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Es más frecuente que la confianza sea generada por la ignorancia que por el conocimiento.

Charles Darwin(1809-1892).
Biólogo británico.
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Introducción a la fibra óptica

Historia:

La Historia de la comunicación por la fibra óptica es relativamente corta. En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este material.

Antes, en 1959, como derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin que los mensajes se transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura.

Sin embargo esta utilización del láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser. Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la comunicación.

Esta forma de usar la luz como portadora de información se puede explicar de la siguiente manera: Se trata en realidad de una onda electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, con la única diferencia que la longitud de las ondas es del orden de micrómetros en lugar de metros o centímetros.

Como portadora de información

En poco más de 10 años la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica.

Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos: El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia.

Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos. Tienen un gran ancho de banda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por canal; De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de cobre. Con un cable de seis fibras se puede transportar la señal de más de cinco mil canales o líneas principales, mientras que se requiere de 10,000 pares de cable de cobre convencional para brindar servicio a ese mismo número de usuarios, con la desventaja que este último medio ocupa un gran espacio en los ductos y requiere de grandes volúmenes de material, lo que también eleva los costos.

Comparado con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuación de sus señales (decremento o reducción de la onda o frecuencia) es de tal magnitud que requieren de repetidores cada dos kilómetros para regenerar la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo que también hace más económico y de fácil mantenimiento este material.

Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía, automatización industrial, computación, sistemas de televisión por cable y transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros.

Concepto de transmisión

En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida.

En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED'S (diodos emisores de luz) y láser.

Los diodos emisores de luz y los diodos láser son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas.

Definición

Un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción.

Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (clading) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (jacket) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica.

Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.

Cuando las compañías telefónicas reemplacen finalmente los cables de cobre de sus estaciones centrales e instalaciones domiciliarias con fibras ópticas, estarán disponibles de modo interactivo una amplia variedad de servicios de información para el consumidor, incluyendo la TV de alta definición.

Cada una de las fibras ópticas, puede transportar miles de conversaciones simultáneas de voz digitalizada.

Conceptos Básicos

Los censores de fibra óptica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar. Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los censores de fibra óptica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Ventajas de la fibra óptica

Capacidad de transmisión: La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.

  • Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.
  • Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.
  • Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.
  • Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.
  • La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

Un excelente medio para sus comunicaciones

En el último kilómetro es donde se presenta con mayor frecuencia problemas y daños en las comunicaciones de los clientes, pensando en esto empresas como la ETB crearon el proyecto de digitalización de la red de abonado en fibra óptica. La fibra es el soporte ideal por todas las ventajas que brinda, tales como:

  • Supresión de ruidos en las transmisiones.
  • Red redundante.
  • Conexión directa desde centrales hasta su empresa.
  • Alta confiabilidad y privacidad en sus comunicaciones telefónicas.
  • Posibilidad de daño casi nula.
  • Tiempos de respuesta mínimos en la reparación de daños.
  • Mayor número y rapidez en la solicitud y entrega de nuevos servicios.
  • Gran ancho de banda

También la fibra óptica es una plataforma para la prestación de otros servicios, como:

  • Transmisión de datos de Alta Velocidad
  • Enlaces E1 (2Mb/s) para conexión de PABX
  • La posibilidad en el futuro de conexión de nuevos servicios como multimedia o sistemas de televisión por cable.

Introducción a Costos

TOKIO, JAPÓN, 21 de enero de 1997 (NOTA) -- Fujitsu Ltd. ha ganado el contrato para proveer la sección de Asia-Pacífico del cable de fibra óptica submarina más larga del mundo. Un contrato de US$ 84 millones para que la compañía instale una extensión de 4.500 kilómetros del cable de Sea-Me-We 3 entre Singapur, Indonesia, y Australia.

Era parte de una serie de contratos firmados en Singapur recientemente para la instalación del sistema de cable por un consorcio de compañías internacionales de telecomunicaciones. El contrato de Fujitsu fue concedido por un consorcio formado por Singapur telecom, Indosat, y Telstra.

Se estima que el cable estará terminado antes del 31 de enero de 1999, cuando entrará en servicio. Como mínimo, tendrá una capacidad de transmisión de 20 Gb/s, que proveería servicio simultaneo a 240.000 circuitos telefónicos.

Dimensiones y Peso

Una de las características más notoria de la fibra óptica es su tamaño, que en la mayoría de los casos es de revestimiento 125 micras de diámetro, mientras el núcleo es aun más delgado. La cantidad de información transmitida es enorme, si se compara peso contra cantidad de datos transmitidos se puede observar por ejemplo, una comunicación telefónica que se realiza a través de cables tipo TAB, los cuales tienen un grosor de 8 cm. Transmite 2400 llamadas simultáneas; en comparación las fibras ópticas alcanzan las 30.720 llamadas simultáneas.

Atenuación

Es el factor que indica con que frecuencia deben colocarse los repetidores de la señal que se conduce o propaga por el medio, puede variar debido a un gran numero de factores tales como la humedad, las curvaturas que sufre el cable, etc... Otro de estos factores es el tipo de fibra utilizada, ya que el método de fabricación determina laatenuación mínima que existe en ella.

Distancia Umbral

Conforme la señal avanza por el medio va perdiendo fuerza hasta llegar al punto en que si desea transmitirse a mayor distancia debe colocarse un repetidor , un dispositivo que le vuelva a dar potencia para seguir avanzando. Un repetidor de fibra es aquel que toma una señal de luz, la convierte a señal eléctrica, la regenera y la coloca en un dispositivo de emisión de luz para que se siga propagando. Comparadas con el cobre, las fibras ópticas permiten que las distancias entre repetidores sean más grandes. Por ejemplo, en un enlace para dispositivos RS-232 la distancia máxima entre dos nodos es de 15.2 mts. transmitiendo a un a velocidad de 19200 Bps. , Una línea de fibra óptica puede transmitir a esa velocidad hasta una distancia de 2.5 Km. esto significa que la distancia lograda con la fibra es 164 veces mayor que la de su equivalente el cobre (en ese estándar).

Al igual que en la atenuación, la distancia máxima que puede alcanzarse esta muy relacionada con el tipo de fibra. En las versiones sencillas se logran distancias típicas de 2 Km entre el transmisor y en receptor, con fibras y equipos mas sofisticados las distancias pueden ir hasta los 2.5 Kms sin repetidor. Aplicaciones de laboratorio han permitido alcanzar distancias de 111 Kms a 5 Gbps sin la necesidad de los repetidores.

Cables ópticos

Para poder utilizar fibras ópticas en forma practica, estas deben ser protegidas contra esfuerzos mecánicos, humedad y otros factores que afecten su desempeño. Para ello se les proporciona una estructura protectora, formando así, lo que conocemos como cable óptico. Dicha estructura de cables ópticos variará dependiendo de sí el cable será instalado en ductos subterráneos, enterrando directamente, suspendido en postes, sumergido en agua etc.

El propósito básico de la construcción del cable de fibra óptica es el mismo; Mantener estables la transmisión y las propiedades de rigidez mecánica durante el proceso de manufactura, instalación y operación. Las propiedades esenciales en el diseño del cable son la flexibilidad, identificación de fibras, peso, torsión, vibración, límite de tensión, facilidad de pelado, facilidad de cortado, facilidad de alineación del cable y la fibra, resistencia al fuego, atenuación estable, etc. Los parámetros para formar un cable especial son:

  • Esfuerzo máximo permitido en la fibra durante su fabricación, instalación y servicio; determina la fuerza mínima de ruptura de la fibra y la fuerza requerida para el miembro de tensión.
  • Fuerza lateral dinámica y estática máxima ejercida sobre la fibra, para determinar la configuración del cable y el límite de tolerancia de micro curvaturas.
  • Flexibilidad
  • Rango de temperatura y medio ambiente en donde el cable va a operar, paralela elección del tipo de materiales a utilizar tomando en cuenta su coeficiente de expansión térmica y su cambio de dimensiones en presencia de agua.

Para cumplir estos requerimientos se observan las siguientes recomendaciones:

  • Evitar cargas o esfuerzos mecánicos sobre las fibras.
  • Aislar la fibra de los demás componentes del cable.
  • Mantener las fibras cerca del eje central y proporcionar espacio a las fibras para su mantenimiento.
  • Escoger los materiales de los elementos del cable con mínimas diferencias en sus coeficientes de expansión térmica.

Parámetros de una fibra óptica

Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión que establecen las condiciones en las que se puede realizar la transmisión de información.

Entre los parámetros estructurales se encuentra:

  • El perfil de índice de refracción.
  • El diámetro del núcleo.
  • La apertura numérica.
  • Longitud de onda de corte.

En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:

  • Atenuación.
  • Ancho de banda.
  • Inmunidad a las Interferencias:

El uso de medios transparentes para la propagación de ondas electromagnéticas en forma de luz hace que la fibra óptica no necesite voltajes ni de corrientes, esto lo convierte en un medio de comunicación 100% inmune a todo tipo de interferencias electromagnéticas a su alrededor y, por lo tanto, es un medio de comunicación altamente confiable y seguro.

Este es uno de los principales factores que motivaron su uso militar ya que para poder obtener información de ella hay que provocarle un daño, daño que podría detectarse fácilmente con equipo especializado. Esto no sucede con el cobre, donde basta con dejar el conductor al descubierto.

El hecho de no necesitar corrientes ni voltaje hace que la fibra óptica sea idónea para aplicaciones en donde se requiere de una probabilidad nula de provocar chispas, como el caso de pozos petroleros y las industrias químicas, en donde existe la necesidad de transportar la información a través de medios explosivos.

Micro curvatura

Fuerzas laterales localizadas a lo largo de la fibra dan origen a lo que se conoce como micro curvaturas. El fenómeno puede ser provocado por esfuerzos durante la manufactura e instalación y también por variaciones dimensionales de los materiales del cable debidos a cambios de temperatura. La sensibilidad a las micro curvaturas es función de la diferencia del índice de refracción, así como también de los diámetros del núcleo y del revestimiento. Es evidente que las micro curvaturas incrementan las perdidas ópticas.

Curvado

El curvado de una fibra óptica es causado en la manufactura del cable, así como también por dobleces durante la instalación y variación en los materiales del cable debidos a cambio de temperatura. Los esfuerzos que provoca la torcedura de las fibras son básicamente una fuerza transversal y un esfuerzo longitudinal. El esfuerzo longitudinal no provoca torcedura cuando trabaja para alargar la fibra, no hay cambio en las perdidas ópticas. Sin embargo, cuando trabaja para contraer a la fibra, este esfuerzo provoca que la fibra forme bucles y se curve, de tal manera que la perdida óptica se incrementa. Por lo tanto, al evaluar los diseños de los cables se debe poner especial atención en:

  • La carga transversal trabajando en la fibra durante el cableado, instalación y utilización.
  • El esfuerzo de contracción que ocurre a bajas temperaturas debido al encogimiento de los elementos del cable.
Dadas las razones anteriores, el eje de la fibra puede curvarse severamente causando grandes incrementos en las perdidas ópticas. Para prevenir esta situación se toma en cuenta las siguientes consideraciones:
  • Mantener un radio de curvatura determinada, seleccionando el radio y la longitud del cableado.
  • Reducir variaciones técnicas de las fibras protegidas con pequeños coeficientes de expansión térmica disponiéndolas alrededor de un elemento con buenas propiedades térmicas.

Fibra óptica

Descripción Física:

Es un medio fino (entre 2 y125µm), transporta rayos de luz. El material con el que esta construido puede ser de plástico, vidrio o silicio. Existen dos tipos: monomodo y multimodo.

Tecnología:

El espectro de la frecuencia electromagnética total se extiende de las frecuencias subsónicas a los rayos cósmicos; El espectro de frecuencia de luz se puede dividir en tres zonas generales:

  • Infrarroja
  • Visible
  • Ultravioleta

Sistemas de comunicación de fibra óptica...

Los bloques principales de un enlace de comunicaciones de fibra óptica son:

  • Transmisor
  • Receptor
  • Guía de fibra

El transmisor consiste de una interfase analógica o digital, un conversor de voltaje a corriente, una fuente de luz y un adaptador de fuente de luz a fibra.

La guía de fibra es un vidrio ultra puro o un cable plástico.

El receptor incluye un dispositivo conector, un foto detector, un conversor de corriente a voltaje un amplificador de voltaje y una interfase analógica o digital.

En un transmisor de fibra óptica la fuente de luz se puede modular por una señal análoga o digital. Acoplando impedancias y limitando la amplitud de la señal o en pulsos digitales. El conversor de voltaje a corriente sirve como interface eléctrica entre los circuitos de entrada y la fuente de luz. La fuente de luz puede ser un diodo emisor de luz LED o un diodo de inyección láser ILD, la cantidad de luz emitida es proporcional a la corriente de excitación, por lo tanto el conversor voltaje a corriente convierte el voltaje de la señal de entrada en una corriente que se usa para dirigir la fuente de luz. La conexión de esa fuente a la fibra es una interface mecánica cuya función es acoplar la fuente de luz al cable.

La fibra óptica consiste de un núcleo de fibra de vidrio o plástico, una cubierta y una capa protectora. El dispositivo de acoplamiento del receptor también es un acoplador mecánico. El detector de luz generalmente es un diodo PIN o un APD (fotodiodo de avalancha). Ambos convierten la energía de luz en corriente. En consecuencia, se requiere un conversor corriente a voltaje que transforme los cambios en la corriente del detector a cambios de voltaje en la señal de salida.

Tipos básicos de fibras ópticas:

  • Multimodales
  • Multimodales con índice graduado
  • Monomodales

Fibra multimodal: En este tipo de fibra viajan varios rayos ópticos reflejándose a diferentes ángulos como se muestra en la figura.

Los diferentes rayos ópticos recorren diferentes distancias y se desfasan al viajar dentro de la fibra. Por esta razón, la distancia a la que se puede trasmitir esta limitada.

Fibra multimodal con índice graduado: En este tipo de fibra óptica el núcleo esta hecho de varias capas concéntricas de material óptico con diferentes índices de refracción. La propagación de los rayos en este coso siguen un patrón similar mostrado en la figura.

En estas fibras él numero de rayos ópticos diferentes que viajan es menor y, por lo tanto, sufren menos el severo problema de las multimodales. Fibra monomodal: Esta fibra óptica es la de menor diámetro y solamente permite viajar al rayo óptico central. No sufre del efecto de las otras dos pero es mas difícil de construir y manipular. Es también mas costosa pero permite distancias de transmisión mayores.

La fibra óptica ha venido a revolucionar la comunicación de datos ya que tiene las siguientes ventajas:

  • Gran ancho de banda (alrededor de 14Hz)
  • Muy pequeña y ligera
  • Muy baja atenuación
  • Inmunidad al ruido electromagnético

Para transmitir señales por fibra óptica se utiliza modulación de amplitud sobre un rayo óptico, la ausencia de señal indica un cero y la presencia un uno. La transmisión de fibra óptica es unidireccional. Actualmente se utilizan velocidades de transmisión de 50, 100 y 200 Mbps, pero experimentalmente se han transmitido hasta Gbps sobre una distancia de 110 Kms.

Construcción... Núcleo, cubierta, tubo protector, búferes, miembros de fuerza, y una o más capas protectoras. Las principales variantes son:

1. Tubo suelto. Cada fibra está envuelta en un tubo protector.

2. Fibra óptica restringida. Rodeando al cable hay un búfer primario y uno secundario que proporcionan a la fibra protección de las influencias mecánicas externas que ocasionarían rompimiento o atenuación excesiva.

3. Hilos múltiples: Para aumentar la tensión, hay un miembro central de acero y una envoltura con cinta de Mylar.

4. Listón: Empleada en los sistemas telefónicos Tiene varios miembros de fuerza que le dan resistencia mecánica y dos capas de recubrimiento protector térmico.

En la foto de abajo se observa un cable de fibra óptica.

Patchcord simple CPS...

Se usa para fabricar latiguillos o para interconectar equipos de audio, vídeo, datos así como instrumentación y control.

Descripción y aplicaciones

  • Cable de Interconexión Simple: CPS
  • Se utilizan para la confección de cordones y latiguillos así como para la interconexión de equipos terminales.
Construcción:
  • Fibra óptica
  • Recubrimiento ajustado
  • Refuerzos de aramida
  • Cubierta HFLSFR
Ventajas:
  • Multimodo o Monomodo.
  • Compacto y ligero.
  • Conectorización directa.
  • Flexible y resistente.
  • Antihumedad.
  • Excelente resistencia mecánica.
  • Muy fácil de pelar, libre de gel.
  • No propagador de la llama, baja emisión de humos y libre de halógenos (HFLSFR).
  • Totalmente dieléctrico

Opciones:

  • PVC-FR Flexible
  • Poliuretano FR

Datos técnicos:

Diámetro (mm)3.0
Peso (Kg / Km)10
Tensión máxima en instalación (Kg)50
Tensión máxima permanente (Kg)30
Radio de Curvatura (cm2)3

En Conclusión...

La fibra óptica ofrece la transmisión de datos a alta velocidad, en tiempo real o no, entre un número de ruteadores y estaciones separadas en distancias considerables. La fibra óptica sirve también como red de conexión entre las estaciones que estén funcionando previamente.

La fibra óptica se ha sabido adaptar a las características de entornos en los que resulta muy deseable disponer de ella, pero su elevado costo inicial pareciera prohibir este medio eficaz de comunicación. Esto hace de la fibra óptica una alternativa muy interesante sin embargo la irrupción de las telecomunicaciones han echo que a la fibra óptica se la considere "la hermana pequeña" de las redes de la comunicación.

Sin embargo la fibra óptica es también un arma muy eficaz y peligrosa si es utilizada para fines bélicos. Pero aún así la fibra óptica representa una nueva corriente tecnológica muy eficaz para el desarrollo de las comunicaciones . . .

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