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Introducción
a la fibra óptica
Historia:
La Historia de la comunicación por la fibra óptica es relativamente
corta. En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años
después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este
material.
Antes, en 1959, como derivación de
los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva
utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue
aplicado a las telecomunicaciones con el fin que los mensajes se
transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura.
Sin embargo esta utilización del láser
era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales
adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por
la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser.
Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica
dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido
hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una
guía óptica para la comunicación.
Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede
explicar de la siguiente manera: Se trata en realidad de una onda
electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la
única diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros
en lugar de metros o centímetros.
Como portadora de información...
En poco más de 10 años la fibra óptica
se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se
utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso
material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en
todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión
y disminuir casi en su
totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas
de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica.
Las fibras ópticas son filamentos de
vidrio de alta pureza extremadamente compactos: El grosor de una fibra
es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con
base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de
computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo,
que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las
desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar
que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia
capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que
son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia.
Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son
ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y
pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la
capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito
adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos
circuitos. Tienen un gran ancho de banda, que puede ser utilizado para
incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo
por canal; De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación
con los cables de cobre. Con un cable de seis fibras se puede
transportar la señal de más de cinco mil canales o líneas
principales, mientras que se requiere de 10,000 pares de cable de cobre
convencional para brindar servicio a ese mismo número de usuarios, con
la desventaja que este último medio ocupa un gran espacio en los ductos
y requiere de grandes volúmenes de material, lo que también eleva los
costos.
Comparado con el sistema convencional
de cables de cobre donde la atenuación de sus señales (decremento o
reducción de la onda o frecuencia) es de tal magnitud que requieren de
repetidores cada dos kilómetros para regenerar la transmisión, en el
sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin
que halla necesidad de recurrir a repetidores lo que también hace más
económico y de fácil mantenimiento este material.
Originalmente, la fibra óptica fue
propuesta como medio de transmisión debido a su enorme ancho de banda;
sin embargo, con el tiempo se ha planteado para un amplio rango de
aplicaciones además de la telefonía, automatización industrial,
computación, sistemas de televisión por cable y transmisión de
información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros.
Concepto de transmisión...
En un sistema de transmisión por
fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las
ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se
le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es
transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro
extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le
denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en
transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a
la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en
este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector
óptico, línea de fibra óptica (primer tramo), empalme, línea de
fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador
y señal de salida.
En resumen, se puede decir que este
proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de
transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de
LED'S (diodos emisores de luz) y láser.
Los diodos emisores de luz y los
diodos láser son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra
óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por
medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su
luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para
manejarlos son características atractivas.
Definición...
Un filamento de vidrio sumamente
delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de
conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las
fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de
miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de
vidrios y plásticos para su construcción.
Una fibra es un conductor óptico de
forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading)
que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la
cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para
proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica.
Además, y a diferencia de los pulsos
electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por
interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.
Cuando las compañías telefónicas
reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e
instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de
modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para
el consumidor, incluyendo la TV de alta definición.
Cada una de las fibras ópticas,
puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz
digitalizada.
Conceptos Básicos...
Los censores de fibra óptica están
formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y
un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el
objeto a detectar. Las características y presentaciones dependen mucho
del fabricante. Así como en las fotocélulas, la evolución tecnológica
no se ha hecho muy patente, en los censores de fibra óptica se ha
notado una evolución en los últimos años muy importante.
Ventajas de la fibra óptica...
Capacidad de transmisión: La idea de
que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio
utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya
que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los
emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos
dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.
-
Mayor capacidad debido al ancho
de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.
-
Inmunidad a transmisiones
cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
-
Inmunidad a interferencia estática
debida a las fuentes de ruido.
-
Resistencia a extremos
ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y
variaciones de temperatura.
-
La seguridad en cuanto a
instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos
no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos
y gases volátiles.
Un excelente medio para sus
comunicaciones...
En el último kilómetro es donde se
presenta con mayor frecuencia problemas y daños en las comunicaciones
de los clientes, pensando en esto empresas como la ETB crearon el
proyecto de digitalización de la red de abonado en fibra óptica. La
fibra es el soporte ideal por todas las ventajas que brinda, tales como:
-
Supresión de ruidos en las
transmisiones.
-
Red redundante.
-
Conexión directa desde centrales
hasta su empresa.
-
Alta confiabilidad y privacidad
en sus comunicaciones telefónicas.
-
Posibilidad de daño casi nula.
-
Tiempos de respuesta mínimos en
la reparación de daños.
-
Mayor número y rapidez en la
solicitud y entrega de nuevos servicios.
-
Gran ancho de banda
También la fibra óptica es una
plataforma para la prestación de otros servicios, como:
-
Transmisión de datos de Alta
Velocidad
-
Enlaces E1 (2Mb/s) para conexión
de PABX
-
La posibilidad en el futuro de
conexión de nuevos servicios como multimedia o sistemas de televisión
por cable.
Introducción a Costos...
TOKIO, JAPÓN, 21 de enero de 1997
(NOTA) -- Fujitsu Ltd. ha ganado el contrato para proveer la sección de
Asia-Pacífico del cable de fibra óptica submarina más larga del
mundo. Un contrato de US$ 84 millones para que la compañía instale una
extensión de 4.500 kilómetros del cable de Sea-Me-We 3 entre Singapur,
Indonesia, y Australia.
Era parte de una serie de contratos
firmados en Singapur recientemente para la instalación del sistema de
cable por un consorcio de compañías internacionales de
telecomunicaciones. El contrato de Fujitsu fue concedido por un
consorcio formado por Singapur telecom, Indosat, y Telstra.
Se estima que el cable estará
terminado antes del 31 de enero de 1999, cuando entrará en servicio.
Como mínimo, tendrá una capacidad de transmisión de 20 Gb/s, que
proveería servicio simultaneo a 240.000 circuitos telefónicos.
Dimensiones Y Peso...
Una de las características más
notoria de la fibra óptica es su tamaño, que en la mayoría de los
casos es de revestimiento 125 micras de diámetro, mientras el núcleo
es aun más delgado. La cantidad de información transmitida es enorme,
si se compara peso contra cantidad de datos transmitidos se puede
observar por ejemplo, una comunicación telefónica que se realiza a
través de cables tipo TAB, los cuales tienen un grosor de 8 cm.
Transmite 2400 llamadas simultáneas; en comparación las fibras ópticas
alcanzan las 30.720 llamadas simultáneas.
Atenuación...
Es el factor que indica con que
frecuencia deben colocarse los repetidores de la señal que se conduce o
propaga por el medio, puede variar debido a un gran numero de factores
tales como la humedad, las curvaturas que sufre el cable, etc... Otro de
estos factores es el tipo de fibra utilizada, ya que el método de
fabricación determina la
atenuación mínima que existe en ella.
Distancia Umbral...
Conforme la señal avanza por el
medio va perdiendo fuerza hasta llegar al punto en que si desea
transmitirse a mayor distancia debe colocarse un repetidor , un
dispositivo que le vuelva a dar potencia para seguir avanzando. Un
repetidor de fibra es aquel que toma una señal de luz, la convierte a
señal eléctrica, la regenera y la coloca en un dispositivo de emisión
de luz para que se siga propagando. Comparadas con el cobre, las fibras
ópticas permiten que las distancias entre repetidores sean más
grandes. Por ejemplo, en un enlace para dispositivos RS-232 la distancia
máxima entre dos nodos es de 15.2 mts. transmitiendo a un a velocidad
de 19200 Bps. , Una línea de fibra óptica puede transmitir a esa
velocidad hasta una distancia de 2.5 Km. esto significa que la distancia
lograda con la fibra es 164 veces mayor que la de su equivalente el
cobre (en ese estándar).
Al igual que en la atenuación, la
distancia máxima que puede alcanzarse esta muy relacionada con el tipo
de fibra. En las versiones sencillas se logran distancias típicas de 2
Km entre el transmisor y en receptor, con fibras y equipos mas
sofisticados las distancias pueden ir hasta los 2.5 Kms sin repetidor.
Aplicaciones de laboratorio han permitido alcanzar distancias de 111 Kms
a 5 Gbps sin la necesidad de los repetidores.
Cables Ópticos...
Para poder utilizar fibras ópticas
en forma practica, estas deben ser protegidas contra esfuerzos mecánicos,
humedad y otros factores que afecten su desempeño. Para ello se les
proporciona una estructura protectora, formando así, lo que conocemos
como cable óptico. Dicha estructura de cables ópticos variará
dependiendo de sí el cable será instalado en ductos subterráneos,
enterrando directamente, suspendido en postes, sumergido en agua etc.
El propósito básico de la
construcción del cable de fibra óptica es el mismo; Mantener estables
la transmisión y las propiedades de rigidez mecánica durante el
proceso de manufactura, instalación y operación. Las propiedades
esenciales en el diseño del cable son la flexibilidad, identificación
de fibras, peso, torsión, vibración, límite de tensión, facilidad de
pelado, facilidad de cortado, facilidad de alineación del cable y la
fibra, resistencia al fuego, atenuación estable, etc. Los parámetros
para formar un cable especial son:
-
Esfuerzo máximo permitido en la
fibra durante su fabricación, instalación y servicio; determina la
fuerza mínima de ruptura de la fibra y la fuerza requerida para el
miembro de tensión.
-
Fuerza lateral dinámica y estática
máxima ejercida sobre la fibra, para determinar la configuración
del cable y el límite de tolerancia de micro curvaturas.
-
Flexibilidad
-
Rango de temperatura y medio
ambiente en donde el cable va a operar, paralela elección del tipo
de materiales a utilizar tomando en cuenta su coeficiente de expansión
térmica y su cambio de dimensiones en presencia de agua.
Para cumplir estos requerimientos se
observan las siguientes recomendaciones:
-
Evitar cargas o esfuerzos mecánicos
sobre las fibras.
-
Aislar la fibra de los demás
componentes del cable.
-
Mantener las fibras cerca del eje
central y proporcionar espacio a las fibras para su mantenimiento.
-
Escoger los materiales de los
elementos del cable con mínimas diferencias en sus coeficientes de
expansión térmica.
Parámetros de una fibra óptica...
Existen varios parámetros que
caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros
estructurales y de transmisión que establecen las condiciones en las
que se puede realizar la transmisión de información.
Entre los parámetros estructurales
se encuentra:
En cuanto a los parámetros de
transmisión se tiene:
El uso de medios transparentes para
la propagación de ondas electromagnéticas en forma de luz hace que la
fibra óptica no necesite voltajes ni de corrientes, esto lo convierte
en un medio de comunicación 100% inmune a todo tipo de interferencias
electromagnéticas a su alrededor y, por lo tanto, es un medio de
comunicación altamente confiable y seguro.
Este es uno de los principales
factores que motivaron su uso militar ya que para poder obtener
información de ella hay que provocarle un daño, daño que podría
detectarse fácilmente con equipo especializado. Esto no sucede con el
cobre, donde basta con dejar el conductor al descubierto.
El hecho de no necesitar corrientes
ni voltaje hace que la fibra óptica sea idónea para aplicaciones en
donde se requiere de una probabilidad nula de provocar chispas, como el
caso de pozos petroleros y las industrias químicas, en donde existe la
necesidad de transportar la información a través de medios explosivos.
Micro curvatura...
Fuerzas laterales localizadas a lo
largo de la fibra dan origen a lo que se conoce como
micro curvaturas. El fenómeno puede ser provocado por esfuerzos durante
la manufactura e instalación y también por variaciones dimensionales
de los materiales del cable debidos a cambios de temperatura. La
sensibilidad a las micro curvaturas es función de la diferencia del índice
de refracción, así como también de los diámetros del núcleo y del
revestimiento. Es evidente que las micro curvaturas incrementan las
perdidas ópticas.
Curvado...
El curvado de una fibra óptica es
causado en la manufactura del cable, así como también por dobleces
durante la instalación y variación en los materiales del cable debidos
a cambio de temperatura. Los esfuerzos que provoca la torcedura de las
fibras son básicamente una fuerza transversal y un esfuerzo
longitudinal. El esfuerzo longitudinal no provoca torcedura cuando
trabaja para alargar la fibra, no hay cambio en las perdidas ópticas.
Sin embargo, cuando trabaja para contraer a la fibra, este esfuerzo
provoca que la fibra forme bucles y se curve, de tal manera que la
perdida óptica se incrementa. Por lo tanto, al evaluar los diseños de
los cables se debe poner especial atención en:
-
La carga transversal trabajando
en la fibra durante el cableado, instalación y utilización.
-
El esfuerzo de contracción que
ocurre a bajas temperaturas debido al encogimiento de los elementos
del cable.
Dadas las razones anteriores, el eje
de la fibra puede curvarse severamente causando grandes incrementos en
las perdidas ópticas. Para prevenir esta situación se toma en cuenta
las siguientes consideraciones:
-
Mantener un radio de curvatura
determinada, seleccionando el radio y la longitud del cableado.
-
Reducir variaciones técnicas de
las fibras protegidas con pequeños coeficientes de expansión térmica
disponiéndolas alrededor de un elemento con buenas propiedades térmicas.
Fibra óptica...
Descripción Física:
Es un medio fino (entre 2 y125µm),
transporta rayos de luz. El material con el que esta construido puede
ser de plástico, vidrio o silicio. Existen dos tipos: monomodo y
multimodo.
Tecnología:
El espectro de la frecuencia
electromagnética total se extiende de las frecuencias subsónicas a los
rayos cósmicos;
El espectro de frecuencia de luz se puede dividir en tres zonas
generales:
-
Infrarroja
-
Visible
-
Ultravioleta
Sistemas de comunicación de
fibra óptica...
Los bloques principales de un enlace
de comunicaciones de fibra óptica son:
-
Transmisor
-
Receptor
-
Guía de fibra
El transmisor consiste de una
interfase analógica o digital, un conversor de voltaje a corriente, una
fuente de luz y un adaptador de fuente de luz a fibra.
La guía de fibra es un vidrio ultra
puro o un cable plástico.
El receptor incluye un dispositivo
conector, un foto detector, un conversor de corriente a voltaje un
amplificador de voltaje y una interfase analógica o digital.
En un transmisor de fibra óptica la
fuente de luz se puede modular por una señal análoga o digital.
Acoplando impedancias y limitando la amplitud de la señal o en pulsos
digitales. El conversor de voltaje a corriente sirve como
interface eléctrica entre los circuitos de entrada y la fuente de luz.
La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo de
inyección láser ILD, la cantidad de luz emitida es proporcional a la
corriente de excitación, por lo tanto el conversor voltaje a corriente
convierte el voltaje de la señal de entrada en una corriente que se usa
para dirigir la fuente de luz. La conexión de esa fuente a la fibra es
una interface mecánica cuya función es acoplar la fuente de luz al
cable.
La fibra óptica consiste de un núcleo
de fibra de vidrio o plástico, una cubierta y una capa protectora. El
dispositivo de acoplamiento del receptor también es un acoplador mecánico.
El detector de luz generalmente es un diodo PIN o un APD (fotodiodo de
avalancha). Ambos convierten la energía de luz en corriente. En
consecuencia, se requiere un conversor corriente a voltaje que
transforme los cambios en la corriente del detector a cambios de voltaje
en la señal de salida.
Tipos básicos de fibras ópticas:
Fibra multimodal:
En este tipo de fibra viajan varios rayos ópticos reflejándose a
diferentes ángulos como se muestra en la figura.
Los diferentes rayos ópticos
recorren diferentes distancias y se desfasan al viajar dentro de la
fibra. Por esta razón, la distancia a la que se puede trasmitir esta
limitada.
Fibra multimodal con índice
graduado:
En este tipo de fibra óptica el núcleo esta hecho de varias capas
concéntricas de material óptico con diferentes índices de refracción.
La propagación de los rayos en este coso siguen un patrón similar
mostrado en la figura.
En estas fibras él numero de rayos
ópticos diferentes que viajan es menor y, por lo tanto, sufren menos el
severo problema de las multimodales.
Fibra monomodal:
Esta fibra óptica es la de menor diámetro y solamente permite
viajar al rayo óptico central. No sufre del efecto de las otras dos
pero es mas difícil de construir y manipular. Es también mas costosa
pero permite distancias de transmisión mayores.
La fibra óptica ha venido a
revolucionar la comunicación de datos ya que tiene las siguientes
ventajas:
Para transmitir señales por fibra óptica
se utiliza modulación de amplitud sobre un rayo óptico, la ausencia de
señal indica un cero y la presencia un uno. La transmisión de fibra óptica
es unidireccional. Actualmente se utilizan velocidades de transmisión
de 50, 100 y 200 Mbps, pero experimentalmente se han transmitido hasta
Gbps sobre una distancia de 110 Kms.
Construcción...
Núcleo, cubierta, tubo protector, búferes, miembros de fuerza, y una o
más capas protectoras. Las principales variantes son:
1. Tubo suelto. Cada fibra está
envuelta en un tubo protector.
2. Fibra óptica restringida.
Rodeando al cable hay un búfer primario y uno secundario que
proporcionan a la fibra protección de las influencias mecánicas
externas que ocasionarían rompimiento o atenuación excesiva.
3. Hilos múltiples: Para aumentar la
tensión, hay un miembro central de acero y una envoltura con cinta de
Mylar.
4. Listón: Empleada en los sistemas
telefónicos Tiene varios miembros de fuerza que le dan resistencia mecánica
y dos capas de recubrimiento protector térmico.
En la foto de abajo se observa un
cable de fibra óptica.
Patchcord simple CPS...
Se usa para fabricar latiguillos o
para interconectar equipos de audio, video, datos así como
instrumentación y control.
Descripción y aplicaciones
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Construccion:
- Fibra óptica
- Recubrimiento ajustado
- Refuerzos de aramida
- Cubierta HFLSFR
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Ventajas:
- Multimodo o Monomodo.
- Compacto y ligero.
- Conectorización directa.
- Flexible y resistente.
- Antihumedad.
- Excelente resistencia mecánica.
- Muy fácil de pelar, libre de gel.
- No propagador de la llama, baja emisión
de humos y libre de halógenos (HFLSFR).
- Totalmente dieléctrico
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Opciones:
- PVC-FR Flexible
- Poliuretano FR
Datos técnicos:
| Diámetro (mm) |
3.0 |
| Peso (Kg / Km) |
10 |
| Tensión máxima en instalación
(Kg) |
50 |
| Tensión máxima permanente (Kg) |
30 |
| Radio de Curvatura (cm2) |
3 |
En Conclusión...
La fibra óptica ofrece la transmisión de datos a
alta velocidad, en tiempo real o no, entre un número de ruteadores y
estaciones separadas en distancias considerables. La fibra óptica sirve
también como red de conexión entre las estaciones que estén
funcionando previamente.
La fibra óptica se ha sabido adaptar a las
características de entornos en los que resulta muy deseable disponer de
ella, pero su elevado costo inicial pareciera prohibir este medio eficaz
de comunicación. Esto hace de la fibra óptica una alternativa muy
interesante sin embargo la irrupción de las telecomunicaciones han echo
que a la fibra óptica se la considere " la hermana pequeña"
de las redes de la comunicación.
Sin embargo la fibra óptica es también un arma
muy eficaz y peligrosa si es utilizada para fines bélicos. Pero aún así
la fibra óptica representa una nueva corriente tecnológica muy eficaz
para el desarrollo de las comunicaciones . . .
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