Fibra Óptica

¡La Luz! ¿Un retorno a nuestros orígenes?

Nuestros antepasados utilizaron la Luz como medio de comunicación. Señales de humo, banderas, semáforos, señales ópticas codificadas mecánicamente.

Siempre la humanidad ha utilizado la Luz como medio de transmisión, son nuestros sentidos los decodificadores

Pero, ahora, la Luz aparece como muy sofisticada y compleja, aunque, es un medio que activa nuestros sentidos, es natural y muy cercana a nuestro ser. ¿Podemos decir que estamos viviendo con las comunicaciones ópticas, un retorno a nuestras raíces ancestrales?. La Luz, nuestra Vida, también es Telecomunicaciones, pues, retornamos para encontrarnos, con la maravilla física que nos envuelve, con la Luz y con la Óptica.

La Fibra Óptica es el canal Banda Ancha mas importante en la actualidad , con aplicaciones en cables submarinos. Las comunicaciones transoceánicas aprovechan la enorme versatilidad de este medio de transmisión guiado.



La Fibra Óptica es el canal de transmisión banda ancha mas importante para las comunicaciones de larga distancia . . . .

   
    El desarrollo de las telecomunicaciones de las últimas décadas ha llevado al usuario común a manejar una cantidad de información, impensable hace varias décadas atrás. El procesamiento de datos por parte de la industria, el comercio, medios, centros de investigación, Universidades y en todas las áreas de la ciencia sin excepción es inmensurable. Esta enorme demanda de transmisión ha creado la necesidad de canales de comunicación para grandes velocidades y anchos de bandas gigantescos. La fibra óptica viene a llenar este clamor general por satisfacer estas característica del canal de transmisión de hoy y del futuro.

¿Que es La Fibra Óptica?


Principio Físico

El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.

Aplicaciones

La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa. La transmisión de imágenes se utiliza mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para efectuar cirugía con láser, en sistemas de reproducción mediante facsímil y fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras aplicaciones.

Las fibras ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van desde termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi no tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación, además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso. También se han desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales.

La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.

Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de nuevos componentes electro ópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra óptica.

Origen y Evolución

Los primeros cables submarinos que sirvieron para la comunicación entre continentes fueron los cables telegráficos, instalados en los tiempos de la guerra de Secesión. Les han sucedido los cables coaxiales, para realizar conversaciones telefónicas. El primer cable coaxial que unió los dos lados del Atlántico, tendido en 1955, correspondía a 48 líneas telefónicas. ¡Cuánto camino se ha recorrido desde entonces gracias a las fibras ópticas! Un solo par de estos largos y delgados cabellos de vidrio, que vehiculan la información en forma de impulsos de luz, transmite simultáneamente cerca de 500.000 comunicaciones telefónicas de un continente a otro, es decir a una distancia de 6.000 a 10.000 km.

La idea de fabricar fibras de vidrio de sílice suficientemente puro para transportar la luz a grandes distancias se ha ido abriendo camino desde finales de los años 60. El fundamento: la luz enviada por el interior de la fibra se refleja en sus paredes, lo que tiene como consecuencia guiar el haz luminoso a lo largo de la fibra, incluso cuando ésta está curvada; sin embargo, no fue hasta mediados de los años setenta que se publicaron los resultados del trabajo teórico. Estos indicaban que era posible confiar un haz luminoso en una fibra transparente flexible y proveer así un análogo óptico de la señalización por alambres electrónicamente.

El problema técnico que se había de resolver para el avance de la fibra óptica, residía en las fibras mismas, que absorbían luz que dificultaba el proceso. para la comunicación práctica, la fibra óptica debe transmitir señales luminosas detestables por muchos kilómetros. El vidrio ordinario tiene un haz luminoso de pocos metros. Se han desarrollado nuevos vidrios muy puros con transparencias mucho mayores que la del vidrio ordinario.

La concretización de esta idea requirió tiempo: han sido necesarias sucesivas innovaciones tecnológicas relativas tanto al soporte material -las fibras ópticas- como a la manera de enviar y hacer circular la información por ellas. También se han tenido que desarrollar focos láser en miniatura (los diodos láser) y dispositivos de recepción (fotodiodos), así como la electrónica numérica de los circuitos integrados. Por todo ello, la regla general durante mucho tiempo para las comunicaciones a larga distancia fueron los enlaces de radio por satélite, que no cedieron el paso a los cables ópticos hasta el final de los años ochenta. Pero, en la actualidad, la mayor parte de las comunicaciones intercontinentales se realizan a través de cables ópticos submarinos que, depositados en el fondo de los océanos, tejen una verdadera red alrededor del planeta. De este modo, las fibras ópticas han sustituido completamente a los cables coaxiales. Y, para el usuario, un signo tangible de esta mutación a las fibras ópticas en las comunicaciones telefónicas intercontinentales fue la desaparición en 1988 del tiempo muerto de 0,4 segundos, debido al enlace vía satélite.

Características de la fibra

Características Técnicas

La fibra es un medio de transmisión de información analógica o digital. Las ondas electromagnéticas viajan en el espacio a la velocidad de la luz.

Básicamente, la fibra óptica está compuesta por una región cilíndrica, por la cual se efectúa la propagación, denominada núcleo y de una zona externa al núcleo y coaxial con él, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo de propagación, y que se denomina envoltura o revestimiento. La capacidad de transmisión de información que tiene una fibra óptica depende de tres características fundamentales:


a) Del diseño geométrico de la fibra.

b) De las propiedades de los materiales empleados en su elaboración. (diseño óptico)

c) De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada.

Cuanto mayor sea esta anchura, menor será la capacidad de transmisión de información de esa fibra.


Presenta dimensiones más reducidas que los medios preexistentes. Un cable de 10 fibras tiene un diámetro aproximado de 8 o 10 mm. y proporciona la misma o más información que un coaxial de 10 tubos.


El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos, redundando en su facilidad de instalación. El sílice tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura,pues funde a 600C. La F.O. presenta un funcionamiento uniforme desde -550 C a +125C sin degradación de sus características.

¿De que esta hecha?

La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre. con unos kilogramos de vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilómetros de fibra óptica. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son el núcleo y el revestimiento. el núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz.

Consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico con diámetro de 50 a 125 micras. el revestimiento es la parte que rodea y protege al núcleo.

El conjunto de núcleo y revestimiento está a su vez rodeado por un forro o funda de plástico u otros materiales que lo resguardan contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno.

Características mecánicas

La F.O. como elemento resistente dispuesto en el interior de un cable formado por agregación de varias de ellas, no tiene características adecuadas de tracción que permitan su utilización directa. Por otra parte, en la mayoría de los casos las instalaciones se encuentran a la intemperie o en ambientes agresivos que pueden afectar al núcleo.

La investigación sobre componentes optoelectrónicos y fibras ópticas han traído consigo un sensible aumento de la calidad de funcionamiento de los sistemas. Es necesario disponer de cubiertas y protecciones de calidad capaces de proteger a la fibra. Para alcanzar tal objetivo hay que tener en cuenta su sensibilidad a la curvatura y microcurvatura, la resistencia mecánica y las características de envejecimiento. Las microcurvaturas y tensiones se determinan por medio de los ensayos de:

Tensión: cuando se estira o contrae el cable se pueden causar fuerzas que rebasen el porcentaje de elasticidad de la fibra óptica y se rompa o formen microcurvaturas.

Compresión: es el esfuerzo transversal.

Impacto: se debe principalmente a las protecciones del cable óptico

Enrollamiento:existe siempre un límite para el ángulo de curvatura pero, la existencia del forro impide que se sobrepase.

Torsión: es el esfuerzo lateral y de tracción.

Limitaciones Térmicas

Estas limitaciones difieren en alto grado según se trate de fibras realizadas a partir del vidrio o a partir de materiales sintéticos. Otro objetivo es minimizar las pérdidas adicionales por cableado y las variaciones de la atenuación con la temperatura. Tales diferencias se deben a diseños calculados a veces para mejorar otras propiedades, como la resistencia mecánica, la calidad de empalme, el coeficiente de relleno (número de fibras por mm2) o el costo de producción.

Fabricación de la fibra de vidrio

Las imágenes aquí muestran como se fabrica la fibra monomodo.

La primera etapa consiste en el ensamblado de un tubo y de una barra de vidrio cilíndrico montados concéntricamente. Se calienta el todo para asegurar la homogeneidad de la barra de vidrio.

Una barra de vidrio de una longitud de 1 m y de un diámetro de 10 cm permite obtener por estiramiento una fibra monomodo de una longitud de alrededor de 150 km!.

La barra así obtenida será instalada verticalmente en una torre situada en el primer piso y calentada por las rampas a gas. El vidrio se va a estirar y "colar" en dirección de la raiz para ser enrollado sobre una bobina.

Se mide el espesor de la fibra (~10um) para dominar la velocidad del motor del enrollador, a fin de asegurar un diámetro constante. Cada bobina de fibra hace el objeto de un control de calidad efectuado al microscopio.


Otras Características físicas

En estos últimos la Fibra Optica esta evolucionando bastante, y ha dado origen a fibras con nuevas caracteristicas:

Coberturas mas resistentes:

La cubierta especial es extruida a alta presión directamente sobre el mismo núcleo del cable, resultando en que la superficie interna de la cubierta del cable tenga arista helicoidales que se aseguran con los subcables. La cubierta contiene 25% mas material que las cubiertas convencionales


Uso Dual (interior y exterior) La resistencia al agua, hongos y emisiones ultra violeta; la cubierta resistente; buffer de 900 µ; fibras ópticas probadas bajo 100 kpsi; y funcionamiento ambiental extendida; contribuyen a una mayor confiabilidad durante el tiempo de vida.



Mayor proteccion en lugares humedos. En cables de tubo holgado rellenos de gel,el gel dentro de la cubierta se asienta dejando canales que permitan que el agua migre hacia los puntos de  terminación. El agua puede acumularse en pequeñas piscinas en los vacíos, y cuando la delicada fibra óptica es expuesta, la vida útil es recortada por los efectos dañinos del agua en contacto. combaten la intrusión de humedad con múltiples capas de protección alrededor de la fibra óptica. El resultado es una mayor vida útil, mayor confiabilidad especialmente ambientes húmedos


Protección anti-inflamableLos nuevos avances en proteccion anti-inflamable hace que disminuya el riesgo que suponen las instalaciones antiguas de Fibra Optica que contenian  cubiertas de material inflamable y  relleno de gel que también es inflamable

Estos materiales no pueden cumplir con los requerimientos de las normas de instalación, presentan un riesgo adicional, y pueden ademas crear un reto costoso y difícil en la restauración después de un inciendo.Con los nuevos avances en este campo y en el diseño de estos cables se eliminan estos riesgos y se cumple con las normas de instalación.


Los tres tipos de fibra óptica

Fibra a salto de indice (multimodo) constituida de un corazón y de una faja óptica en vidrio de diferentes índices de refracción. Esta fibra provoca de parte de la importante sección del corazón, una dispersión grande de las señales que la atraviesan, es lo que genera una deformación de la señal recibida.

Fibra a gradiente de indice (multimodo) cuyo corazón está constituido de lechos de vidrio sucesivos teniendo un índice de refracción próximo. Se aproxima así a una igualación de los tiempos de propagación, lo que quiere decir que se ha reducido la dispersion nodal. Banda pasante típica 200-1500Mhz por km. Es este tipo de fibra es utilizada en el interior de los edificios de la Universidad (62.5/125) y entre ciertos sitios comunicados por los PTT (50/125). Fibra monomodo cuyo corazón es tan fino que el camino de propagación de los diferentes modos es prácticamente directo. La dispersión nodal se hace casi nula.La banda pasante transmitida es casi infinita (> 10Ghz/km). Esta fibra es utilizada esencialmente para los sitios a distancia.

El pequeño diámetro del corazón (10um) necesita una potencia grande de emisión, por eso los diodos a laser que son relativemente honerosos.


Propagación de la luz en los tres tipos de fibras


La atenuación es constante a aquella que es la frecuencia Solo la dispersión luminosa limita la longitud de la banda pasante.


Constitución de una fibra óptica multimodo



Propagación de la luz en una fibra a salto de índice

El dibujo arriba indica como se produce la reflexión de las señales luminosas en función de sus ángulos de emisión. Lo que demuestra que el camino recorrido no tiene la misma longitud para todos los rayos. Eso es lo que se llama la dispersión nodal.

El debilitamiento de la luz en la fibra esta en función de la longitud de onda de la fuente. Ella es constante para todas las frecuencias de la señal útil transmitida. El dibujo arriba muestra que el debilitamiento es más importante en el rojo (850nM) que en el infrarojo (1300-1550nM).