Un Vistazo Rápido a la Tecnología de Fibra Óptica

Posted on 10 de diciembre de 2014

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Un Vistazo Rápido a la Tecnología de Fibra Óptica

Con información de Gycom.

Un Vistazo Rápido a la Tecnología de Fibra Óptica

Un Vistazo Rápido a la Tecnología de Fibra Óptica

El uso de fibra óptica en telecomunicaciones y dedes de area amplia se ha convertido en algo común en los últimos años, más frecuentemente las fibras ópticas han incrementado en forma constante su prevalencia en la los sistemas de comunicación de datos industriales. La capacidad de manejo de grandes cantidades de datos, el evitar el ruido asociado y el aislamiento eléctrico son solo pocas de las características que hacen que la tecnología de la fibra óptica sea ideal para usarse en los sistemas industriales y comerciales.
La mayoría son utilizadas para conexiones punto a punto, los enlaces de fibra ótpcia se han usado para extender la distancia y evitar las limitaciones de los sistemas RS-232, RS-422/485 y Ethernet al mismo tiempo que aseguran grandes tasas de transmisión de datos minimizando la interferencia eléctrica. Las señales eléctricas convencionales para transmisión de datos son convertidas en un rayo de luz modulada que se introduce dentro de la fibra y se transporta por ese medio que tiene un diámetro muy pequeño que puede ser de vidrio o de plástico, llevando la señal hasta el receptor que la transforma nuevamente en una señal eléctrica. La capacidad de las fibras de llevar una señal luminosa con pérdidas muy pequeñas, está soportada en conocimientos fundamentales de física que asocian la reflexión y refracción de la luz.

Principios de las Fibras Ópticas
Siempre que un rayo de de luz pasa de un medio transparente a otro medio, la luz es afectada por la frontera de los dos materiales. Esto ocurre debido a la diferencia en la velocidad a la que la luz puede viajar a través de diferentes materiales. Cada material puede ser descrito en términos de su índice de refracción que es el resultado de la velocidad de la luz en el material comparada con la velocidad de la luz en el vacío. Esta relación entre los dos índices de refracción determina el ángulo crítico de incidencia (entrada) entre los dos materiales.
Existen tres acciones que pueden suceder cuando un rayo de luz cambia de medio. Cada acción depende del ángulo de incidencia del rayo de luz cuando incide en el medio. Si el ángulo de incidencia es menor que el ángulo critic, el rayo de luz se refractará, rebotando dentro del material que tiene un mayor índice de refracción. Si el ángulo de incidencia es exactamente igual al ángulo critico de incidencia, entonces viajará a lo largo de la unión de la superficie de unión de los dos medios. Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo critico de incidencia, el rayo será reflejado
El índice de refracción en el vacío se considera 1. Usualmente, consideramos que el índice de refracción en el aire también es 1 (aunque en realidad es ligeramente mayor). El índice de refracción del agua típicamente es de 1.33. El vidrio tiene un índice de refracción que está dentro del rango de 1.5, un valor que puede ser manipulado al controlar la composición interna del vidrio.

Características de las Fibras Ópticas
Las fibras ópticas permiten que las señales luminosas se propaguen a través de ellas al asegurarse que las señales entren en un ángulo mayor que el ángulo crítico de aceptación de la frontera de dos tipos de vidrio. Como se muestra en la figura 1, una fibra óptica está fabricada tiene hasta tres partes. El núcleo central está compuesto de vidrio de alta pureza con un índice de refracción de 1.5. Las dimensiones del núcleo usualmente están en el rango entre 50 y 125 um. El vidrio que lo rodea, se denomina recubrimiento y es ligeramente vidrio menos puro con un índice de refracción de 1.45. el diámetro conjunto del núcleo y el recubrimiento está en el rango de 125 a 440 um. Existe una capa protectora que cubre al recubrimiento de un silicón flexible llamada cubierta o protección de acrilato.

Cuando la luz es introducida en el extreme de una fibra óptica, cualquier rayo de luz que incide en el extreme de la fibra en un ángulo mayor que el ángulo crítico, se propagará a través de la fibra. Cada vez que incide en la frontera entre el núcleo y el recubrimiento es reflejada nuevamente dentro de la fibra. El ángulo de aceptación para la fibra está determinada por el ángulo critico de la frontera. Si este ángulo se rotara, se forma un cono de aceptación. Cualquier luz que caiga dentro de este cono de aceptación, viajará a través de toda la fibra. Una vez que la luz está dentro de la fibra “rebota” dentro del núcleo, reflejándose cada vez en la frontera.
La Figura 1 ilustra como viaja la luz a través de la fibra, reflejándose en la frontera. Si las dimensiones físicas del núcleo son relativamente grandes, los rayos individuales que entran en ángulos ligeramente diferentes y se reflejarán en diferentes ángulos. Como ellos viajan en diferentes rutas, la distancia que recorren en el viaje también varía. Como resultado de esto, llegan al receptor en distintos tiempos. Un pulso de una señal enviado a través de la fibra llegará al otro extremo con una forma más ancha de la que fue enviado, deteriorando la calidad de la señal. Esto se denomina dispersión modal. Otro efecto que provoca degradación de la señal es la dispersión cromática. La dispersión cromática es provocada por los rayos de luz de diferentes longitudes de onda que viajan a distintas velocidades a través de la fibra. Cuando una serie de pulsos es enviados a través de la fibra, la dispersión modal y la dispersión cromática pueden causar eventualmente que el pulso salga en un pulso tan grande que los datos en señal se pierdan.
Otra característica de la fibra óptica es la atenuación. Aunque el vidrio utilizado en el núcleo de la fibra es extremadamente puro, no es perfecto. Como resultado la luz puede ser absorbida dentro del cable. Otras pérdidas de señal pueden ser inducidas por los dobleces y la dispersión así como las pérdidas inducidas por las conexiones. Las pérdidas por conexiones pueden ser causadas por mala alineación de los extremos de la fibra o por superficies que no han sido pulidas correctamente.

Tipos de Fibra
Las fibras ópticas son fabricadas en tres principales tipos: multimodo de índice escalonado, Multimodo de índice graduado y Monomodo. La fibra Multimodo de índice graduado tiene un núcleo con un diámetro grande (en forma típica de 50 a 100 um). La gran distancia entre las fronteras entre el núcleo y el recubrimiento permite que los rayos de luz viajen la mayor parte de la distancia rebotando dentro del cable. Estas fibras ópticas multimodo típicamente transportan señales con longitudes de onda de 850 nm o 1300 nm. El diagrama a continuación muestra como un pulso angosto que se introduce en una fibra se vuelve más ancho en el extremo en donde está el receptor.
Las fibras multimodo de índice escalonado (a) son fáciles de empalmar y terminar con conectores debido al tamaño grande del diámetro de la fibra. También es relativamente barato la fabricación de esta fibra en comparación con los otros tipos. Sin embargo tiende a ser muy lenta para muchos propósitos y aplicaciones y no es muy común en los sistemas modernos.

Las fibras multimodo de índice graduado (b) son fabricadas de tal manera que el índice de refracción entre el núcleo y el recubrimiento cambia en forma gradual. Esto provoca que la mayoría de los rayos de luz reboten gradualmente. El patrón resultante de reflexiones tiende a ser uniforme y la dispersión se reduce. Esto proporciona un desempeño mejorado con un incremento moderado en el costo. Las fibras con índice graduado proporcionan una mayor ancho de bando que las fibras de índice escalonado.
Las fibras monomodo (c) tienen el mejor desempeño de los tres tipos. Son fabricadas con un diámetro muy reducido (típicamente 8 um), cuando la luz ingresa en la fibra, las reflexiones son mantenidas al mínimo debido a las dimensiones del diámetro del núcleo. La luz viaja virtualmente en línea recta a través del núcleo y los pulsos introducidos en un extremo son recibidos en el otro extremo con una dispersión muy pequeña. Típicamente las fibras monomodo transportan señales en longitudes de onda de 1310 nm o 1550 nm. La fibra monomodo es relativamente costosa, además de ser más difícil el empalme y la terminación con conectores debido a que el núcleo debe ser alineado con mucha precisión.
Las fibras monomodo tienen mucho menor atenuación que las fibras multimodo. Una señal transmitida en fibra monomodo tendrá una atenuación a 1310 nm menor de 0.5 dB por kilómetro. Una señal viajando en una fibra típica multimodo de índice graduado tendrá una atenuación 3 dB por kilometro. Las fibras monomodo son más usadas en aplicaciones que requieran gran ancho de banda a grandes distancias. Algunos equipos Ethernet de fibra óptica pueden incrementar la distancia de dos kilómetros utilizando fibra multimodo hasta unos 70 kilómetros si utilizan fibra óptica monomodo.

Fabricación de Cables de Fibra Óptica
Aunque parezca que la fibra óptica es flexible, está hecha de vidrio, que no puede soportar dobleces pronunciados o esfuerzos longitudinales. Por lo tanto la fibra es colocada dentro de cables con una técnica de construcción que permite que la fibra permanezca libre dentro de un tubo. Usualmente los cables de fibra óptica tienen muchas fibras, un elemento central de refuerzo y una o más capas metálicas para protección mecánica. Algunos cables incluso tienen pares de cobre para aplicaciones auxiliares.
Fuentes de Señal y Detectores
Para usar los cables de fibra óptica para comunicaciones, las señales electrics deben de ser convertidas a luz, transmitidas, recividas y convertidas nuevamente de luz a señales eléctricas. Esto requiere fuentes ópticas y detectors que puedan operar a las tasas de datos de los sistemas de comunicación.

Ventajas de los Cables de Fibra Óptica

Inmunidad al Ruido
La inmunidad al ruido es una de las características más ponderosas de las fibras ópticas en las aplicaciones industriales. En ambientes en donde la interferencia electromagnética es predominante e inevitable, las fibras ópticas no son afectadas. Mientras que los cables normalmente son confinados en cubiertas de protección usualmente en tuberías conduit, no hay necesidad física de aislar los cables de fibra óptica de los cables eléctricos. Esto permite instalar más fácilmente los cables.

Aislamiento Eléctrico

El problema del lazo provocado por la inducción en la tierra física y los diferenciales de potencial son eliminados con el uso de los cables de fibra óptica. Las señales de campo generados por los dispositivos que emiten altos potenciales pueden ser acoplados a otros equipos con mucho menos potencial y sin el riesgo de daño. Es particularmente deseable en las aplicaciones industriales.

Tasas de Error Bajas

Cuando están diseñados adecuadamente para proporcionar niveles correctos de señal en el extremo de recepción del enlace, un sistema de fibra óptica proporciona una tasa de error de bits muy baja.

Uso Seguro en Áreas Peligrosas

Los enlaces de fibra óptica pueden ser usados para acoplar y transportar señales en áreas con atmósfera potencialmente explosiva sin el riesgo de provocar o almacenar energía suficiente par iniciar una explosión. Esto hace que la tecnología de fibra óptica sea particularmente útil cuando se diseñan sistemas intrínsecamente seguros.

Ancho de Banda

Los cables de fibra óptica pueden transporter señales con un ancho de banda muy amplio, en el rango de los Ghz. Muchas señales individuales con un ancho de banda pequeño pueden ser multiplexadas y transportadas en la misma fibra. En los sistemas comerciales los cables de fibra óptica usualmente transportan una mezcla de varios tipos de señal, incluyendo voz, video, datos y otras en la misma fibra.

Baja Atenuación de la Señal

Las fibras ópticas muestran alguna atenuación debido a la absorción y la dispersión. Sin embargo, esta atenuación es relativamente independiente de la frecuencia, que si es un factor a considerar en los cables de cobre.

Peso Ligero, Diámetro Pequeño

Debido a que se pueden multiplexar muchas señales en una fibra, los cables tienden a ser más pequeños y ligeros. Esto hace que la instalación sea más fácil.

No Diafonía

Debido a que las fibras no absorben interferencia electromagnética las señales en los cables cercanos no se acoplan en entre ellas.

Seguridad de las Señales Inherente

Para aplicaciones en donde la señal es un factor importante, las fibras ópticas son una solución excelente. Los cables de fibra óptica no generan campos electromagnéticos que puedan ser tomados por sensores externos. También es más difícil “robar” señales empalmando fibras como se hace en los cables de cobre convencionales.

Beneficios de los Enlaces de Fibra Óptica:
• Gran ancho de banda
• Baja atenuación de la señal
• Seguridad de la señal inherente
• Baja tasa de errores
• Inmunidad contra el ruido
• Peso ligero
• Diámetro pequeño
• Aislamiento eléctrico
• Seguro en áreas peligrosas
• No hay interferencia entre conductores

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