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.