Sistemas de transmisión por fibra óptica

Los sistemas de transmisión por fibra
óptica, funcionan en el contexto de los sistemas
ópticos de comunicaciones, es decir sistemas de
comunicación que usan la luz como portadora de
información, de allí que para la transmisión
de las señales de luz se utilizan fibras de vidrio o de
plástico que contienen las ondas luminosas y guiarlas a
través de ellas.

En este sentido, los sistemas de transmisión por
fibra óptica, se limitan por la amplitud de la banda,
relacionado a la frecuencia de su señal portadora, tal que
su relación de utilización es de 10% limitado entre
una banda de 10.000 GHz y 40.000GHz.

En la actualidad, en Venezuela, se está
desarrollando un plan para llevar tecnologías de fibra
óptica hasta los hogares, fundamentada en Gpon (Red
Óptica Pasiva con Capacidad de Gigabit), que de acuerdo a
los estándares ITU – T (G.984.1, G.984.2, G.984.3,
G.984.4 y G.984.5) está orientado al soporte de servicios
de voz, con alcance máximo de 20 Km (aunque es se prepara
para llegar a los 60 Km), soporte de tasas de bits con los mismos
protocolos ofreciendo velocidades simétricas de 622
MBits/s, 1,25 GBits/s y asimétricas de 2,5 GBits/s en el
alcance descendente y 1,25 GBits/s en el ascendente, con un
máximo de 64 canales por fibra. Dicho plan, prevé
aumentar la velocidad de conexión dado el sobrepaso de la
velocidad media de conexión en relación al techo
considerado por CANTV.

Principios del
cable de fibra óptica

El cable de fibra óptica está compuesto
por un conjunto de filamentos, los cuales constan de un
núcleo central de plástico o de vidrio que posee un
alto índice de refracción, rodeado por una capa de
material similar que posee un índice de refracción
menor, de allí que cuando la luz llega a la superficie es
limitada por un índice de refracción menor por lo
que se refleja en gran parte. En el interior del cable la luz se
refleja contra las paredes en ángulos que son muy
abiertos, lo que hace que las señales luminosas sean
transportadas sin perdidas por las largas distancias.

Entre las características más importantes
de los cables de fibra óptica se pueden destacar que tiene
una cobertura más resistente, su resistencia al agua,
emisiones ultra violetas, la mayor protección ante efectos
de la humedad, provista por sus múltiples capas de
protección, entre otros.

Es preciso tener en cuenta que la luz es una forma de
energía electromagnética, la cual viaja a
velocidades de 300.000 Km/s, y que decrece a medida que se
propaga por medios con mayor densidad. De allí que, en la
transmisión por fibra óptica, se presentan diversas
propiedades de la óptica clásica, entre las cuales
se puede mencionar: a) la refracción y b) la
reflexión.

La luz se propaga en línea recta durante su
movimiento a través de una única sustancia
uniforme, sin embargo cuando cambia de medio hacia otro
más o menos denso, su velocidad cambia en forma abrupta,
causando que el rayo cambie de dirección, en razón
a la refracción.

La dirección en la que se refracta un rayo de
luz, depende del cambio de densidad que este encuentre, tal que
si el cambio es hacia una sustancia con mayor densidad, esta
tiende a curvarse en dirección al eje vertical; de este
fenómeno óptico se extraen datos tales como el
ángulo de incidencia y el ángulo de
refracción.

Asimismo, en relación a la refracción se
debe considerar el ángulo crítico el cual relaciona
90° el ángulo de incidencia y el ángulo de
refracción, haciendo que el rayo se mueva en
dirección a la vertical. En la siguiente imagen se puede
apreciar el cambio en la dirección que sufre el rayo
incidente en proporción a la densidad del medio de cambio
entre el aire y el agua.

Figura 1. Refracción entre el aire
y el agua.

En relación al ángulo crítico se
deben considerar las siguientes premisas:

• a) Si el ángulo de incidencia se hace
  mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz
  serán totalmente reflejados.

• b) La reflexión total no puede
  producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro
  más denso.

En este sentido, cuando la luz entra por un extremo de
un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada
totalmente en la superficie exterior del tubo y, después
de una serie de reflexiones totales sucesivas, salir por el otro
extremo. Un caso particular son las fibras de vidrio de
diámetro muy pequeño, las cuales se recubren de un
material cuyo índice de refracción menor y que se
utilizan para la transmisión de imágenes. Los haces
flexibles, que pueden emplearse para iluminar además de
para transmitir imágenes, son muy útiles para la
exploración médica, ya que pueden introducirse en
cavidades estrechas e incluso en vasos
sanguíneos.

Por otro lado, la reflexión es además la
propiedad del movimiento ondulatorio que hace que la onda retorne
al propio medio de propagación posterior a su incidencia
sobre una superficie, de tal manera que, las ondas al incidir
sobre un segundo medio una parte de ellas se refracta y la otra
se refleja. La reflexión regular (en la que la
dirección de la onda reflejada está claramente
determinada) cumple dos condiciones: el rayo incidente y el rayo
reflejado forman el mismo ángulo con la normal (una
línea perpendicular a la superficie reflectante en el
punto de incidencia), y el rayo reflejado está en el mismo
plano que contiene el rayo incidente y la normal. Los
ángulos que forman los rayos incidente y reflejado con la
normal se denominan respectivamente ángulo de incidencia y
ángulo de reflexión. Las superficies rugosas
reflejan en muchas direcciones, y en este caso se habla de
reflexión difusa.

Para reflejar un tren de ondas, la superficie
reflectante debe ser más ancha que media longitud de onda
de las ondas incidentes. Por ejemplo, un pilote que sobresale de
la superficie del mar puede reflejar pequeñas
ondulaciones, mientras que las olas de gran tamaño pasan
alrededor de él. Los sonidos estridentes, que tienen
longitudes de onda muy cortas, son reflejados por una ventana
estrecha, mientras que los sonidos de mayor longitud de onda lo
atraviesan. En la atmósfera, algunas partículas
pequeñas de polvo reflejan sólo las longitudes de
onda más cortas de la luz solar, correspondientes a los
tonos azules.

En la siguiente imagen se ilustra el principio de
reflexión:

Figura 2. Principio de
Reflexión

El núcleo de la fibra óptica tiene un
índice de refracción que es mayor en
consideración al revestimiento, de tal manera que la luz
que llega al límite entre el núcleo y el
revestimiento con un ángulo de incidencia mayor que el
ángulo crítico se refleja y continúa su
recorrido dentro del núcleo, obedeciendo a un principio de
reflexión total.

La reflexión total, constituye el pilar
fundamental en el que se sustenta el funcionamiento de la fibra
óptica, tomando en consideración el índice
de refracción para el núcleo se sitúa
alrededor de 1,47 y para el revestimiento de 1,45, de manera que
la diferencia de densidad de ambos materiales debe permitir que
el rayo de luz que se mueve a través del núcleo
debe ser reflejado por la cubierta en lugar de refractado por
ella. La información se codifica dentro de un rayo de luz
como series de destellos On – Off que representan los bits
1 y 0, respectivamente.

Transmisión por fibra
óptica

En los sistemas de transmisión a través de
la fibra óptica, se deben tener en cuenta ciertos
componentes importantes, los cuales transforman las ondas
electromagnéticas en energía luminosa. El proceso
de transmisión continúa cuando las señales
son transmitidas por las fibras para posteriormente ser
detectadas (en la etapa de recepción) y transformadas en
señales electromagnéticas nuevamente. Asimismo, en
la medida en que cada tramo es empalmado, se deben colocar
correctores ópticos, y en los extremos amplificadores para
mejorar la calidad de la señal.

Por otro lado, deben tenerse en cuenta parámetros
tales como la pérdida de canal y la dispersión de
la señal para establecer la fiabilidad en la
transmisión. Las pérdidas de inserción en el
canal constituyen la máxima perdida de señal o
atenuación desde el transmisor hasta el receptor. La
dispersión de la señal, se refiere al esparcimiento
de las señales dentro de la fibra.

Tomando en consideración los parámetros
anteriormente mencionados, se logran establecer otros, tales como
la longitud máxima de operación, la velocidad de
datos y el ancho de banda de la fibra. Asimismo, deben
considerarse los modos de propagación.

En la actualidad se evidencian dos modos de
propagación de la luz a lo largo de canales
ópticos, cada uno de los cuales necesita fibras con
características distintas. Estos son: monomodo, y
mulltimodos (de índice escalonado, o de índice de
gradiente gradual).

El multimodo, recibe su nombre dado a que hay multiples
rayos de luz de una fuente luminosa, los cuales se mueven a
través del núcleo por distintos caminos. Dichos
movimientos dependen de la estructura del nucleo. En el caso
particular de la fibra multimodo de indice escalonado, la
densidad del nucleo es constante desde el centro hasta los
bordes. Un rayo de luz se mueve a través de uina densidad
constante en linea recta hasta que logra alcanzar la interfaz del
nuevo y la cubierta. En la interfaz se da un intercambio abrupto
a una densidad mas baja que altera el angulo de movimeinto del
rayo. Cabe destacar que algunos rayos del centro de la fibra
viajan en línea recta a través del núcleo y
alcanzan el destino sin reflejarse o refractarse; mientras que
otros golpean la interfaz del núcleo y se reflejan en un
angulo menor que el angulo crítico, penetrando la cubierta
y posteriormente perdiendose. Sin embargo, hay los rayos que
tienen angulos mayores que el ángulo crítico, los
cuales se reflejan dentro del núcleo hasta el otro lado,
rebotando a lo largo del canal hasta lograr alcanzar su
destino.

Cada rayo se refleja fuera de la interfaz en un angulo
que es igual a su angulo de incidencia. Cuanto mayor es el angulo
de incidencia, mas amplia es la reflexión, y mientras es
más pequeñodebe viajar mas rapido para poder
alcanzar su destino.

Es importante tener en cuenta, que en la
recepción no se tiene una señal replica de la
transmitida, ya que ésta es distorsionada por los retrasos
de la propagación.

En el caso de la fibra multimodo de indice gradual,
ésta reduce el valor de la distorsión de la
señal a través del cable. Tomando en cuenta que el
indice de refracción está relacionado a la densidad
del medio, las fibras de indice gradual tienen densidad variable.
La densidad es mayor en el centro del núcleo y decrece
gradualmente hasta el borde. En esta, la señal se
introduce en el centro del núcleo y a partir de este
punto, salamente el rayo horizontal se mueven en línea
recta a través de la zona central, de la densidad
constante. Los rayos en otros ángulos se mueven a
través de una serie de densidades que cambian
constantemente. Cada diferencia de densidad hace que el rayo se
refracte formando una curva . Además, cambiar la
refracción cambia la distancia de cada rayo que viaja en
el mismo periodo de tiempo, resultando que los rayos distitnos se
intersecten a intervalos regulares.

En el caso de la fibra monomodo, esta utiliza el
índice de refracción escalonado, y una fuente de
luz enfocada, la cual limita los rayos a un rango muy
pequeño de ángulos, cercanos a la horizontal. Su
fabricación tiene en consideración un
diámetro más pequeño que las mulltimodos, y
con una densidad (índice de refracción) que es
considerablemente inferior.

El decrecimiento de la densidad, origina que el
ángulo crítico este muy cercano a los 90° para
hacer que la propagación de los rayos sea casi horizontal,
tal que para los distintos rayos la propagación es muy
similar y los retrasos son despreciables. En la etapa de
recepción, todos los rayos llegan en condiciones similares
y se pueden recombinar sin distorsionar la señal. En la
siguiente imagen se muestra una comparación entre las
fibras de índice gradual, con gradiente escalonado y
monomodo:

Figura 3. Comparación entre los
modos de transmisión.

Composición de cable

En la siguiente imagen se puede observar la
composición del cable de fibra óptica:

Figura 4. Composición del cable de
fibra óptica.

La fibra está formada por un núcleo
rodeado por una cubierta. En la mayoría de los casos, la
fibra está cubierta por un nivel intermedio que lo protege
de la contaminación. Asimismo, se compone de una carcasa
exterior que cubre todo el cable. Tanto el núcleo como la
cubierta pueden estar hechos de cristal o de plástico, sin
embargo, deben ser densidades distintas.

También, n debe ser ultrapuro y completamente
regular en forma y tamaño, ya que las diferencias pueden
alterar el ángulo de reflexión y distorsionar la
señal. Algunas aplicaciones permiten admitir ciertos
grados de distorsión y sus cables pueden ser mas baratos.
La cobertura exterior (funda) se puede hacer con varios
materiales, entre los que se incluyen un recubrimiento de
teflón, plástico, plástico fibroso,
tubería de metal y malla metálica, cada uno de
estos con un propósito distinto.

Los plásticos se caracterizan por ser ligeros y
económicos pero no proporcionan una fortaleza estructural
ya que emiten humos cuando se queman, caso contrario, la
tubería de metal es costosa pero proporciona mayor
fortaleza. El teflón es ligero y se puede utilizar al aire
libre pero es costoso y no incrementa la robustez del cable.
Evidentemente que la elección del material dependen de las
condiciones de instalación en sitio y las funciones que se
deseen cumplir.

En relación a las funciones del recubrimiento, se
debe tener en cuenta las funciones que el enlace de fibra vaya a
desempeñar, de allí que este permite mantener las
siguientes funciones:

• a) Protección de la fibra contra el
  dañado y la rotura durante la instalación y la
  vida de la misma.

• b) Estabilidad de las características de
  transmisión.

• c) Resistencia de la fibra, en
  consideración con sus propiedades mecánicas tal
  que permita que sea apta para su instalación.
  Incluyendo aspectos tales como la resistencia a la
  tensión, a la torsión, a la compresión,
  al doblado y a las vibraciones.

• d) Identificación y conexionado de las
  fibras en el cable.

Entonces, tomando en consideración el tipo de
fibra se presenta la siguiente estructura con la
descripción de las características del
cableado:

En el caso de las mulltimodos de índice abrupto,
se encuentra de silicio dopado, o vidrio. Se caracterizan por
tener apertura numérica para permitir el fácil
acoplamiento de la luz, desde los LEDS emisores. Generalmente,
poseen un diámetro de núcleo de 50 a 400
micrómetros, su envoltura oscila entre los 125 y los 500
micrómetros, su camisa protectora entre 250 y 1000
micrómetros y el índice de apertura numérica
entre los 9 y los 30°. Este tipo de fibra se utiliza para
distancias cortas de ancho de banda limitado y aplicaciones de
bajo costo. Su ancho de banda oscila entre los 6 y los 50 MHz /
Km.

El núcleo de la fibra multimodo de índice
gradual tiene un diámetro de 30 a 100 micrómetros,
y su envoltura entre 100 y 150 micrómetros. La camisa
protectora varía entre 250 y 1000 micrómetros y su
índice de apertura numérica entre 11 y 17°.
Este tipo de fibra opera con un ancho de banda de 300 MHz/Km a 3
GHz / Km y son adecuadas para distancias medias de ancho de banda
entre medio y alto, para aplicaciones con emisiones coherentes e
incoherentes.

La fibra monomodo, tiene un diámetro de
núcleo entre 5 y 10 micrómetros, su diámetro
de envoltura es de 125 micrómetros y el diámetro de
su camisa protectora varía entre los 250 y los 1000
micrómetros y su apertura numérica entre 5 y
9°. Es importante mencionar que las fibras monomodo, en
atención a sus características son idóneas
para distancias largas con anchos de banda altos para
aplicaciones con emisiones coherentes monomodo.

Instalación en interiores y
exteriores

En la instalación de la fibra óptica se
debe tener especial cuidado con el radio de curvatura
mínimo y la presencia de torsión, compresión
o aplastamiento de los cables. Asimismo, hay que cuidar los
conectores de la contaminación con la finalidad de evitar
la atenuación. En este sentido, para ambientes interiores
y exteriores hay ciertas consideraciones generales que se deben
tener en cuenta:

• a) No se debe exceder la longitud máxima
  de los cables, por la tanto se debe comprobar la longitud
  apropiada de los mismos de acuerdo a los parámetros de
  fabricación.

• b) No se debe exceder el radio de curvatura
  mínimo para un determinado tipo de cable, dado a que
  se pueden provocar daños internos a las fibras de los
  cables.

• c) Evitar la torsión de los cables,
  utilizando técnicas adecuadas de tendido, y
  consideraciones generales, tales como evitar jalar los
  conectores, utilizar los agarres diseñados para tal
  fin, utilizar lubricantes adecuados, jalar el mismo en
  línea recta jalar utilizando guías para
  mantener la curvatura.

• d) Se debe procurar que el tendido sea
  utilizando armarios (RACKS) y codos en anglo recto en la
  bandeja de los cables.

• e) Las instalaciones no deben contener
  bucles.

• f) Evitar colocar los cables en conductos con
  cables de cobre.

• g) Asegurar la protección contra bordes
  afilados.

La diferencia entre las instalaciones en exteriores y
las de interiores, radica en que las primeras son de tipo
aéreas, lo cual implica utilizar tubos flexibles,
preferiblemente plásticos para transportar el cable.
Asimismo, se debe tener cuidado con las instalaciones totalmente
aéreas, y su cercanía a las líneas de
tensión. Es importante destacar que en la actualidad
existen diseños de cables de fibra óptica que
eliminan efectos de interferencia por tensiones en la tierra,
entre otras cuyo criterio de selección depende de la
necesidad de conexión que se tenga.

Medidas de
potencia

Con la finalidad de certificar que un enlace de fibra
óptica se encuentre bien instalado, se deben realizar
medidas de atenuación, y perdidas de retorno para
establecer el balance de las perdidas admisibles previstas. En
este orden de ideas, se deben utilizar medidores de potencia
óptica y reflectómetro ópticos
(OTDR).

Los medidores de potencia óptica, poseen una
fuente de luz, estable y con capacidad de emisión en las
longitudes de ondas previstas en la instalación, y se
caracterizan por convertir la luz que llega a una entrada
fotosensible en una corriente eléctrica, la cual es
proporcional a la potencia de la luz incidente. Luego se
convierte al valor de corriente en unidades de dBm, y se muestra
en un visor digital.

Puesto que la fotocorriente producida depende de la
longitud de onda de la luz incidente, la sensibilidad del
instrumento, y por lo tanto, su exactitud, es función de
la longitud de onda de la luz que se mide. Muchos medidores de
potencia óptica que se usan hoy en día se calibran
a las longitudes de onda de 820nm, 1310nm, y 1550nm, porque
éstas son las longitudes de onda más
comúnmente usadas en el mundo de las comunicaciones con
fibra óptica.

El rango de operación del instrumento es la banda
del espectro alrededor de las longitudes de onda donde se toleran
los errores de medición. Por lo tanto, se debe considerar
que los valores obtenidos en mediciones más allá de
este espectro pueden diferir enormemente de los
verdaderos.

El panel frontal del medidor de potencia óptica
contiene una lente grande, en la cual por medio de un conector de
fibra se aplica la luz a medir. Detrás de la lente, hay un
sensor fotodiodo, que tiene un área mayor que el corte
transversal de la fibra óptica conectada en el medidor.
Esto permite al instrumento interceptar casi toda la luz emitida
por la fibra.

Mantenimiento,
localización y reparación de averías y el
uso del reflectómetro

En relación al mantenimiento y a la
localización de averías es necesario mencionar la
existencia de algunos instrumentos de medición los cuales
sirven para certificar el funcionamiento de las mismas, tal que
su utilización periódica constituiría una
forma de mantenimiento preventivo, y en caso de fallas, permiten
localizar las mismas para en función de estos
solucionar.

Uno de estos equipos, es el OLTS, el cual constituye una
herramienta precisa que cuantifica las pérdidas totales de
potencia óptica, es decir la atenuación, en un
tramo de la fibra.

En uno de los extremos de la fibra se sitúa una
fuente de luz estable, la cual emite una señal continua en
una longitud de onda determina, mientras que en el otro extremos
el medidor detecta dicha señal y mide su nivel de potencia
óptica. Cabe destacar que la obtención de
resultados precisos depende de que el medidor se calibre en la
misma longitud de onda emitida.

Dado que la atenuación consiste en la diferencia
entre la señal emitida y la recibida, una de las ventajas
de estos es que permite obtener resultados en forma bidireccional
mediante el control técnico en cada extremo. Este tipo de
medición es importante debido a que la atenuación
en las transiciones puede variar según el sentido
considerado ya que las imperfecciones en el núcleo de las
fibras causan imperfecciones cuyo valor difiere según sea
el sentido de la medida. Asimismo, se puede presentar una
variación en las medidas de ambos extremos debida a la
calidad de los conectores, lo cual podría afectar el
sistema de transmisión óptico para señales
de área ancha.

Otro equipo que permite la certificación de la
fibra optica es el OTDR el cual localiza e identifica a
precisión eventos individualizados en un enlace optico,
consistente en una o varias seciones de fibra unidas entre si
mediante conectores y/o empalmes. Una medida
reflectométrica consiste en una prueba realizada desde un
extremo de la fibra. En este orden de ideas el OTDR emite un tren
de señales pulsadas en la fibra en cuyo interior tiene
lugar una serie de incidencias debidas a conectores, empalmes,
irregularidades, curvaturas y defectos.

El reflectómetro (OTDR) analiza el retorno de la
señal debido a estas reflexiones, que bien pueden ser por
efecto de Fresnel (por la variación de la velocida de la
luz en función del medio atravesado) o por efecto de
Rayleight (correspondientes a las impurezas u otro tipos internos
dentro de la fibra optica).

Las señales detectadas por la etapa fotodetectora
de avalancha del OTDR permite trazar una gráfica de la
señal recibida vs el pulso inyectado en la fibra y con
ello determinar el final de la misma. En la siguiente imagen se
muestra un modelo del reflectometro y del OLTS.

Figura 5. Modelo de un LTS

Figura 6. Modelo de un
reflectómetro

Referencias

Forouzan B, (2002). Redes de computadoras y
transmisión de datos. 2da. Edición. Mc. Graw
Hill, España.

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http://www.conectronica.com/Instrumentos-para-Fibra-Optica/Medidas-en-fibra-%C3%B3ptica-%C2%BFReflectometr%C3%ADa-o-potencia.html,
consulta realizada (noviembre, 2013)

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Disponible en:
http://www.conectronica.com/Curso-de-Fibra-Optica/Tipos-de-Instalaci%C3%B3n-de-Fibra-%C3%B3ptica.html,
Consulta realizada (noviembre de 2013).

S/A. (2013). Composición de la
fibra optíca. [En línea], Dsiponible en:
http://redesfibraoptica.blogspot.com/2013/02/composicion-de-las-fibras-opticas_27.html
Consulta realizada: (noviembre, 2013)

S/A (s/f) Cables y Componentes para
comunicaciones S. L. OTDR, y OLTS dos herramientas distintas
para necesidades específicas. [En línea],
disponible en: http://www.c3comunicaciones.es/, consulta
realizada (noviembre, 2013).

Salagón, C. (s/f).
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Disponible en:
http://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/05-Luz/18_-_reflexion_y_refraccion.pdf,
Consulta realizada (noviembre, 2013)

Tomasi, W (2002). Sistemas de
Comunicaciones Electrónicas, 4ta. Ed. Pearson,
México

Autor:

Ing. Héctor
Martínez

FACILITADORA:

MSC. LILIANA JORQUERA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL
POLITÉCNICA

ANTONIO JOSÉ DE SUCRE

VICERRECTORADO BARQUISIMETO

DIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y
POSTGRADO

BARQUISIMETO, NOVIEMBRE, 2013