LA FIBRA ÓPTICA

 


1-   INTRODUCCION.

Los sistemas clásicos de comunicación utilizan señales eléctricas soportadas por cable coaxial, radio, etc., según el tipo de aplicación. Estos sistemas presentan algunos inconvenientes que hacen necesario buscar otras vías para la transmisión de datos.

Los sistemas de comunicación por fibra óptica utilizan la energía luminosa como soporte. Presentan un conjunto importante de ventajas sobre otros soportes utilizados en la transmisión de señales analógicas y digitales. Entre ellas están:

 

-           Gran ancho de banda, lo que permite la transmisión de un gran volumen de información.

 

-           Atenuación baja. Permite realizar enlaces de mayor longitud sin necesidad de repetidores. La atenuación depende del tipo de fibra óptica y de la longitud de onda utilizada.

 

-           Inmunidad a interferencias electromagnéticas. La fibra óptica es absolutamente inmune a las radiointerferencias e impulsos electromagnéticos, presentando un menor índice de errores en la transmisión de señales digitales. Esto es de gran importancia en aplicaciones de control industrial donde se genera gran cantidad de ruido.

 

-           Seguridad y aislamiento eléctrico. En determinadas aplicaciones para ambientes peligrosos (ambientes explosivos o inflamables) o en electromedicina, las fibras ópticas son imprescindibles debido a la imposibilidad de producir descargas eléctricas o chispas.

 

-           Menor peso y volumen. Comparando las fibras ópticas y los cables coaxiales necesarios para obtener las mismas prestaciones, las primeras ocupan un volumen muy inferior y tienen menor peso.

 

-           Seguridad frente a posibles intervenciones de la línea. Aunque no es imposible ‘pinchar’ una fibra óptica, esto es más difícil que en otros soportes y normalmente se puede detectar la intervención.

 

La fibra óptica también presenta algunos inconvenientes que no hay que olvidar. Por ejemplo:

-           No hay una estandarización de los productos, lo que plantea problemas de compatibilidad.

 

-           Las técnicas de empalme son complejas y necesitan de equipos muy caros y personal muy cualificado.

-          La instalación de los conectores es compleja y requiere un personal con formación adecuada.

-          La fibra óptica puede se dañada. Al igual que el cable de cobre, la fibra óptica puede ser deteriorada por excavaciones, corrimiento de tierras, vandalismo y accidentes.

 

Conceptualmente, y en determinados aspectos, un sistema por fibra óptica es similar a un sistema de microondas vía radio. Las principales diferencias son la frecuencia y el medio de transmisión.

 

2.-   FUNDAMENTOS SOBRE FIBRA ÓPTICA.

Una fibra óptica consiste en un filamento transparente llamado núcleo, cuyo diámetro está entre 8 y 600 micras dependiendo del tipo de fibra óptica, y un revestimiento exterior, ambos de cuarzo o plástico, más una cubierta protectora de material plástico. La luz incidente en un extremo de la fibra se propaga por su interior, sufriendo múltiples reflexiones, y sale por el otro extremo como se indica en la figura.

A las ondas luminosas se las referencia por su longitud de onda, que está relacionada con la frecuencia mediante la expresión l = c / f donde l es la longitud de onda, c la velocidad de la luz y f es la frecuencia.

Debido a que la longitud de onda de las ondas electromagnéticas que se propagan (infrarrojo y visible) es muy pequeña, el estudio de la propagación en el interior de la fibra puede efectuarse con el modelo de rayos luminosos y leyes de la óptica geométrica.

 Según estas leyes, al incidir un rayo luminoso sobre una superficie de separación entre dos medios de distinto índice de refracción (núcleo y revestimiento en una fibra óptica), una parte del rayo se refleja y otra se refracta. Dependiendo de las constantes de refracción de los materiales, existe un ángulo máximo de incidencia de la luz sobre el extremo de la fibra para el cual toda la luz incidente se propaga. Este ángulo se llama ángulo de aceptación y su seno se conoce como apertura numérica (NA). Cualquier onda que entre con un ángulo mayor que el de aceptación escapará a través del revestimiento.

El concepto de apertura numérica se usa para describir la potencia colectora de luz de la fibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente / fibra. Está definido como:          

 

en donde amáx, representa el máximo ángulo de aceptación, nn y nr son los índices de refracción del núcleo y del revestimiento respectivamente.

Como ya hemos dicho, los dispositivos empleados en aplicaciones optoelectrónicas funcionan en la banda óptica del espectro electromagnético. La banda del espectro óptico se divide en:

 

-          Ultravioleta, con longitudes de onda entre 0,6 y 380 nm (nanómetros).

 

-          Espectro visible. Es la banda estrecha del espectro electromagnético formada por las longitudes de onda a las que es sensible el ojo humano. Corresponde al margen de longitudes de onda entre 350 y 750 nm.

 

-          Infrarrojo, con longitudes de onda entre 750 nm y 1 mm.

 

            Los sistemas de comunicación óptica utilizan la parte de la banda infrarroja más cercana al espectro visible. La selección de la longitud de onda se realiza teniendo en cuenta la disponibilidad de dispositivos adecuados (emisores, receptores, ..) y fibras ópticas con bajas pérdidas.

            La atenuación sufrida por una  señal luminosa (en función de la longitud de onda) en el interior de una fibra óptica corresponde a la gráfica adjunta.

Actualmente se trabaja en las tres bandas de frecuencia marcadas en la figura, y que se conocen con el nombre de ventanas:

 

- 1ª ventana: 850 nm

- 2ª ventana 1300 nm

- 3ª ventana 1550 nm

 

En algunas aplicaciones sencillas de control industrial se utilizan señales dentro del espectro visible, ya que si bien las fibras presentan mayor atenuación, el hecho de poder detectar posibles fallos por inspección visual es muy iitil para usuarios carentes de instrumentación.

 

2.1.-   Tipos de fibra óptica.

Dependiendo del tipo de propagación de la señal Luminosa en el interior de la fibra, estas se clasifican en los siguientes grupos:

 

2.1.1.-   Fibra multimodo de salto de índice.

El guiado de la señal luminosa está causado por la reflexión total en la superficie de separación entre el núcleo y el revestimiento. Señales incidentes con un ángulo cuyo seno sea inferior a la apertura numérica, provocan la aparición de multitud de modos (o dicho de forma más intuitiva, de multitud de rayos y ángulos de reflexión) propagándose por el interior de la fibra (Figura a). Esta es la razón del término multimodo para describir el tipo de fibra.

Este tipo de fibras son las más utilizadas en enlaces de distancias cortas, hasta 1 km, y su aplicación más importante está en las redes locales.

 

2.1.2.-   Fibra multimodo de índice gradual.

En este caso el cambio de índice de refracción en el interior de la fibra es gradual, lo que provoca una propagación ondulada del rayo de luz (figura b)

Estas fibras provocan menos modos de propagación que las de salto de índice y son las empleadas hasta 10 Km.

 

 

2.1.3.- Fibras monomodo.

Es el caso conceptualmente más simple, ya que se trata de una fibra de salto de índice pero de un diámetro del núcleo tan pequeño (inferior a 10 micras) que solo permite la propagación de un modo, el fundamental (Figura c). Este tipo de fibra el que permite obtener mayores prestaciones y se usa en enlaces de gran distancia. Estas fibras presentan, no obstante, algunas desventajas, como la mayor dificultad para inyectar la señal luminosa a la fibra ( apertura numérica típica de 0.1 > ángulo de incidencia de 120), mayor sensibilidad a errores mecánicos, malos tratos, empalmes defectuosos, etc.

 

           Generalmente se utilizan las fibras multimodo en la primera y segunda ventanas, y monomodo en la segunda y tercera ventanas.

 

 

2.2.- Emisores y detectores.

Los dispositivos utilizados como emisores y detectores de radiación luminosa en los sistemas de comunicaciones ópticas son el láser de semiconductores (diodo láser) y el LED (diodo electroluminiscente). Ningún otro tipo de fuente óptica puede modularse directamente a las altas velocidades de transmisión requeridas, con tan baja excitación y tan baja salida. En función del sistema, escogemos uno u otro. El láser ofrece mejor rendimiento en anchos de banda grandes y largos alcances. Para anchos de banda menores y cortas distancias se suele escoger el LED, pues tanto el circuito de ataque como el de control son más sencillos.

 

Los componentes utilizados para emitir luz en la ventana de los 850 nm, son galio (Ga), aluminio (Al) y arsénico (As); si agregamos indio (In) y fósforo (P) podemos emitir en las ventanas de los 1300 y 1500 nm.

 

 

2.2.1     Emisores.

LED

El proceso de generación de luz en un LED se basa en el efecto de ectroluminiscencia.

En un LED la luz se emite según los 3600 que corresponden a una radiación esférica, pero en la práctica, esto queda limitado por la construcción metálica del diodo, la reflexión en el material utilizado y la absorción en el metal semiconductor.

Un ancho de banda típico de un LED es de 200 MHz, con rendimientos de 50 mW/mA. Los LED presentan un espectro de emisión más ancho que los láser. Un LED de 850 nm. tiene un ancho entre 30 y 50 nm.

 

 

DIODO LÁSER

El proceso de generación de luz en un diodo láser es similar al del LED, pero con un volumen de generación menor y una alta concentración de portadores inyectados. Se consigue así una elevada ganancia óptica y un espectro de emisión muy estrecho que da lugar a luz coherente.

La luz de este tipo de láser puede acoplarse fácilmente va una fibra multimodo juntando simplemente a tope un extremo de la raya del láser contra el extremo del núcleo de la fibra, que tiene un diámetro mucho mayor. También puede acoplarse a una fibra monomodo.

 

2.2.2    Detectores

Básicamente el detector es un dispositivo que convierte fotones en electrones. Los fotodetectores utilizados en las comunicaciones ópticas son el fotoconductor, el diodo PIN y el fotodiodo de avalancha (APD). La mayor parte de sistemas instalados usan diodos PIN.

 

PIN

El fotodiodo PIN es el detector mas utilizada en los sistemas de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible con circuitos amplificadores de tensión. Además es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia.

El diodo PIN se compone básicamente de unas zonas p y n altamente conductoras junto a una zona intrínseca poco conductiva. Los fotones entran en la zona intrínseca generando pares electrón-hueco. El diodo se polariza inversamente para acelerar las cargas presentes en esta zona intrínseca, que se dirigen a los electrodos, donde aparecen como corriente. El proceso es rápido y eficiente. Como no hay mecanismo de ganancia, la máxima eficiencia es la unidad y el producto ganancia por ancho de banda coincide con ésta última.

 

APD

Los APD también son diodos polarizados en inversa, pero en este caso las tensiones inversas son elevadas, originando un fuerte campo eléctrico que acelera los portadores generados, de manera que estos colisionan con otros átomos del semiconductor y generan mas pares electrón-hueco. Esta ionización por impacto determina la ganancia de avalancha.

La ganancia de un APD tiene influencia sobre el ancho de banda. El máximo ancho de banda se da para ganancia 1. Con ganancias mas elevadas, el ancho de banda se reduce debido al tiempo necesario para que se forme la fotoavalancha.

 

3.-  ELEMENTOS EN UN SISTEMA DE FIBRA ÓPTICA.

Estos sistemas están compuestos por un transmisor, cuya misión es la de convertir la señal eléctrica en señal óptica susceptible de ser enviada a través de una fibra óptica. En el extremo opuesto de la fibra óptica se encuentra el receptor, cuya misión es la de convertir la señal óptica en señal eléctrica nuevamente.

El transmisor puede emplear un LED o un diodo láser como elemento de salida. A este elementos se los denomina conversores electro-ópticos (E/O).

El receptor consiste en un diodo PIN o un APD, que se acopla a la fibra óptica. Se le denomina convertidor opto-electrónico (O/E).

El tipo de modulación utilizado es el de amplitud, modulando la intensidad de luz

generada por el emisor. Las no linealidades de los emisores y receptores al convertir las señales eléctricas a ópticas y viceversa, así como las fuentes de ruido que se sobreponen a la señal en los sistemas típicos de fibra óptica hacen que este sistema sea especialmente apropiado para la transmisión de señales digitales, que corresponde a los estados de encendido-apagado del emisor. No obstante también es posible transmitir señales analógicas.

 

Otros tipos de modulación, como modulación en frecuencia y demás sistemas coherentes están en fase de desarrollo, debido a la dificultad de obtener señales luminosas espectralmente puras y que al mismo tiempo puedan ser moduladas en frecuencia.

 

La señal óptica que se propaga a través de la fibra óptica se degrada por la atenuación y restricción de la anchura de banda de la fibra, y entonces, es preciso regenerar la señal transmitida. El mejor método es tratar la señal en forma eléctrica. Por lo tanto, Los conversores E/O y O/E son componentes indispensables en un repetidor óptico. El amplificador e igualador de la señal eléctrica son similares a los de los sistemas de transmisión convencionales.

 

4.-TECNOLOGÍA.

            La alineación del núcleo de una fibra óptica con las zonas activas tanto del emisor como           del receptor, es un factor muy importante para maximizar la potencia acoplada. Lo mismo vale en el caso de una interconexión entre fibras. Los núcleos deben estar perfectamente alineados entre sí para minimizar las pérdidas. El pequeño diámetro de las fibras hace de este factor un elemento critico. Se habla de empalmes en el caso de una interconexión permanente, mientras que los conectores son conexiones temporales (desconectables). La mayor parte de la pérdidas en las interconexiones son debidas a desplazamientos laterales de los ejes de las fibras, mala terminación de los extremos, desalineamientos angulares y reflexiones.

 

En la técnica de empalme por fusión las fibras se juntan y se calientan hasta el punto de elasticidad, produciendo la fusión. Las pérdidas en un empalme mecánico son de unos 0.5 dB mientras que los empalmes por fusión tienen pérdidas de aproximadamente unos 0.2 dB.

La aplicación principal de Los conectores es la conexión de la fibra a un transmisor o a un receptor.

Los empalmes y conectores se usan para enlaces punto a punto. Cuando hay que distribuir luz entre varias fibras se usan los acopladores.

 

4.1.- Empalmes.

            Existen varias técnicas para los empalmes permanentes: las basadas en adhesivos y la fusión por gas o las de fusión por arco eléctrico. La más usada es la de fusión.

Para soldar dos fibras, hay que cortar las fibras para tener superficies planas y perpendiculares al eje. Entonces se colocan las fibras en un soporte en V y se alinean con microposicionadores. Cuando se tiene una buena alineación, se separan los extremos de las fibras y se hace saltar un arco eléctrico. Las fibras se acercan hasta completar el empalme.

 

Para fibras multimodo, más anchas y por tanto, con menos dificultades, el proceso está bastante automatizado. Las fibras preparadas se colocan en ranuras prealineadas y se empalman con el proceso antes descrito.

 

4.2.-    Conectores.

 

El acoplamiento óptico en la mayoría de los conectores se produce enfrentando las caras previamente preparadas de las fibras ópticas y manteniéndolas muy juntas. Las pérdidas en un conector se producen por varios factores: mala alineación (radial y angular), reflexión en las superficies aire-vidrio, separación entre las fibras (necesaria para que no se rayen entre si), variaciones del tamaño del núcleo, de la apertura numérica de la fibra, etc.

 

Para conectar fibras ópticas se suelen encerrar los dos extremos en vainas cilíndricas de los que solo sobresalen las caras planas de los extremos. Entonces las dos vainas se alinean en un taladro de precisión. Ver dibujo de la izquierda.

Hay que proteger bien las fibras de los esfuerzos mecánicos en el cable para evitar separaciones entre las superficies enfrentadas.

En el caso de fibras de pequeño núcleo, se dispone de conectores ajustables, que permiten una gran precisión en el alineamiento. Su desventaja es que necesitamos tener acceso a los dos extremos del cable del sistema para medir la potencia transmitida después de acoplar cada par de conectores.  Para    minimizar los efectos de la suciedad que entra en los conectores desenchufados, y que resulta muy difícil de limpiar, se usan los conectores de haz expandido. (Dibujo de la derecha). En éstos, fijamos una microlente convergente en cada fibra a unir, de forma que los extremos de la fibra coincidan con los focos de las lentes (Figura 6). De esta forma, el haz de luz se expande, minimizando los efectos de las particulas de suciedad y después vuelve a converger, formando una imagen de la fibra fuente en la fibra receptora, con idéntico tamafio. Además del efecto sobre la suciedad, esto hace posible aumentar la distancia entre las fibras, e incluso, poner una ventana plana de protección, fácilmente limpiable, delante de cada fibra para evitar la suciedad.

 

 

4.3.- Acopladores.

 

Cuando hay que distribuir la luz de una a varias fibras, se usa un acoplador. Este divide el foco luminoso en dos o más partes y las inyecta en las fibras correspondientes. Podemos hablar de dos familias de acopladores:

 

Acopladores en T y acopladores en estrella.

Los acopladores en T distribuyen la señal de una a dos fibras, mientras que los acopladores en estrella la distribuyen en varias fibras. Se plantean diversos problemas, debido a que se reduce la potencia óptica y de margen dinámico, pues la potencia necesaria para llegar a los destinos mas lejanos puede ser excesiva para los más cercanos (El dibujo de la izquierda representa un acoplador en T y el dibujo inferior, un acoplador en estrella).

 

 

Los acopladores en T provocan pérdidas que aumentan linealmente con el número de terminales, mientras que en un sistema con acopladores en estrella, las pérdidas son logarítmicas.

 

5.- APLICACIONES.

El campo de aplicación de las fibras ópticas es muy amplio y aumenta día a día. Algunas de las aplicaciones más importantes son:

 

Ø       Telecomunicaciones. En este apartado cabe incluir la red de enlaces y la red de abonado de las administraciones públicas de telefonía. Hay que destacar la importancia de las fibras ópticas en el contexto de

      la red digital de servicios integrados (RDSI).

Ø       Redes locales y comunicación entre ordenadores.

 

Ø       Aplicaciones militares. La seguridad (secreto) que ofrecen las comunicaciones por fibra óptica, hace que esta tecnología sea muy apetecible en aplicaciones militares.

 

Ø       Enlaces de televisión. Esta especialmente indicada la utilización de fibras ópticas en enlaces de televisión para aplicaciones de seguridad.

 

Ø       Electromedicina.

 

Ø       Otros. Por su ligereza y alta capacidad de transmisión de datos, son muy útiles cuando el peso es determinante, como por ejemplo en aviones y barcos.

 

 

Mientras que el precio del cable de cobre aumenta año a año, en los sistemas de fibra óptica la tendencia es a la inversa. Además la investigación en este campo es intensa y hay continuos progresos. Por eso es previsible que en el futuro la importancia de la fibra óptica en todos los campos sea creciente.

 

6.- PRÁCTICAS CON ENTRENADOR PARA FIBRA ÓPTICA.

6.1.- Proceso de trabajo.

1.-    Seleccionar la salida de 635 nm (diodo led rojo) y desde 0 mA ir aumentando hasta el máximo la intensidad luminosa.

A mayor intensidad de corriente, mayor intensidad luminosa.

2.-   Repetir la operación anterior, observando a partir de qué intensidades, el diodo tarda más o menos en aumentar la intensidad luminosa.

Desde el 0 mA hasta el 3 mA, la intensidad luminosa aumenta muy rápido, a partir de 3 mA hasta 30,9 mA la intensidad luminosa experimenta menos variación.

3.-   Inyectar una onda cuadrada de 5 Vpp a la entrada 1 con nivel óptico de 0 mA. Observar que ocurre.

Al inyectar la serial de 5 Vpp aumenta la intensidad luminosa del diodo. No se ve parpadear pues la frecuencia es muy alta y la imagen queda retenida en la retina del ojo.

4.-   Inyectar una señal de apróx. 1 Hz. Explicar que ocurre.

Ahora es posible ver parpadear el diodo, pues la frecuencia de entrada es lo suficientemente baja.

5.-   Anotar a que frecuencia el diodo deja de parpadear y se estabiliza.

Apróximadarnente a unos 35 Hz.

6.-   Inyectar a la entrada 1 una señal cuadrada de 1 KHz y 5 Vpp conectando el fotoemisor al fotorreceptor mediante la fibra (canal de 850 nm). Observar a la salida que obtenemos la misma señal que a la entrada. Utilizar otras longitudes de onda por ejemplo 565 nm y 585 nm.

7.-   Seleccionar el fotoemisor rojo y conectando la fibra óptica subir el nivel de señal

óptica  a 30 mA. Conectar esta fibra al fotorreceptor de 850 nm y anotar los dB. Los dB indican -53,5 dB.

 

8.-        Intercalar entre fotoemisor y fotorreceptor, el atenuador que simula un tendido de fibra óptica. Realizar las siguientes medidas:

 

- 0  vueltas   _____ dB.-         1 vuelta   _____  dB

- 5  vueltas   _____ dB -       10 vueltas _____  dB

- 15 vueltas  _____ dB -        25 vueltas _____ dB

 

9.-        Simular el empalme de fibra óptica con las dos fibras ya cortadas mirando los dB de los siguientes casos:

-           Haciendo el empalme lo mejor posible, hasta que su atenuación sea mínima:

-           Haciendo una separación como refleja la siguiente figura anterior.

 

 

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