Fibras ópticas

Enviado por anonimo

¿Cómo funcionan?, aplicaciones y ventajas

En la actualidad vivimos en un mundo constituido por información, la información nos rodea por todas partes. Se puede decir que cada día la cantidad de información que se encuentra en la red de redes es mayor por lo que ha sido necesario desarrollar un nuevo sistema de comunicaciones, para transferir los datos de una manera más eficaz, la FIBRA OPTICA.

La fibra óptica ha sido el medio que ha venido a sustituir a los cables, y en algunos casos a los satélites, tiene muchas ventajas con respecto a ellos y su uso se ha incrementado gradualmente.

La fibra óptica es un sistema de transmisión de datos que se hace a través de un filamento de vidrio o plástico La fibra óptica existe gracias al principio de reflexión total interna, ya que los rayos de luz dentro de la fibra van rebotando con las paredes externas del filamento. Para que este filamento de vidrio conduzca la información a través de la luz, se necesita que a los extremos de este existan dispositivos electrónicos que de un lado envíen la información en forma de rayos de luz, y del otro lado haya un interpretador de esta información que reciba y decodifique la señal. En algunos casos es necesario un tercer artefacto que es el regenerador óptico, el cual se utiliza cuando se envía la señal a grandes distancias, en el punto donde la señal ya pierde intensidad, para de esta forma darle intensidad a la señal para llegar más lejos.

La fibra óptica tiene muchas ventajas por encima de otros medios de transmisión de información, con respecto a los cables de cobre algunas de las ventajas es que es más barata por unidad de longitud, es mas delgada, tiene menor degradación de la señal, las señales de luz no interfieren entre sí como las señales eléctricas, necesita menor potencia, tiene menor riesgo de producir incendios, es ligera y flexible. Con respecto a las comunicaciones satelitales, se puede decir que la fibra óptica es mucho más económica para distancias de hasta 2500 Km y además la calidad es muy superior.

INTRODUCCIÓN

En la actualidad vivimos en un mundo lleno de información, la información nos rodea por todas partes. Desde que surgió el telégrafo, y luego el teléfono, la radio, etc., cada día vemos como los medios de comunicación electrónicos se arraigan más dentro de la cultura y las actividades diarias de la sociedad actual. La televisión, la telefonía móvil, las comunicaciones satelitales son medios que permiten tener acceso a la información de manera rápida y mantenernos comunicados en cualquier momento. Pero hay un medio que se puede decir que es el centro mundial de la información, donde prácticamente todo es posible, este medio es el INTERNET.

El Internet se ha convertido en los últimos tiempos en un banco de datos e información al cual cualquier persona con una computadora personal, un modulador-demodulador (MODEM) y una línea telefónica, por ejemplo, puede tener acceso, y obtener tanta información como desee de una forma sencilla y rápida desde su hogar.

Se puede decir que cada día la cantidad de información que se encuentra en la red de redes es mayor, al igual que el número de personas que se conectan, y cada vez los usuarios desean tener servicios que necesitan mayor velocidad de transferencia de datos como conversaciones de voz y video, bajar grandes archivos, etc. por lo que ha sido necesario desarrollar un nuevo medio para la transmisión de la información, capaz de transferir los datos de una manera más eficaz, rápida y accesible para un gran número de personas. Este medio es la FIBRA ÓPTICA.

FIBRA ÓPTICA

Una fibra óptica es un filamento delgado y largo de un material dieléctrico transparente, usualmente vidrio o plástico de un diámetro aproximadamente igual al de un cabello (entre 50 a 125 micras) al cual se le hace un revestimiento especial, con ciertas características para transmitir señales de luz a través de largas distancias.

Un cable de fibra óptica está compuesto de las siguientes partes, tal como se señala en la Fig. 01:

Núcleo: Es propiamente la fibra óptica, la hebra delgada de vidrio por donde viaja la luz.
Revestimiento: Es una o más capas que rodean a la fibra óptica y están hechas de un material con un índice de refracción menor al de la fibra óptica, de tal forma que los rayos de luz se reflejen por el principio de reflexión total interna hacia el núcleo y permite que no se pierda la luz.
Forro: Es un revestimiento de plástico que protege a la fibra y la capa media de la humedad y los maltratos.

Fig. 01 – Partes componentes de la Fibra Óptica

Las fibras ópticas vienen en dos tipos:

Las fibras multi-modo: Transmiten muchas señales por la fibra (usada en las redes de ordenadores , las redes de área local)
Fibras unimodales: Transmiten una señal por la fibra (usada en teléfonos y la televisión por cable). Las fibras unimodales tienen núcleos muy delgados (cerca de 9 micrones de diámetro) y transmiten la luz láser infrarroja (longitud de onda = 1.300 a 1.550 nanómetros). Las fibras multi-modo tienen núcleos más grandes (cerca de 62,5 micrones de diámetro) y transmiten la luz infrarroja (longitud de onda = 850 a 1.300 nm) de diodos emisores de luz (LEDs).

Algunas fibras ópticas se pueden hacer de plástico. Estas fibras tienen una base grande (0,04 pulgadas o diámetro de 1 milímetro) y transmiten la luz roja visible (longitud de onda = 650 nm) de los LEDs.

FUNCIONAMIENTO DE LAS FIBRAS ÓPTICAS.

Las fibras ópticas funcionan gracias al principio de la reflexión total interna, ver Fig. 02, que se da debido a que la fibra o núcleo tiene un cierto índice de refracción superado por el del revestimiento, por lo tanto el rayo de luz, cuando se "desplaza" por la fibra y choca con la pared de ésta, se produce el mismo efecto que observan los buzos cuando están debajo del agua; éstos, cuando ven hacia arriba hacia la superficie del agua, pueden ver lo que está afuera pero sólo hasta cierto ángulo de la vertical, a partir de este ángulo sólo verán un reflejo de lo que esta alrededor de ellos; eso mismo pasa en la fibra, como si ésta fuera el agua, y el revestimiento el aire más arriba de la superficie, que tiene menor índice de refracción.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig. 01 – Reflexión Total dentro de una Fibra Óptica

Los rayos de luz pueden entrar a la fibra óptica si el rayo se halla contenido dentro de un cierto ángulo denominado cono de aceptación. Un rayo de luz puede perfectamente no ser transportado por la fibra óptica si no cumple con el requisito del cono de aceptación. El cono de aceptación está directamente asociado a los materiales con los cuales la fibra óptica ha sido construida. La Fig. 03 ilustra todo lo dicho.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig. 03 – Diagrama del Cono de Aceptación

Una vez que la luz entra en la fibra óptica dentro del cono de aceptación, es decir, que sí puede ser propagado dentro de esta, tiene diferentes opciones en su camino:

Viajar en línea recta: Si la fibra está perfectamente recta, y el rayo de luz se hace entrar en una forma alineada exactamente igual que la fibra, este rayo puede ir por el centro de la fibra sin tocar en ningún momento las paredes de la fibra, de esta forma el rayo puede viajar distancias muy grandes y llegará de forma muy rápida al otro extremo de la fibra. Esto sería el caso del rayo que se muestra en la Fig. 03 con el color rojo. Esto nunca sucede, por dos cosas: una, que es muy difícil tener una fibra óptica perfectamente recta, y por otro lado, es difícil alinear el rayo de luz exactamente con la fibra.
Viaje con rebote en las paredes: Esto es lo que sucede en la mayoría de los casos. La luz siempre entra con un cierto ángulo de apertura en el extremo de la fibra, lo que hace que desde el comienzo del camino el rayo vaya rebotando en las paredes, por lo que va a tardar un cierto tiempo más que el rayo que viaja sin rebotar. Por otro lado el rayo de luz no es un solo rayo como tal, en realidad es un haz de rayos, que pueden tardar diferentes tiempos en llegar al otro extremo, por lo que un mismo rayo tiene un cierto tiempo de duración mayor en el extremo que recibe que en el que manda. Los rebotes suceden además principalmente porque las fibras se colocan no siempre en línea recta, normalmente tienen dobleces y curvaturas que hacen que los rayos se vean forzados a rebotar muchas veces más que si fuera recto, pero incluso así, la fibra óptica puede transmitir esa luz una distancia de cientos de kilómetros sin necesidad de repetidoras, gracias a que el revestimiento no absorbe nada de la luz transmitida.
Rayo fuera de la fibra: En algunos casos extremos puede suceder que si el cable es doblado muy abruptamente, la luz no pueda seguir rebotando y viajando a través de la fibra, y se salga de ésta, tal como si se introdujera en la fibra fuera del cono de aceptación. Esto sucede porque hay un ángulo crítico para el que para cierto ángulo menor si hay reflexión total interna, pero para un ángulo mayor no. Esto se muestra en la Fig. 3 como el rayo de color verde.

Por otro lado, algo de la señal es degradada dentro de la fibra, sobre todo debido a las impurezas en el cristal. El grado que la señal se degrade depende de la pureza del cristal y de la longitud de onda de la luz transmitida (por ejemplo, 850 nm = 60 a 75 %/km; 1.300 nm = 50 a 60 %/km; 1.550 nm es mayores de 50 %/km). Algunas fibras ópticas superiores demuestran mucho menos degradación de la señal (menos de 10 %/km en 1.550 nm).

SISTEMA DE RELÉS DE FIBRA ÓPTICA

Para entender cómo las fibras ópticas se utilizan en sistemas de comunicaciones, vamos mirar un ejemplo de una película de la guerra mundial II o documental donde dos naves navales en una flota necesitan comunicarse con uno a mientras que mantienen silencio en los radios o en mares tempestuosos. El capitán de una nave envía un mensaje a un marinero en cubierta. El marinero traduce el mensaje a código Morse (puntos y rayas) y envía el mensaje utilizando una luz como señal a la otra la nave. Un marinero en la cubierta de la otra nave ve el mensaje del código Morse, lo descifra y envía el mensaje al capitán.

Ahora, con la fibra óptica, se puede hacer esto entre dos puntos separado miles de kilómetros. Los sistemas de relés de fibra óptica están conformados de la siguiente manera:

Transmisor: produce y codifica las señales de luz
Fibra óptica: conduce la luz una distancia.
Regenerador óptico: puede ser necesario para repotenciar la señal de luz (si son muy largas distancias y la luz se ha degradado al extremo).
Receptor óptico: recibe y descifra las señales de luz.

A posterior se analizara con un poco en detalle cada uno de estos:

Transmisor

El transmisor es como el marinero en la cubierta de la nave que envía el mensaje en forma de luz. Recibe y ordena el dispositivo óptico para dar encender y apagar la luz en la secuencia correcta, generando así la señal de luz.

El transmisor está físicamente cerca de la fibra óptica y puede incluso tener una lente para enfocar la luz en la fibra. Un transmisor pudiese ser los lasers, pues tienen más energía que los LED, pero varían más con los cambios de temperatura y son más costosos. Las longitudes de onda más comunes de señales ligeras son 850 nm, 1.300 nm, y 1.550 nm. las porciones del nm (infrarrojo, no-visible del espectro).

Regenerador Óptico

Según lo mencionado anteriormente, una cierta pérdida de la señal ocurre cuando la luz se transmite a través de la fibra, especialmente cuando son muy largas distancias, por ejemplo con los cables submarinos. Por lo tanto, unos o más regeneradores ópticos se empalman a lo largo del cable para repotenciar las señales de luz degradadas.

Un regenerador óptico consiste en fibras ópticas con una capa especial dopada. Esta porción dopada hace que se emita una nueva luz con un láser. Cuando la señal degradada viene en la capa dopada, la energía del láser permite que las moléculas dopadas se conviertan en los láser ellas mismas.

Las moléculas dopadas entonces emiten una nueva y más fuerte señal luz con las mismas características que la señal débil entrante. Básicamente, el regenerador es un amplificador del láser para la señal entrante.

Receptor Óptico

El receptor óptico es como el marinero en la cubierta de la nave de recepción. Toma las señales digitales entrantes, las descifra y envía la señal eléctrica a la computadora, a la TV o al teléfono http://216.239.39.120/translate_c?hl=en&ie=ISO-8859-1&oe=ISO-8859-1&langpair=en%7Ces&u=http://www.howstuffworks.com/tv.htm&prev=/language_tools

del otro usuario (atendiendo al capitán de la nave). El receptor utiliza una fotocélula o un fotodiodo para detectar la luz.

VENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA

Es interesante la pregunta: ¿por qué la fibra óptica ha revolucionado las telecomunicaciones?.

Comparado al alambre de metal convencional (alambre de cobre), las fibras ópticas son:

– Menos costosa: Es más barato por unidad de longitud que el alambre de cobre, haciendo que las compañías de telecomunicaciones tengan que invertir menos en el cableado que si fuesen cables normales, de esta forma también pueden tener un servicio mas económico para el cliente.

– Diámetro reducido: Las fibras ópticas se pueden hacer de un diámetro más pequeño que el alambre de cobre.

– Capacidad de carga más alta: Como las fibras ópticas son más finas que los alambres de cobre, se puede "meter" un mayor número de fibras en un cable de cierto diámetro que alambres de cobre. Esto permite que haya más líneas telefónicas en un mismo cable o que a una casa llegue un mayor número de canales de televisión que si fuesen cables de cobre.

– Menos degradación de la señal: la pérdida de señal en fibra óptica es significativamente menor que en el alambre de cobre.

– Señales de luz: A diferencia de señales eléctricas en los alambres de cobre, las señales luz en un fibra óptica no interfieren con las de otras fibras en el mismo cable, pues no existe inducción magnética. Esto significa que las conversaciones de teléfono no tendrán interferencia entre sí o los canales de televisión.

– Menor gasto de energía: Como las señales de luz en las fibras ópticas se degradan menos que las señales eléctricas en los cables de metal, los transmisores no necesitan ser transmisores de alto voltaje sino transmisores de luz de poca potencia, lo cual da el mismo resultado o mejor y es más económico.

– Señales digitales: Las fibras ópticas son ideales para transmitir información digital, ya que dependen solamente de que haya luz o no la haya, por eso son muy utilizadas en las redes de computadoras.

– No Inflamable: Al no pasar electricidad a través de fibras ópticas, no hay riesgo de incendios.

– Ligero: Un cable óptico pesa menos que un cable de alambre de cobre de la misma longitud.

– Flexible: Por ser flexible y poder transmitir y recibir luz, se utilizan en muchas cámaras fotográ- ficas digitales flexibles para varios propósitos:

– Medicina: En los endoscopios y laparoscopios

– Mecánica: En la inspección de tuberías y motores (en aviones, cohetes, carros, etc.)

Por todas estas ventajas, la fibra óptica se ha popularizado en muchas industrias, pero sobre todo en las telecomunicaciones y redes de computadoras. Por ejemplo, en las llamadas por teléfono internacionales que se realizan a través de satélites se oye a menudo un eco en la línea mientras que con los cables de fibra óptica transatlánticos, se tiene una conexión directa sin ecos.

¿CÓMO SE HACEN LAS FIBRAS ÓPTICAS?

Las fibras ópticas se hacen del cristal óptico extremadamente puro. Por ejemplo, al ver una ventana de cristal transparente, cuanto más grueso es el cristal, menos transparente llega a ser debido a las impurezas en el cristal. Sin embargo, el cristal en una fibra óptica tiene muchísimo menos impurezas que el vidrio del cristal de una ventana. Una comparación de la calidad del cristal en una fibra óptica es la siguiente: si una persona estuviera navegando en un mar de kilómetros de profundidad que fuese de cristal de fibra óptica podría ver los peces en el fondo del océano.

La fabricación de fibras ópticas tiene diferentes etapas:

Fabricación de un cilindro de cristal.
Extracción de las fibras del cilindro.
Prueba final de las fibras.

Especificando un poco dichas etapas:

Fabricación del cilindro de cristal

El cristal para el objeto semi-trabajado es hecho por un proceso llamado deposición de vapor químico modificado (MCVD, en inglés), el cual se esquematiza en la Fig. 04.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig. 04 – Esquema del MCVD

En MCVD, el oxígeno se burbujea a través de soluciones del cloruro del silicio (SiCl4), cloruro del germanio (GeCl4) y/o otros productos químicos. La mezcla exacta gobierna las características físicas y ópticas (índice de refracción, el coeficiente de la extensión, el punto de fusión, etc.). Los vapores del gas se conducen al interior de un tubo sintético de silicio o cuarzo (revestimiento) en un torno especial. Mientras el torno da vueltas, una antorcha se mueve arriba y abajo del exterior del tubo. El calor extremo de la antorcha hace dos cosas:

– El silicio y el germanio reaccionan con el oxígeno, formando el dióxido del silicio (SiO2) y dióxido del germanio (GeO2).

– El dióxido del silicio y del dióxido de germanio se unen en el interior del tubo y se funden juntos para formar el cristal.

El torno da vueltas constantemente para hacer una capa uniforme. La pureza del cristal es mantenida usando el plástico resistente a la corrosión en el sistema de la entrega del gas (bloques de la válvula, tuberías, sellos) y controlando el flujo y la composición de la mezcla.

Extracción de las fibras

Una vez realizado el cilindro se procede a colocarlo en una máquina que extrae de él las fibras. En la Fig. 05 se muestra de manera general el proceso de fabricación de la fibra óptica:

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig. 05 – Esquema general de fabricación

El operador enrosca la fibra sobre un carrete. El mecanismo del carrete tira lentamente la fibra de la máquina anterior calentando el cilindro y es controlado usando un micrómetro láser para medir el diámetro de la fibra y para alimentar la información de nuevo al mecanismo del tractor. Las fibras se tiran del cilindro a una velocidad de 10 a 20 m/s y el producto acabado se enrosca sobre el carrete. Normalmente los carretes pueden llegar a contener más de 2,2 kilómetros de fibra óptica, la presentación de estos carretes es mostrada en la Fig. 06.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig. 06 – Presentación del producto acabado.

Prueba de la fibra óptica acabada

La fibra óptica acabada se prueba con las siguientes condiciones:

– Fuerza extensible: debe soportar 100.000 lb/in 2 o más

– Perfil del índice de refracción: Determina el índice de refracción y el grado de impurezas en la fibra.

– Geometría de la fibra: Se ve que el diámetro de base, las dimensiones del revestimiento y el diámetro de capa son uniformes.

– Atenuación: Determina el grado de degradación que sufren las señales luminosas de varias longitudes de onda a una cierta distancia.

– Capacidad de carga de información (ancho de banda): Número de señales que pueden ser llevadas al mismo tiempo (aplica solo a las fibras multi-modo).

– Dispersión cromática: Extensión de varias longitudes de onda de la luz con la base (importante para la anchura de banda).

– Gama de funcionamiento de temperatura y humedad.

– Dependencia de la temperatura de la atenuación.

– Capacidad de conducir la luz debajo del agua: Importante para los cables submarinos.

Una vez que las fibras pasan el control de calidad, se venden a compañías de teléfono, a las compañías de televisión por cable y a abastecedores de red. Muchas compañías están sustituyendo actualmente sus viejos sistemas de alambre de cobre por los nuevos sistemas de fibra óptica para mejorar velocidad, capacidad y claridad.

FÍSICA DE LA REFLEXIÓN TOTAL TOTAL

Cuando la luz pasa de un medio con un http://216.239.35.120/translate_c?hl=en&ie=ISO-8859-1&oe=ISO-8859-1&langpair=en%7Ces&u=http://216.239.39.120/translate_c%3Fhl%3Den%26ie%3DISO-8859-1%26oe%3DISO-8859-1%26langpair%3Den%257Ces%26u%3Dhttp://www.howstuffworks.com/light.htm%26prev%3D

índice de refracción (m1) a otro medio con índice de refracción más bajo (m2), se curva o http://216.239.35.120/translate_c?hl=en&ie=ISO-8859-1&oe=ISO-8859-1&langpair=en%7Ces&u=http://216.239.39.120/translate_c%3Fhl%3Den%26ie%3DISO-8859-1%26oe%3DISO-8859-1%26langpair%3Den%257Ces%26u%3Dhttp://www.howstuffworks.com/light.htm%26prev%3D

refracta alejándose de una línea perpendicular imaginaria a la superficie (línea normal). A medida que el ángulo en m1 es mayor con respecto a la línea normal, la luz refractada con m2 se curva más lejos de ésta.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Fig. 07 – Reflexión Toral Interna en Fibras Ópticas.

A un ángulo particular (ángulo crítico), la luz refractada no entrará en m2, sino que por el contrario viajará a lo largo de la superficie entre los dos medios (seno[ángulo crítico]=n2 /n1 donde n 1 y n 2 son los índice de refracción [n1 es menor que n2]). Si el ángulo con m1 es mayor que el ángulo crítico, después la luz refractada será reflejada enteramente nuevamente dentro de m1 (reflexión interna total), aunque m 2 puede incluso ser transparente.

En la física, el ángulo crítico se describe con respecto a la línea normal. En la fibra óptica, el ángulo crítico se describe con respecto al eje paralelo en el centro de la fibra. Por lo tanto, el ángulo crítico de la fibra óptica = (90 grados – ángulo crítico standard de la física)

En una fibra óptica, la luz viaja con la base (m1, alto índice de refracción) constantemente reflejando en el revestimiento (m2 , índice de refracción más bajo) porque el ángulo de la luz es siempre mayor que el ángulo crítico.

El revestimiento no absorbe ninguna luz de la base, la onda ligera puede viajar las grandes distancias. Sin embargo, algo de la señal ligera se degrada dentro de la fibra, sobre todo debido a las impurezas en el cristal. El grado que la señal degrada depende de la pureza del cristal y de la longitud de onda de la luz transmitida.

CONCLUSION

Se puede concentrar una definición de Fibra óptica, de la siguiente forma: material transparente con un índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté curvada.

Se puede decir que la fibra óptica constituye una etapa en la electrónica moderna muy importante, tal como lo fueron las piedras en la edad de mismo nombre, pues constituye la piedra angular del desarrollo tecnológico contemporáneo. La fibra óptica no solo ha permitido profundizar en las interconexiones de escala, sino ha permitido llegar a desarrollos inimaginables hace un par de décadas, tales como la endoscopia utilizada en la cirugía cardiovascular, que consiste en la exploración en tiempo real de los vasos sanguíneos con la ayuda de una cámara.

En el futuro las fibras ópticas estarán mucho más cerca de lo que están hoy, si hoy existen fibras ópticas hasta las centrales telefónicas zonas con muchos edificios, en unos años ninguna casa o edificio dejará de tener su cable óptico y posiblemente sólo habrá que conectarla directamente a la computadora y la televisión para disfrutar de todas sus ventajas.

Así pues, las fibras ópticas son y serán por mucho tiempo más el medio mas rápido y eficiente de las comunicaciones, hasta que se invente un nuevo sistema que pueda llegar a superar todas las bondades de las fibras.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

CRAIG C, Freudenrich. HOW FIBER OPTICS WORK. http://www.howstuffworks.com/fiber-optic.htm

GLOSSARY OF TELECOMMUNICATIONS TERMS

http://www.its.bldrdoc.gov/fs-1037/dir-007/_0975.htm

LA FIBRA OPTICA..

http://usuarios.lycos.es/Fibra_Optica/

LÓPEZ, Gonzalo Esteban. FIBRA OPTICA ¿QUÉ ES?.

http://www.arturosoria.com/fisica/art/fibra.asp

¿QUE ES LA FIBRA ÓPTICA?

http://www.geocities.com/cruzcruzjl/fibraoptica.html

Daniel Leopoldo González Clarembaux

Universidad Simón Bolívar

Departamento de Electrónica y Circuitos

Circuitos Electrónicos Conmutados

EC-2171