Fibra Óptica

Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos, el grosor deuna 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 derefracción 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 bajaspérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a queson inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia.video introducción

Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para incorporarse encables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de altatensión. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicionalde protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos Tienen un gran ancho debanda(cantidad de información o de datos que se puede enviar en un período dado), que puedeser 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 decinco mil canales o líneas principales, mientras que se requiere de10,000 pares de cable de cobre convencional para brindar servicio aese mismo número de usuarios, con la desventaja que este últimomedio ocupa un gran espacio en los ductos y requiere de grandesvolúmenes 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 repetidorescada dos kilómetros para regenerar la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalartramos de hasta 70 km sin que exista la necesidad de recurrir a repetidores lo que también hacemás económico y de fácil el mantenimiento de este material. (Laminas 2 y 3)

Aplicaciones de la Fibra Óptica

Las redes de fibra óptica se instalan para la transmisión de voz, datos y vídeo en distintos entornos

Como subsistema de distribución en donde la distanciaentre repartidores es grande

Para enlazar edificios entre ellos, manteniendo unaislamiento eléctrico

Instalación de tendidos de comunicaciones de largadistancia

Para instalaciones con grandes interferenciaselectrmagneticas

Sistemas de vídio vigilancia, CCTV y entornos deseguridad

Para comunicaciones de datos con altas tasas detransmisión de bits por segundo

1. Estructura de la Fibra Primeras fibras pticas.wmv

La fibra óptica es una hebra muy fina, de un vidrio muy especial, que puede ser de solamente 125micras de diámetro. Esta hebra de vidrio tiene aproximadamente el mismo grosor que un cabellohumano.

Se ha demostrado que las ondas electromagnéticas que conforman la luz tienden a viajar a travésde una región que posea un índice de refracción alto. Por tanto, hacemos el centro de la hebra devidrio él núcleo (cristal de silicio) de esa clase de materiales. Algunas fibras de vidrio tienen undiámetro de núcleo de únicamente 50 micras, y tiene un índice de refracción de tipo gradual. Laimportancia de contar con un núcleo de este tipo es conseguir un núcleo que posea un ancho debanda algo mayor que el que tendría otro cuyo índice de refracción fuera idéntico en todas partes.

Ahora que ya tenemos el núcleo y con el fin de retener la luz dentro de él, necesitamos recubrirlocon alguna clase de material, de un índice de refracción diferente. Si no lo hacemos, no seobtendrían las reflexiones necesarias en la unión de ambos materiales. De este modo, se haformado otro revestimiento en el núcleo que se denomina cubierta (silicona) y que tiene un índicede refracción menor que el del propio núcleo.

Finalmente, para hacerlo más robusto y prevenir daños a la cubierta, se suele formar una"protección" o "envoltura" (poliuretano) sobre la cubierta que generalmente es de algún tipo dematerial plástico.

Hemos de tener en consideración la transmisión digital de impulsos de luz a velocidades muy altas,a través de esta fibra, y nos gustaría conocer de qué manera, por su conducto y simultáneamente,pueden enviarse a través de ella múltiples conversaciones, imágenes, etc.

El espectro de la frecuencia electromagnética total se extiende de las frecuencias subsónicas a losrayos cósmicos; El espectro de frecuencia de luz se puede dividir en tres zonas generales:

Infrarroja (700nm a los 10µm) Visible (entre los 400 a 700 nm) Ultravioleta (200 a los 400nm)

Cmo funciona la fibra ptica.wmv

2. Reflexión y refracción

Reflexión: Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulode reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidenciase encuentran en un mismo plano. Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuarcomo un espejo y producir una imagen reflejada.

En la figura 2, la fuente de luz es el objeto A; un punto de A emite rayos en todas las direcciones.Los dos rayos que inciden sobre el espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE.Para un observador situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que estádetrás del espejo. De las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con lasuperficie del espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la imagen del objetoparece situada detrás del espejo y separada de él por la misma distancia que hay entre éste y elobjeto que está delante.

Indice de refracción :

Se llama índice de refracción absoluto “n” de un medio transparente al cociente entre la velocidadde la luz en el vacio “c”, y la velocidad que tiene la luz en ese medio, “v”.El valor de “n” es siempreadimensional y mayor que la unidad, es una constante característica de cada medio: n= c/v.

Una parte del rayo incidente se refleja y la otra se refracta.Cuando un rayo se refleja sin penetrar en el otro medio, partede él es absorbido por la interacción con los átomos.

Refraccion

Es el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz cuando pasa de un medio transparentea otro también transparente. Este cambio de dirección está originado por la distinta velocidad de laluz en cada medio.

Material airevapor de

aguaaguadulce

agua demar

aluminio

Velocidad del sonido (m/s) 331 401 1493 1513 5104

Ley de Snell

Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van Roijen Snell,afirma que el rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de losmedios en el punto de incidencia están en un mismo plano. En general, el índice de refracción deuna sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, lavelocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide deforma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal,mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose

Substancias Aire Agua Plexiglás Diamante

Índices de refracción 1.00029 1.333 1.51 2.417

de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y refractados en esamisma dirección.

En la figura 4 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios consuperficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio.Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en direcciónparalela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado

3. Transmisión a través de la Fibra (ejemplo de los convertidores de medios)

En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformarlas ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera elcomponente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por lasminúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se ledenomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa enenergía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se componeen este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibraóptica (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 comomedio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED'S (diodosemisores de luz) y lasers.

Los diodos emisores de luz y los diodos lasers son fuentes adecuadas para la transmisiónmediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de unacorriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajovoltaje necesario para manejarlos son características atractivas. (Video sobre teoría de la fibra)

En este ejemplo se puede observar un enlacetípico entre un switch y un servidor, utilizandocomo medio hasta 2km de fibra multimodo y120km de fibra óptica mono modo, las cuales sonrepresentadas por la línea roja. (Lamina 4)

4. Tipos de Fibra Óptica

a) Fibras multimodo de índice escalonado.

Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuaciónde 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llegahasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniformecuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde elnúcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre deíndice escalonado.

Si se considera un rayo luminoso que se propaga siguiendo el eje de la fibra y un rayo luminosoque debe avanzar por sucesivas reflexiones, ni que decir tiene que a la llegada, esta segundaseñal acusará un retardo, que será tanto más apreciable cuanto más larga sea la fibra óptica. Estadispersión es la principal limitación de las fibras multimodo de índice escalonado. Su utilización amenudo se limita a la transmisión de información a cortas distancias, algunas decenas de metros yflujos poco elevados. Su principal ventaja reside en el precio más económico.

b) Fibras multimodo de índice de gradiente gradual.

Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleono es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos seencuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en el dibujo. Estas fibraspermiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de lafibra.

La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 m (diámetro delnúcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras:

- multimodo de índice escalonado 100/140 m.

-multimodo de índice de gradiente gradual 50/125 m

- multimodo de índice de gradiente gradual 85/125 m.

c) Fibras mono modo

Potencialmente, este último tipo de fibra ofrece la mayor capacidad de transporte de información.Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con estafibra, pero también es la más compleja de implantar. El dibujo muestra que sólo pueden sertransmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se haganado el nombre de "mono modo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Sonfibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda delas señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 nm. Si el núcleo está constituido de unmaterial cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibrasmono modo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen laprincipal ventaja de las fibras mono modo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejodelicado y entrañan dificultades de conexión que aún se dominan mal. (Lamina 6)

Existe una normativa que establece un color determinado para el cable según el tipo de fibra:

Naranja Fibra Multimodo Amarillo Fibra Monomodo

5. Ventajas de la Fibra Óptica:

1.- Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del orden del GHz).

2.- Pequeño tamaño, por tanto ocupa poco espacio.

3.- Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita la instalaciónenormemente.

4.- Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilómetro, lo que resulta unas nueveveces menos que el de un cable convencional.

5.- Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica una calidad detransmisión muy buena, ya que la señal es inmune a las tormentas, chisporroteo...

6.- Gran seguridad: la intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable por el debilitamiento dela energía luminosa en recepción, además, no radia nada, lo que es particularmente interesantepara aplicaciones que requieren alto nivel de confidencialidad.

7.- No produce interferencias.

8.- Insensibilidad a los parásitos, lo que es una propiedad principalmente utilizada en los mediosindustriales fuertemente perturbados (por ejemplo, en los túneles del metro). Esta propiedadtambién permite la coexistencia por los mismos conductos de cables ópticos no metálicos con loscables de energía eléctrica.

9.- Atenuación muy pequeña independiente de la frecuencia, lo que permite salvar distanciasimportantes sin elementos activos intermedios.

10.- Gran resistencia mecánica (resistencia a la tracción, lo que facilita la instalación).

11.- Resistencia al calor, frío, corrosión.

12.- Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en la telemetría, lo que permitedetectar rápidamente el lugar y posterior reparación de la avería, simplificando la labor demantenimiento.

Código de colores

En este caso la fibra óptica de color azul corresponde a la posición 1 de código,por otra parte la celeste corresponde a la posición 12, esto en un buffer de colorazul el cual mantendrá en su interior las 12 primeras fibras, por lo que la fibraque se encuentra en la posición 13 sera la de color azul pero del bufferanaranjado, la posición 25 le corresponde a la fibra azul de buffer verde y laposición 36 le corresponde a la fibra celeste del buffer verde.

6. Técnicas de empalme

Existen fundamentalmente 2 técnicas diferentes de empalme que se emplean para unirpermanentemente entre sí fibras ópticas.

La primera es el empalme por fusión que actualmente se utiliza en gran escala, y la segunda elempalme 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, esimportante que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan exactamente. Consta de unelemento 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 termo retráctiles manguitos plásticos.