Fibra óptica
La fibra óptica es una fibra flexible que transmite luz entre dos puntas de una fibra y que permiten la transmisión en distancias y ancho de banda (velocidad de datos) más grandes que los cables eléctricos
Es uno de los medios de transmisión guiados más habitualmente utilizado (sobre todo en los últimos tiempos) para la transmisión de datos a alta velocidad o para largas distancias
Su baja atenuación y su inmunidad a las interferencias electromagnéticas (transmite impulsos ópticos y no eléctricos) lo hace ideal para la transmisión de datos en entornos de operadores y grandes empresas
Aunque inicialmente su coste era mayor, ya es plenamente competitivo con otros medios de transmisión (cables coaxial y par trenzado) ya que además es un cable ligero y de fácil instalación
El sistema de transmisión óptico
La fibra óptica es un cable formado por uno o más hilos de fibra de vidrio por la cual viaja un haz de luz
La fibra óptica está basada en el principio de la transmisión óptica
Este principio se fundamenta en confinar una señal de luz dentro un hilo conductor de vidrio (núcleo) utilizando para ello una capa exterior que refleja la luz transmitida haciendo que ésta permanezca confinada dentro del núcleo
La Ley de Snell relaciona los ángulos de refracción de la luz en un cambio de medio con los índices de refracción de cada medio, mediante la siguiente fórmula:
n_1\cdot \sin\left( \phi_1 \right) = n_2\cdot \sin\left( \phi_2 \right)Siendo n_1 y n_2 los índices de refracción de los medios de transmisión: núcleo y cubierta respectivamente
Durante el proceso de fabricación de la fibra, éstas son recubiertas con una protección de 250 \mu m, que cubre el conjunto de núcleo y cubierta
Esta protección garantiza una indeformabilidad y dureza mínima para su uso en sistemas de transmisiones
Sobre esta protección se aplica además un recubrimiento que puede ser dos tipos:
-
Fibras de tubos sueltos
se utiliza sobre todo para instalaciones de exterior, ya que el cable se expone a cambios de temperatura donde el recubrimiento permite cierta holgura en el caso de dilatación
-
Fibra de recubrimiento ajustado
se utiliza en entorno de interiores y queda totalmente recubierta por una protección plástica de 900 \mu m
Siendo más sensible a los cambios de temperatura al no permitir la dilatación de sus componentes sin que afecte a sus propiedades de transmisión
Características constructivas
Está una compuesta por uno o más hilos de vidrio formando una estructura con el siguiente formato:
- Un núcleo central de fibra (hilo de vidrio) con un alto índice de refracción
- Una cubierta que recubre el núcleo de material similar pero con un índice de refracción menor
- Una envoltura que aísla las fibras y evita que se produzcan interferencias entre ellas además de dar protección al núcleo
La información debe ser convertida en haces de luces (mediante dispositivos emisores tipo Led o Láser y receptores ópticos en sus extremos)
Uno de los parámetros básicos en la fibra óptica es la relación o ratio existente entre los índices de refracción de núcleo y cubierta, dando lugar a dos tipos de fibra:
-
Monomodo
la relación de los índices de refracción de núcleo y cubierta sólo permiten la transmisión de un único modo de transmisión
De ahí su nombre de monomodo. Un modo se puede interpretar como un único canal de transmisión
Se consigue un alto rendimiento al no haber interferencias intermodales alcanzándose grandes ancho de banda de alrededor de 50 y 100 Ghz
-
Multimodo
la relación de los índices de refracción de núcleo y cubierta permiten la transmisión de varios modos de transmisión
De ahí su nombre de multimodo
La propagación de varios modos de transmisión hace que aparezca dispersión intermodal que se traduce en un peor rendimiento de la transmisión y como consecuencia en menor velocidad de transmisión que alcanza el 1 Ghz
Dentro de las fibras multimodo existe de dos tipos:
- salto de índice
- índice gradual
Características de transmisión
La fibra presenta una serie de características que la hacen ideal para la transmisión de datos a altas velocidades
Estas características principalmente son:
- Gran ancho de banda (alrededor de los 50 y 100 Gps) para voz, datos, vídeo, etc
- Muy baja atenuación con la distancia (0.1 dB/km), ideal para largas distancias
- Baja tasa de error, BER < 10-11 por lo que la velocidad de transferencia que se puede obtener es muy alta
- Inmune a las interferencias electromagnéticas, ya que transmite haces de luz y no impulsos eléctricos
- Resistente a la corrosión y buen comportamiento a la temperatura
Estas propiedades son comunes a los diferentes tipos de fibra existente (monomodo y multimodo) aunque como ya se ha comentado anteriormente, en el caso de monomodo el ancho de banda que se alcanza es mayor que en multimodo
Aplicaciones: Utilización de frecuencias
La fibra óptica presenta una serie de formatos comerciales donde cada uno de ellos tiene unas características singulares que los hacen apropiados para una aplicación u otra
Estos formatos comerciales son las siguientes:
| Tipo de fibra óptica | Denominación comercial | Diámetro núcleo/cubierta | Distancia máxima Aplicaciones Gbps |
|---|---|---|---|
| Multimodo | |||
| OM1 | 65,5 / 125 \mu m | 32 m | |
| OM2 | 50 / 125 \mu m | 85 m | |
| OM3 | 50 / 125 \mu m | 300 m | |
| OM4 | 50 / 125 \mu m | 550 m | |
| Monomodo | |||
| OS1 | 50 / 125 \mu m | 2 km | |
| OS2 | 50 / 125 \mu m | 10 km |
En la práctica, los formatos normalizados OM1 y OM2 están en desuso por lo que sólo se utilizan los formatos OM3 y OM4 para la gran mayoría de instalaciones
Los formatos OS1 y OS2 se utilizan para largas distancias
Tipos de empalmes: Ventajas e inconvenientes
Se emplean diferentes tipos de empalmes, más comunes son:
-
FC
empleado para fibras de largo alcance
-
FDDI
empleado para conexiones de medio y largo alcance
-
LC
es el más adecuado para transmisión de datos a altas velocidades
-
SC
es el más utilizado para transmisión de datos de gama media
-
ST
ampliamente utilizado para sistemas de seguridad
De entre todos ellos los formatos SC y LC son los más ampliamente estandarizados
Para transmitir señales luminosas a través de fibras ópticas se requiere en su inicio un elemento emisor que convierta las señales eléctricas en ópticas (E/O) y otro en su final que convierta las señales ópticas en eléctricas nuevamente (O/E)
Los conversores electro-ópticos se fabrican con base en la combinación de los siguientes elementos: el Indio (In), Gálio (Ga), el Germanio (Ge), el Silicio (Si), el Arsénico (As), el Fósforo (P), que han demostrado ser los más aptos para la fabricación de estos dispositivos
La tecnología de los semiconductores posibilitó construir emisores y detectores de luz de pequeñas dimensiones y bajo coste
Existen dos opciones de fuentes semiconductoras para ser utilizadas en fibras ópticas como emisores de luz:
-
Diodos LED
Es un diodo de material semiconductor que forma una unión P-N de las mismas características que un diodo convencional de germanio o silicio
La diferencia principal con los diodos convencionales radica en que ciertos materiales que se utilizan como dopadores en el LED son elegidos de tal manera que el proceso de recombinación electrónica sea radiactivo y se genere luz
En función del material usado en su fabricación se diodo LED emitirá luz visible u otro color
Debido a la gran dispersión de luz y a la distribución espectral tan amplia que presenta un diodo LED, es usado sólo cuando se requiere realizar transmisiones a distancias cortas y con poca salida de potencia
Son relativamente baratos y poseen un tiempo de vida útil muy largo (107 horas)
-
Diodo Láser
El LÁSER es básicamente un diodo semiconductor que cuando se polariza directamente emite una luz coherente, monocromática y muy estrecha en su ancho espectral, de 1 a 5 mm
Esta luz debido a su espectro tan estrecho, no se dispersa tanto como la luz producida por diodo LED, por lo que se puede emplear eficientemente para transmisiones a mucha distancia y a frecuencias muy superiores a los 300 Mhz
Es un dispositivo más caro que el diodo LED pero se emplea para transmisiones a largas distancias, aunque hoy día con su amplia difusión y por cuestiones de economía de escala su precio es ya competitivo con el diodo LED
Para la recepción de señales ópticas y su conversión a señales eléctricas se usan dispositivos receptores ópticos que pueden ser de dos tipos:
-
Fototransistores
Son receptores que poseen buena sensibilidad pero no son aptos para altas tasas de velocidad
-
Fotodiodos
Son diodos semiconductores pero polarizados inversamente con lo cual actúan como conversores ópticos a eléctricos
Son dispositivos de baja latencia, muy rápidos, alta sensibilidad y que lo hacen muy adecuados para transmisiones de alta velocida
Se clasifican a su vez en dos tipos:
- Fotodiodo pin
- Fotodiodo APD