Fibra Optica

FIBRA OPTICA Que es la fibra óptica La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. Se requieren dos filamentos para una comunicación bi-direccional: TX y RX. El grosor del filamento es comparable al grosor de un cabello humano, es decir, aproximadamente de 0,1 mm. La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. La fuente de luz puede ser láser o un LED. Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión.

Comunicaciones con fibra óptica En esencia, un sistema óptico de comunicaciones es un sistema electrónico de comunicaciones que usa la luz como portador de información. Sin embargo, es difícil e impráctico propagar ondas luminosas por la atmósfera terrestre. En consecuencia, los sistemas de comunicaciones con fibra óptica usan fibras de vidrio o de plástico para “contener” las ondas luminosas y guiarlas en una forma similar a como las ondas electromagnéticas son guiadas en una guía de ondas. La optoelectrónica es la rama de la electrónica que estudia la transmisión de la luz a través de fibras ultrapuras, que se suelen fabricar con vidrio o con plástico.

Tipos de fibra óptica En esencia hay tres variedades de fibra óptica que se usan en la actualidad. Las tres se fabrican con vidrio, plástico o una combinación de vidrio y plástico. Esas variedades son:  Núcleo y forro de plástico. Las fibras de plástico tienen varias ventajas sobre las de vidrio. La primera es que las de plástico son más flexibles y, en consecuencia, más robustas que el vidrio. Son fáciles de instalar, pueden resistir mejor los esfuerzos, son menos costosas y pesan 60% menos que el vidrio. La desventaja de las fibras de plástico es su alta atenuación característica: no propagan la luz con tanta eficiencia como el vidrio. En consecuencia, las fibras de plástico se limitan a tramos relativamente cortos, como por ejemplo dentro de un solo edificio o un complejo de edificios.

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Núcleo de vidrio con forro de plástico (llamado con frecuencia fibra PCS, revestido con plástico).  Núcleo de vidrio y forro de vidrio (llamado con frecuencia SCS, sílice revestido con sílice). Las fibras con núcleos de vidrio tienen bajas atenuaciones características; sin embargo, las fibras PCS son un poco mejores que las SCS. Las fibras PCS también se afectan menos por la radiación y, en consecuencia, tienen mucho más atractivo en las aplicaciones militares. Las fibras SCS tienen las mejores características de propagación y son más fáciles de terminar que las PCS. Desafortunadamente, los cables SCS son los menos robustos y son más susceptibles a aumentos de atenuación cuando están expuestos a la radiación. Parámetros Composición de la fibra óptica Hay muchos tipos de claves de fibra óptica que se adaptan a distintas ocasiones (interior, exterior, etc.) En esta ocasión se puede ver con detalle que elementos puede contener un cable:

1- Elemento central dieléctrico: este elemento central que no está disponible en todos los tipos de fibra óptica, es un filamento que no conduce la electricidad (dieléctrico), que ayuda a la consistencia del cable entre otras cosas.

2- Hilo de drenaje de humedad: su fin es que la humedad salga a través de el, dejando al resto de los filamentos libres de humedad.

3- Fibras: esto es lo más importante del cable, ya que es el medio por dónde se transmite la información. Puede ser de silicio (vidrio) o plástico muy procesado. Aqui se producen los fenómenos físicos de reflexión y refracción. La pureza de este material es lo que marca la diferencia para saber si es buena para transmitir o no. Una simple impureza puede desviar el haz de luz, haciendo que este se pierda o no llegue a destino. En cuanto al proceso de fabricación es muy interesante y hay muchos vídeos y material en la red, pero básicamente

las hebras (micrones de ancho) se obtienen al exponer tubos de vidrio al calor extremo y por medio del goteo que se producen al derretirse, se obtienen cada una de ellas.

4- Loose Buffers: es un pequeño tubo que recubre la fibra y a veces contiene un gel que sirve para el mismo fin haciendo también de capa oscura para que los rayos de luz no se dispersen hacia afuera de la fibra.

5- Cinta de Mylar: es una capa de poliéster fina que hace muchos años se usaba para transmitir programas a PC, pero en este caso sólo cumple el rol de aislante.

6- Cinta antillama: es un cobertor que sirve para proteger al cable del calor y las llamas.

7- Hilos sintéticos de Kevlar: estos hilos ayudan mucho a la consistencia y protección del cable, teniendo en cuenta que el Kevlar es un muy buen ignífugo, además de soportar el estiramiento de sus hilos.

8- Hilo de desgarre: son hilos que ayudan a la consistencia del cable.

9- Vaina: la capa superior del cable que provee aislamiento y consistencia al conjunto que tiene en su interior. Hay muchos diseños distintos de cable, en la actualidad.De acuerdo con la configuración, el cable puede consistir de un núcleo, un revestimiento, un tubo protector, amortiguadores, miembros resistentes y uno o más forros o chaquetas de protección.

En la construcción suelta de tubo cada fibra está contenida en un tubo de protección. Dentro del tubo protector hay un compuesto de poliuretano que encapsula, o sella, a la fibra, y evita la penetración del agua. Se puede presentar un fenómeno llamado corrosión bajo tensiones, o fatiga estática si la fibra de vidrio se expone durante largos periodos a humedades altas. Los crist ales de dióxido de silicio interaccionan con la humedad y hacen que las pegaduras se suelten, causando fracturas espontáneas después de un periodo prolongado. Algunos de los cables de fibra tienen más de una capa protectora para asegurar que no se alteren las características de la fibra, si ésta queda expuesta a cambios extremos de temperatura. Rodeando al revestimiento de la fibra, se acostumbra tener una capa ya sea de laca, silicona o acrilato, que se aplica normalmente para sellar y preservar las características de resistencia y atenuación de la fibra.

Restringido de fibra óptica: Hay un amortiguador primario y uno secundario, rodeando al cable de fibra. Las chaquetas amortiguadoras protegen a la fibra de influencias mecánicas externas que pudieran causar su ruptura, o demasiada atenuación óptica. El Kevlar es un material fibroso que aumenta la resistencia del cable a la tensión. De nuevo hay un tubo protector externo, lleno de poliuretano, que evita que la humedad se ponga en contacto con la fibra del núcleo.

Configuración de hilos múltiples: Para aumentar la resistencia a la tensión se incluyen en el paquete un miembro central de acero y una envoltura de cinta de Mylar.

configuración de cinta, que se ve con frecuencia en los sistemas telefónicos de fibra óptica.

Vistas de frente y lateral de un cable de sílice revestido con plástico.

Como se mencionó, una desventaja de los cables de fibra óptica es su falta de resistencia a la tensión, que puede ser sólo de una libra. Por esta razón, la fibra se debe reforzar con material tal que pueda resistir los esfuerzos mecánicos que probablemente se presentarán al ser jalada y maniobrada a través de los conductos subterráneos y aéreos, y al colgarse en los postes. Los materiales que se usan con frecuencia para reforzar y proteger a las fibras contra la abrasión y los esfuerzos ambientales son el acero, la fibra de vidrio, el plástico, FR-PVC (cloruro de polivinilo con retardante de llama), fibra de Kevlar y papel. El tipo de construcción de cable que se use depende de los requisitos de funcionamiento del sistema y de las restricciones económicas y ambientales. Introducción a fuentes ópticas Velocidad de propagación La energía electromagnética, como la luz, recorre aproximadamente 300,000,000 m/s en el espacio libre. También, la velocidad de propagación es igual para todas las frecuencias de luz en el espacio libre. Sin embargo, se ha demostrado que en materiales más densos que el espacio libre, la velocidad se reduce. Cuando se reduce la velocidad de una onda electromagnética al pasar de uno a otro medio de un material más denso, el rayo de luz se refracta, o se dobla, hacia la normal. También, en materiales más densos que el espacio libre, todas las frecuencias de la luz no se propagan con la misma velocidad.

Refracción Consiste en el cambio de dirección que experimenta un movimiento ondulatorio, cuando pasa de un medio material a otro. En la imagen muestra cómo se refracta un rayo de luz al pasar de un material de determinada densidad a un material menos denso. En realidad, el rayo de luz no se dobla, sino que cambia de dirección en la interfaz.

Reflexión Consiste en el cambio de una onda cuando choca contra un obstáculo, la onda que se dirige hacia el obstáculo se denomina onda incidente mientras que la que se aleja después se denomina onda reflejada.

Propagación de la luz a través de una fibra óptica La luz se puede propagar por un cable de fibra óptica por reflexión o por refracción. La forma en que se propague depende del modo de propagación y del perfil de índice(s) de la fibra. Modo de propagación En la terminología de fibras ópticas, la palabra modo simplemente quiere decir camino; los tipos de camino son: Modo unico o unimodal: Si sólo hay una trayectoria que pueda tener la luz por el cable.

Modo múltiple o multimodal: Si hay más de una trayectoria.

Propagación de la luz en modo único o multimodo:

Perfiles de índices en el núcleo El perfil índice de una fibra óptica es una representación gráfica del índice de refracción en la sección transversal de la fibra. Fibra unimodal de índice escalonado La fibra unimodal de índice escalonado tiene un núcleo central con la pequeñez suficiente como para que en esencia sólo haya una trayectoria que pueda seguir la luz para propagarse por el cable. Los tipos de revestimiento en unimodal son: Revestimiento de aire

Donde n= Indice de refracción

Revestimiento de vidrio

Fibra multimodal de índice escalonado Se parece a la configuración unimodal, pero el núcleo central es mucho mayor. Esta clase de fibra tiene una abertura grande de luz a fibra y en consecuencia permite la entrada de más luz al cable. Los rayos luminosos que llegan a la interfaz entre núcleo y revestimiento formando un ángulo mayor que el crítico (rayo A) se propagan por el núcleo en zigzag, reflejándose continuamente en la interfaz. Los rayos luminosos que llegan a la interfaz entre el núcleo y el revestimiento formando un ángulo menor que el crítico (rayo B) y que entran al revestimiento se pierden. Se puede ver que hay muchas trayectorias que puede seguir un rayo de luz al propagarse por la fibra. El resultado es que no todos los rayos de luz siguen la misma trayectoria y, en consecuencia, no tardan lo mismo para recorrer la longitud de la fibra.

Fibra multimodal de índice graduado Estas fibras se caracterizan por un núcleo central cuyo índice de refracción es no uniforme; es máximo en el centro y disminuye en forma gradual hacia la orilla externa. La luz se propaga por esta clase de fibras por refracción. Al propagarse un rayo de luz en dirección diagonal por el núcleo hacia el centro, pasa continuamente de una fase menos densa a una más densa. En consecuencia, los rayos luminosos se refractan en forma constante, y eso produce su deflexión continua. La luz entra a la fibra formando muchos ángulos diferentes. Al propagarse por la fibra, los rayos que viajan en la zona más externa de la fibra recorren mayor distancia que los que van cerca del centro. En vista de que el índice de refracción disminuye con la distancia al centro, y que la velocidad es inversamente proporcional al índice de refracción, la luz que va más alejada del centro se propaga con mayor velocidad. En consecuencia, se tardan aproximadamente lo mismo en recorrer la longitud de la fibra. (Deflexión: acto de desviar la dirección de una corriente o de un fluido)

Propagación de un rayo al entrar y recorrer un cable de fibra óptica

Fuentes ópticas Las fuentes ópticas son componentes activos en un sistema de comunicaciones por fibra óptica, cuya función es convertir la energía eléctrica en energía óptica, de manera eficiente de modo que permita que la salida de luz sea efectivamente inyectada o acoplada dentro de la fibra óptica. Requerimientos principales:            

Dimensiones compatibles con el de la fibra Linealidad en la característica de conversión electro-óptica Gran capacidad de modulación Modulación directa Suficiente potencia óptica de salida y eficiencia de acoplamiento Funcionamiento estable con la temperatura Confiabilidad (tiempo de vida útil) Bajo consumo de energía Economía Tamaño y configuración óptimas para el acoplo de luz en la fibra Relación lineal entre potencia emitida y corriente inyectada Emitir luz a longitudes de onda idóneas para la fibra

Tipos de fuentes ópticas En esencia sólo hay dos dispositivos que se usan con frecuencia para generar luz en sistemas de comunicaciones con fibra óptica: diodos emisores de luz (LED) y diodos de láser de inyección (ILD, de injection laser diode). Ambos dispositivos se fabrican con materiales semiconductores, y tienen sus ventajas y desventajas. Los LED normales tienen anchos espectrales de 30 a 50 nm, mientras que los láseres de inyección sólo tienen anchos espectrales de 1 a 3 nm (1 nm corresponde a una frecuencia aproximada de 178 GHz). Por consiguiente, una fuente luminosa de 1320 nm con ancho de raya espectral de 0.0056 nm tiene una amplitud de banda de frecuencias aproximada de 1 GHz. El ancho de raya es el equivalente, en longitudes de onda, del ancho de banda. La preferencia hacia un dispositivo emisor de luz respecto a otro se determina con los requisitos económicos y de funcionamiento del sistema. El mayor costo de los diodos de láser se compensa con una mayor eficiencia, mientras que los diodos emisores de luz, normalmente, tienen menor costo y menor eficiencia.

Diodos emisores de luz Un diodo emisor de luz (LED, por light-emitting diode) es un diodo de unión p-n, fabricado casi siempre con un material semiconductor como el arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) o el arseniuro fosfuro de galio (GaAsP). Los LED emiten luz por emisión espontánea: la luz se emite como resultado de la recombinación de electrones con huecos. Cuando tienen polarización directa, los portadores minoritarios se inyectan a través de la unión p-n. Una vez atravesada la unión, esos portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y desprenden energía en forma de luz. LED de homounión Una unión p-n formada con dos mezclas distintas de igual tipo de átomos se llama estructura de homounión. Las estructuras más sencillas de LED son las de homounión y de crecimiento epitaxial, o dispositivos semiconductores de un solo semiconductor difundido.

LED de heterounión Los LED de heterounión se fabrican con material semiconductor tipo p de un conjunto de átomos, y material semiconductor tipo n, de otro conjunto. Los dispositivos de heterounión están estratificados (normalmente dos capas) de tal manera que se amplía el efecto de concentración. Los dispositivos de heterounión tienen las siguientes ventajas sobre los de homounión: 1. El aumento de densidad de corriente genera una mancha luminosa más brillante. 2. La menor área emisora facilita acoplar la luz emitida a una fibra. 3. La pequeña área efectiva tiene menor capacitancia, lo que permite usar el LED de heterounión a mayores velocidades.

LED de superficie emisora y pozo grabado de Burrus. Para las aplicaciones más prácticas, como telecomunicaciones, se requieren velocidades de datos mayores que 100 Mbps. Para estas aplicaciones se desarrolló el LED de pozo grabado, por parte de Burrus y Dawson, de los Bell Laboratories. Es un LED de superficie emisora, y se ve en la fig. 11-30. Emite luz en muchas direcciones, y ayuda a concentrar la luz emitida en un área muy pequeña. También se puede poner lentes en domo, sobre la superficie emisora, para dirigir la luz hacia un área menor. Estos dispositivos son más eficientes que los emisores normales de superficie, y permiten acoplar más potencia a la fibra óptica, pero su fabricación es más difícil y costosa.

LED emisores de borde. El LED emisor de borde, desarrollado por la RCA. Estos LED emiten una distribución más direccional de luz que los LED de superficie emisora. La fabricación se parece a los diodos planos y de Burrus, pero la superficie emisora es una banda, más que un área circular confinada. La luz se emite de una banda activa y forma un haz elíptico. Los LED de superficie emisora se usan con más frecuencia que los emisores de borde, porque emiten más luz. Sin embargo, las pérdidas por el acoplamiento de los emisores de superficie son mayores, y tienen anchos de banda más angostos.

Diodo de láser de inyección Los láseres se fabrican con muchos y diversos materiales, que incluyen gases, líquidos y sólidos, aunque el tipo de láser que se usa con más frecuencia para comunicaciones con fibra óptica es el láser de semiconductor. 1. Como los ILD tienen una distribución de irradiación más dirigida, es más fácil de acoplar su luz en una fibra óptica. Esto reduce las pérdidas por acoplamiento y permite usar fibras más pequeñas. 2. La potencia radiante de salida de un ILD es mayor que la de un LED. Una potencia normal de salida de un ILD es 5 mW (7 dBm), en comparación con 0.5 mW (–3 dBm) para los LED. Eso permite que los ILD proporcionen una mayor potencia de activación, y usarlos en sistemas que funcionen a través de mayores distancias. 3. Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED.

4. Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática o de longitudes de onda. Distribuciones de radiación de un LED y de un ILD:

Detectores de luz Hay dos dispositivos que se suelen usar para detectar la energía luminosa en los receptores de comunicación con fibra óptica: los diodos PIN (tipo p-tipo n intrínseco) y los APD (fotodiodos de avalancha). Diodos PIN Un diodo PIN es un fotodiodo de capa de agotamiento, y es probable que sea el dispositivo más usado como detector de luz en los sistemas de comunicaciones con fibra óptica. En esencia, el fotodiodo PIN funciona exactamente al contrario que un LED. La mayoría de los fotones quedan absorbidos por electrones de la banda de valencia del material intrínseco. Cuando se absorben los fotones agregan la energía suficiente para generar portadores en la región de agotamiento, y permiten el paso de la corriente por el dispositivo.

Fotodiodos de avalancha (APD) los APD son más sensibles que los diodos PIN y requieren menos amplificación adicional. Las desventajas de los APD son los tiempos de tránsito relativamente grandes, y ruido adicional, generado internamente, debido al factor de multiplicación por avalancha.

Láseres La tecnología láser se centra en la concentración de luz en forma de haces muy pequeños y poderosos. El acrónimo se generalizó cuando la tecnología pasó de las microondas a las ondas de luz. Tipos de laser: 1. Láseres de gas. Los láseres de gas usan una mezcla de helio y neón encerrada en un tubo de vidrio. Cuando se descarga una corriente en el gas se emite un flujo de ondas luminosas coherentes (de una frecuencia) a través del acoplador de salida. La salida de onda luminosa continua es monocromática (de un color). 2. Láseres de líquido. En estos láseres se usan colorantes orgánicos encerrados en un tubo de vidrio, como medio activo. El colorante se hace circular con una bomba dentro del tubo. Un pulso poderoso de luz excita al colorante orgánico. 3. Láseres de sólido. En ellos se usa un cristal cilíndrico y macizo, como el rubí, como medio activo. Cada extremo del rubí está pulido y paralelo al otro. El rubí se excita con una lámpara de tungsteno conectada a una fuente de poder de corriente alterna. La salida del láser es una onda continua. 4. Láseres de semiconductor. Estos láseres se fabrican con semiconductores de unión p-n y se suelen llamar diodos de láser de inyección (ILD, de injection laser diode). El mecanismo de excitación es un suministro de corriente directa que controla la cantidad de corriente al medio activo. La luz de salida de un ILD se modula con facilidad, y eso lo hace muy útil en muchas aplicaciones de comunicaciones electrónicas. La radiación de un láser es extremadamente intensa y direccionada. Cuando se enfoca en forma de un haz capilar muy fino, puede concentrar su potencia. Si se permitiera diverger al haz de luz, perdería la mayor parte de su potencia.

Configuraciones de sistemas de comunicaciones con fibra óptica:  Sistema sin repetidoras, en donde la fuente y el destino se interconectan a través de uno o más tramos de cable óptico. En un sistema sin repetidoras no hay amplificadores ni regeneradores entre la fuente y el destino.

 Sistema de fibra óptica que incluye una repetidora que puede amplificar o regenerar la señal. Los sistemas con repetidora se usan, claro está, cuando la fuente y el destino están separados por grandes distancias.