Sistemas de transmisión por fibra óptica

Los sistemas de transmisión por fibra óptica, funcionan en el contexto de los sistemas ópticos de comunicaciones, es decir sistemas de comunicación que usan la luz como portadora de información, de allí que para la transmisión de las señales de luz se utilizan fibras de vidrio o de plástico que contienen las ondas luminosas y guiarlas a través de ellas.

En este sentido, los sistemas de transmisión por fibra óptica, se limitan por la amplitud de la banda, relacionado a la frecuencia de su señal portadora, tal que su relación de utilización es de 10% limitado entre una banda de 10.000 GHz y 40.000GHz.

En la actualidad, en Venezuela, se está desarrollando un plan para llevar tecnologías de fibra óptica hasta los hogares, fundamentada en Gpon (Red Óptica Pasiva con Capacidad de Gigabit), que de acuerdo a los estándares ITU – T (G.984.1, G.984.2, G.984.3, G.984.4 y G.984.5) está orientado al soporte de servicios de voz, con alcance máximo de 20 Km (aunque es se prepara para llegar a los 60 Km), soporte de tasas de bits con los mismos protocolos ofreciendo velocidades simétricas de 622 MBits/s, 1,25 GBits/s y asimétricas de 2,5 GBits/s en el alcance descendente y 1,25 GBits/s en el ascendente, con un máximo de 64 canales por fibra. Dicho plan, prevé aumentar la velocidad de conexión dado el sobrepaso de la velocidad media de conexión en relación al techo considerado por CANTV.

Principios del cable de fibra óptica

El cable de fibra óptica está compuesto por un conjunto de filamentos, los cuales constan de un núcleo central de plástico o de vidrio que posee un alto índice de refracción, rodeado por una capa de material similar que posee un índice de refracción menor, de allí que cuando la luz llega a la superficie es limitada por un índice de refracción menor por lo que se refleja en gran parte. En el interior del cable la luz se refleja contra las paredes en ángulos que son muy abiertos, lo que hace que las señales luminosas sean transportadas sin perdidas por las largas distancias.

Entre las características más importantes de los cables de fibra óptica se pueden destacar que tiene una cobertura más resistente, su resistencia al agua, emisiones ultra violetas, la mayor protección ante efectos de la humedad, provista por sus múltiples capas de protección, entre otros.

Es preciso tener en cuenta que la luz es una forma de energía electromagnética, la cual viaja a velocidades de 300.000 Km/s, y que decrece a medida que se propaga por medios con mayor densidad. De allí que, en la transmisión por fibra óptica, se presentan diversas propiedades de la óptica clásica, entre las cuales se puede mencionar: a) la refracción y b) la reflexión.

La luz se propaga en línea recta durante su movimiento a través de una única sustancia uniforme, sin embargo cuando cambia de medio hacia otro más o menos denso, su velocidad cambia en forma abrupta, causando que el rayo cambie de dirección, en razón a la refracción.

La dirección en la que se refracta un rayo de luz, depende del cambio de densidad que este encuentre, tal que si el cambio es hacia una sustancia con mayor densidad, esta tiende a curvarse en dirección al eje vertical; de este fenómeno óptico se extraen datos tales como el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción.

Asimismo, en relación a la refracción se debe considerar el ángulo crítico el cual relaciona 90° el ángulo de incidencia y el ángulo de refracción, haciendo que el rayo se mueva en dirección a la vertical. En la siguiente imagen se puede apreciar el cambio en la dirección que sufre el rayo incidente en proporción a la densidad del medio de cambio entre el aire y el agua.

Figura 1. Refracción entre el aire y el agua.

En relación al ángulo crítico se deben considerar las siguientes premisas:

• a) Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados.

• b) La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro más denso.

En este sentido, cuando la luz entra por un extremo de un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente en la superficie exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales sucesivas, salir por el otro extremo. Un caso particular son las fibras de vidrio de diámetro muy pequeño, las cuales se recubren de un material cuyo índice de refracción menor y que se utilizan para la transmisión de imágenes. Los haces flexibles, que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir imágenes, son muy útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e incluso en vasos sanguíneos.

Por otro lado, la reflexión es además la propiedad del movimiento ondulatorio que hace que la onda retorne al propio medio de propagación posterior a su incidencia sobre una superficie, de tal manera que, las ondas al incidir sobre un segundo medio una parte de ellas se refracta y la otra se refleja. La reflexión regular (en la que la dirección de la onda reflejada está claramente determinada) cumple dos condiciones: el rayo incidente y el rayo reflejado forman el mismo ángulo con la normal (una línea perpendicular a la superficie reflectante en el punto de incidencia), y el rayo reflejado está en el mismo plano que contiene el rayo incidente y la normal. Los ángulos que forman los rayos incidente y reflejado con la normal se denominan respectivamente ángulo de incidencia y ángulo de reflexión. Las superficies rugosas reflejan en muchas direcciones, y en este caso se habla de reflexión difusa.

Para reflejar un tren de ondas, la superficie reflectante debe ser más ancha que media longitud de onda de las ondas incidentes. Por ejemplo, un pilote que sobresale de la superficie del mar puede reflejar pequeñas ondulaciones, mientras que las olas de gran tamaño pasan alrededor de él. Los sonidos estridentes, que tienen longitudes de onda muy cortas, son reflejados por una ventana estrecha, mientras que los sonidos de mayor longitud de onda lo atraviesan. En la atmósfera, algunas partículas pequeñas de polvo reflejan sólo las longitudes de onda más cortas de la luz solar, correspondientes a los tonos azules.

En la siguiente imagen se ilustra el principio de reflexión:

Figura 2. Principio de Reflexión

El núcleo de la fibra óptica tiene un índice de refracción que es mayor en consideración al revestimiento, de tal manera que la luz que llega al límite entre el núcleo y el revestimiento con un ángulo de incidencia mayor que el ángulo crítico se refleja y continúa su recorrido dentro del núcleo, obedeciendo a un principio de reflexión total.

La reflexión total, constituye el pilar fundamental en el que se sustenta el funcionamiento de la fibra óptica, tomando en consideración el índice de refracción para el núcleo se sitúa alrededor de 1,47 y para el revestimiento de 1,45, de manera que la diferencia de densidad de ambos materiales debe permitir que el rayo de luz que se mueve a través del núcleo debe ser reflejado por la cubierta en lugar de refractado por ella. La información se codifica dentro de un rayo de luz como series de destellos On – Off que representan los bits 1 y 0, respectivamente.

Transmisión por fibra óptica

En los sistemas de transmisión a través de la fibra óptica, se deben tener en cuenta ciertos componentes importantes, los cuales transforman las ondas electromagnéticas en energía luminosa. El proceso de transmisión continúa cuando las señales son transmitidas por las fibras para posteriormente ser detectadas (en la etapa de recepción) y transformadas en señales electromagnéticas nuevamente. Asimismo, en la medida en que cada tramo es empalmado, se deben colocar correctores ópticos, y en los extremos amplificadores para mejorar la calidad de la señal.

Por otro lado, deben tenerse en cuenta parámetros tales como la pérdida de canal y la dispersión de la señal para establecer la fiabilidad en la transmisión. Las pérdidas de inserción en el canal constituyen la máxima perdida de señal o atenuación desde el transmisor hasta el receptor. La dispersión de la señal, se refiere al esparcimiento de las señales dentro de la fibra.

Tomando en consideración los parámetros anteriormente mencionados, se logran establecer otros, tales como la longitud máxima de operación, la velocidad de datos y el ancho de banda de la fibra. Asimismo, deben considerarse los modos de propagación.

En la actualidad se evidencian dos modos de propagación de la luz a lo largo de canales ópticos, cada uno de los cuales necesita fibras con características distintas. Estos son: monomodo, y mulltimodos (de índice escalonado, o de índice de gradiente gradual).

El multimodo, recibe su nombre dado a que hay multiples rayos de luz de una fuente luminosa, los cuales se mueven a través del núcleo por distintos caminos. Dichos movimientos dependen de la estructura del nucleo. En el caso particular de la fibra multimodo de indice escalonado, la densidad del nucleo es constante desde el centro hasta los bordes. Un rayo de luz se mueve a través de uina densidad constante en linea recta hasta que logra alcanzar la interfaz del nuevo y la cubierta. En la interfaz se da un intercambio abrupto a una densidad mas baja que altera el angulo de movimeinto del rayo. Cabe destacar que algunos rayos del centro de la fibra viajan en línea recta a través del núcleo y alcanzan el destino sin reflejarse o refractarse; mientras que otros golpean la interfaz del núcleo y se reflejan en un angulo menor que el angulo crítico, penetrando la cubierta y posteriormente perdiendose. Sin embargo, hay los rayos que tienen angulos mayores que el ángulo crítico, los cuales se reflejan dentro del núcleo hasta el otro lado, rebotando a lo largo del canal hasta lograr alcanzar su destino.

Cada rayo se refleja fuera de la interfaz en un angulo que es igual a su angulo de incidencia. Cuanto mayor es el angulo de incidencia, mas amplia es la reflexión, y mientras es más pequeñodebe viajar mas rapido para poder alcanzar su destino.

Es importante tener en cuenta, que en la recepción no se tiene una señal replica de la transmitida, ya que ésta es distorsionada por los retrasos de la propagación.

En el caso de la fibra multimodo de indice gradual, ésta reduce el valor de la distorsión de la señal a través del cable. Tomando en cuenta que el indice de refracción está relacionado a la densidad del medio, las fibras de indice gradual tienen densidad variable. La densidad es mayor en el centro del núcleo y decrece gradualmente hasta el borde. En esta, la señal se introduce en el centro del núcleo y a partir de este punto, salamente el rayo horizontal se mueven en línea recta a través de la zona central, de la densidad constante. Los rayos en otros ángulos se mueven a través de una serie de densidades que cambian constantemente. Cada diferencia de densidad hace que el rayo se refracte formando una curva . Además, cambiar la refracción cambia la distancia de cada rayo que viaja en el mismo periodo de tiempo, resultando que los rayos distitnos se intersecten a intervalos regulares.

En el caso de la fibra monomodo, esta utiliza el índice de refracción escalonado, y una fuente de luz enfocada, la cual limita los rayos a un rango muy pequeño de ángulos, cercanos a la horizontal. Su fabricación tiene en consideración un diámetro más pequeño que las mulltimodos, y con una densidad (índice de refracción) que es considerablemente inferior.

El decrecimiento de la densidad, origina que el ángulo crítico este muy cercano a los 90° para hacer que la propagación de los rayos sea casi horizontal, tal que para los distintos rayos la propagación es muy similar y los retrasos son despreciables. En la etapa de recepción, todos los rayos llegan en condiciones similares y se pueden recombinar sin distorsionar la señal. En la siguiente imagen se muestra una comparación entre las fibras de índice gradual, con gradiente escalonado y monomodo:

Figura 3. Comparación entre los modos de transmisión.

Composición de cable

En la siguiente imagen se puede observar la composición del cable de fibra óptica:

Figura 4. Composición del cable de fibra óptica.

La fibra está formada por un núcleo rodeado por una cubierta. En la mayoría de los casos, la fibra está cubierta por un nivel intermedio que lo protege de la contaminación. Asimismo, se compone de una carcasa exterior que cubre todo el cable. Tanto el núcleo como la cubierta pueden estar hechos de cristal o de plástico, sin embargo, deben ser densidades distintas.

También, n debe ser ultrapuro y completamente regular en forma y tamaño, ya que las diferencias pueden alterar el ángulo de reflexión y distorsionar la señal. Algunas aplicaciones permiten admitir ciertos grados de distorsión y sus cables pueden ser mas baratos. La cobertura exterior (funda) se puede hacer con varios materiales, entre los que se incluyen un recubrimiento de teflón, plástico, plástico fibroso, tubería de metal y malla metálica, cada uno de estos con un propósito distinto.

Los plásticos se caracterizan por ser ligeros y económicos pero no proporcionan una fortaleza estructural ya que emiten humos cuando se queman, caso contrario, la tubería de metal es costosa pero proporciona mayor fortaleza. El teflón es ligero y se puede utilizar al aire libre pero es costoso y no incrementa la robustez del cable. Evidentemente que la elección del material dependen de las condiciones de instalación en sitio y las funciones que se deseen cumplir.

En relación a las funciones del recubrimiento, se debe tener en cuenta las funciones que el enlace de fibra vaya a desempeñar, de allí que este permite mantener las siguientes funciones:

• a) Protección de la fibra contra el dañado y la rotura durante la instalación y la vida de la misma.

• b) Estabilidad de las características de transmisión.

• c) Resistencia de la fibra, en consideración con sus propiedades mecánicas tal que permita que sea apta para su instalación. Incluyendo aspectos tales como la resistencia a la tensión, a la torsión, a la compresión, al doblado y a las vibraciones.

• d) Identificación y conexionado de las fibras en el cable.

Entonces, tomando en consideración el tipo de fibra se presenta la siguiente estructura con la descripción de las características del cableado:

En el caso de las mulltimodos de índice abrupto, se encuentra de silicio dopado, o vidrio. Se caracterizan por tener apertura numérica para permitir el fácil acoplamiento de la luz, desde los LEDS emisores. Generalmente, poseen un diámetro de núcleo de 50 a 400 micrómetros, su envoltura oscila entre los 125 y los 500 micrómetros, su camisa protectora entre 250 y 1000 micrómetros y el índice de apertura numérica entre los 9 y los 30°. Este tipo de fibra se utiliza para distancias cortas de ancho de banda limitado y aplicaciones de bajo costo. Su ancho de banda oscila entre los 6 y los 50 MHz / Km.

El núcleo de la fibra multimodo de índice gradual tiene un diámetro de 30 a 100 micrómetros, y su envoltura entre 100 y 150 micrómetros. La camisa protectora varía entre 250 y 1000 micrómetros y su índice de apertura numérica entre 11 y 17°. Este tipo de fibra opera con un ancho de banda de 300 MHz/Km a 3 GHz / Km y son adecuadas para distancias medias de ancho de banda entre medio y alto, para aplicaciones con emisiones coherentes e incoherentes.

La fibra monomodo, tiene un diámetro de núcleo entre 5 y 10 micrómetros, su diámetro de envoltura es de 125 micrómetros y el diámetro de su camisa protectora varía entre los 250 y los 1000 micrómetros y su apertura numérica entre 5 y 9°. Es importante mencionar que las fibras monomodo, en atención a sus características son idóneas para distancias largas con anchos de banda altos para aplicaciones con emisiones coherentes monomodo.

Instalación en interiores y exteriores

En la instalación de la fibra óptica se debe tener especial cuidado con el radio de curvatura mínimo y la presencia de torsión, compresión o aplastamiento de los cables. Asimismo, hay que cuidar los conectores de la contaminación con la finalidad de evitar la atenuación. En este sentido, para ambientes interiores y exteriores hay ciertas consideraciones generales que se deben tener en cuenta:

• a) No se debe exceder la longitud máxima de los cables, por la tanto se debe comprobar la longitud apropiada de los mismos de acuerdo a los parámetros de fabricación.

• b) No se debe exceder el radio de curvatura mínimo para un determinado tipo de cable, dado a que se pueden provocar daños internos a las fibras de los cables.

• c) Evitar la torsión de los cables, utilizando técnicas adecuadas de tendido, y consideraciones generales, tales como evitar jalar los conectores, utilizar los agarres diseñados para tal fin, utilizar lubricantes adecuados, jalar el mismo en línea recta jalar utilizando guías para mantener la curvatura.

• d) Se debe procurar que el tendido sea utilizando armarios (RACKS) y codos en anglo recto en la bandeja de los cables.

• e) Las instalaciones no deben contener bucles.

• f) Evitar colocar los cables en conductos con cables de cobre.

• g) Asegurar la protección contra bordes afilados.

La diferencia entre las instalaciones en exteriores y las de interiores, radica en que las primeras son de tipo aéreas, lo cual implica utilizar tubos flexibles, preferiblemente plásticos para transportar el cable. Asimismo, se debe tener cuidado con las instalaciones totalmente aéreas, y su cercanía a las líneas de tensión. Es importante destacar que en la actualidad existen diseños de cables de fibra óptica que eliminan efectos de interferencia por tensiones en la tierra, entre otras cuyo criterio de selección depende de la necesidad de conexión que se tenga.

Medidas de potencia

Con la finalidad de certificar que un enlace de fibra óptica se encuentre bien instalado, se deben realizar medidas de atenuación, y perdidas de retorno para establecer el balance de las perdidas admisibles previstas. En este orden de ideas, se deben utilizar medidores de potencia óptica y reflectómetro ópticos (OTDR).

Los medidores de potencia óptica, poseen una fuente de luz, estable y con capacidad de emisión en las longitudes de ondas previstas en la instalación, y se caracterizan por convertir la luz que llega a una entrada fotosensible en una corriente eléctrica, la cual es proporcional a la potencia de la luz incidente. Luego se convierte al valor de corriente en unidades de dBm, y se muestra en un visor digital.

Puesto que la fotocorriente producida depende de la longitud de onda de la luz incidente, la sensibilidad del instrumento, y por lo tanto, su exactitud, es función de la longitud de onda de la luz que se mide. Muchos medidores de potencia óptica que se usan hoy en día se calibran a las longitudes de onda de 820nm, 1310nm, y 1550nm, porque éstas son las longitudes de onda más comúnmente usadas en el mundo de las comunicaciones con fibra óptica.

El rango de operación del instrumento es la banda del espectro alrededor de las longitudes de onda donde se toleran los errores de medición. Por lo tanto, se debe considerar que los valores obtenidos en mediciones más allá de este espectro pueden diferir enormemente de los verdaderos.

El panel frontal del medidor de potencia óptica contiene una lente grande, en la cual por medio de un conector de fibra se aplica la luz a medir. Detrás de la lente, hay un sensor fotodiodo, que tiene un área mayor que el corte transversal de la fibra óptica conectada en el medidor. Esto permite al instrumento interceptar casi toda la luz emitida por la fibra.

Mantenimiento, localización y reparación de averías y el uso del reflectómetro

En relación al mantenimiento y a la localización de averías es necesario mencionar la existencia de algunos instrumentos de medición los cuales sirven para certificar el funcionamiento de las mismas, tal que su utilización periódica constituiría una forma de mantenimiento preventivo, y en caso de fallas, permiten localizar las mismas para en función de estos solucionar.

Uno de estos equipos, es el OLTS, el cual constituye una herramienta precisa que cuantifica las pérdidas totales de potencia óptica, es decir la atenuación, en un tramo de la fibra.

En uno de los extremos de la fibra se sitúa una fuente de luz estable, la cual emite una señal continua en una longitud de onda determina, mientras que en el otro extremos el medidor detecta dicha señal y mide su nivel de potencia óptica. Cabe destacar que la obtención de resultados precisos depende de que el medidor se calibre en la misma longitud de onda emitida.

Dado que la atenuación consiste en la diferencia entre la señal emitida y la recibida, una de las ventajas de estos es que permite obtener resultados en forma bidireccional mediante el control técnico en cada extremo. Este tipo de medición es importante debido a que la atenuación en las transiciones puede variar según el sentido considerado ya que las imperfecciones en el núcleo de las fibras causan imperfecciones cuyo valor difiere según sea el sentido de la medida. Asimismo, se puede presentar una variación en las medidas de ambos extremos debida a la calidad de los conectores, lo cual podría afectar el sistema de transmisión óptico para señales de área ancha.

Otro equipo que permite la certificación de la fibra optica es el OTDR el cual localiza e identifica a precisión eventos individualizados en un enlace optico, consistente en una o varias seciones de fibra unidas entre si mediante conectores y/o empalmes. Una medida reflectométrica consiste en una prueba realizada desde un extremo de la fibra. En este orden de ideas el OTDR emite un tren de señales pulsadas en la fibra en cuyo interior tiene lugar una serie de incidencias debidas a conectores, empalmes, irregularidades, curvaturas y defectos.

El reflectómetro (OTDR) analiza el retorno de la señal debido a estas reflexiones, que bien pueden ser por efecto de Fresnel (por la variación de la velocida de la luz en función del medio atravesado) o por efecto de Rayleight (correspondientes a las impurezas u otro tipos internos dentro de la fibra optica).

Las señales detectadas por la etapa fotodetectora de avalancha del OTDR permite trazar una gráfica de la señal recibida vs el pulso inyectado en la fibra y con ello determinar el final de la misma. En la siguiente imagen se muestra un modelo del reflectometro y del OLTS.

Figura 5. Modelo de un LTS

Figura 6. Modelo de un reflectómetro

Referencias

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Tomasi, W (2002). Sistemas de Comunicaciones Electrónicas, 4ta. Ed. Pearson, México

Autor:

Ing. Héctor Martínez

FACILITADORA:

MSC. LILIANA JORQUERA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

ANTONIO JOSÉ DE SUCRE

VICERRECTORADO BARQUISIMETO

DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO

BARQUISIMETO, NOVIEMBRE, 2013