen θ2 = n1sen θ1
Si θ2 = 90º
θ1 = θC= ángulo crítico
Entonces para θ1 > θC => reflexión total
Índices de refracción de varios materiales se indican en la siguiente tabla.
MEDIO
INDICE DE
REFRACCION
Vacío
Aire
Agua
Alcohol etílico
Cuarzo fundido
Fibra de vidrio
Diamante
Silicio
Galio Arsenuro
1.0
1.0003
1.33
1.36
1.46
1.5-1.9
2.0-2.42
3.4
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
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 cubierta 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 cortas, 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 aplicaciones 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
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 operaciones de
tendido del cable, y a los anclajes apropiados que hay en cajas de empalmes o paneles
de conexión.
La cubierta o protección exterior de l cable se puede hacer , entre otros materiales, de
polietileno, de armadura o coraza de acero, goma o hilo de aramida, y para aplicaciones
tanto exteriores como interiores. Con objeto d e localizar los fallos con e l OTDR d e un
a manera más fácil y precisa, la cubierta está secuencialmente numerada cada metro (o
cada pie) por el fabricante.
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 directamente
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 de 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
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 conectada
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 estructura 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 excelente al aplastamiento y propiedades de
protección frente a roedores. Se usa frecuentemente en aplicaciones de enterramiento
directo o para instalaciones en entornos de industrias pesadas. El cable se encuentra
disponible generalmente en estructura holgada aunque también hay cables de estructura
ajustada.
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 especiales. 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 completamente 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).
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.
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:
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
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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.
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.
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.
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
LASER
1 – 10% (multimodo)
50-100μm
50% (multimodo)
50 μm
< 1% (monomodo)
9 μm (diámetro núcleo)
10% (monomodo)
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 frecuentemente 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).
A = 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
E 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:
at = LaL + neae + ncac + arL
L = longitud del cable en Km.
aL = coeficiente de atenuación en dB/Km
ne = número de empalmes
ae = atenuación por empalme
nc = número de conectores
ac = atenuación por conector
ar = 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
Pu = 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 L = 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
L = 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 B para
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 800 MHz*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 ΔT = M(λ) Δλ L
ΔT = 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:
L = 25 Km
λ = 1330 nm
Δλ = 5 nm
M(λ) = 3.5 ps/nm*Km
Resulta ΔT = 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.