Fibra Óptica

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Introducción


El crecimiento tecnológico permitió que durante años predominaran las comunicaciones eléctricas, como en el caso de los cables de cobre; por ello, el descubrimiento de la fibra óptica significó un cambio importante en la manera de elaborar el cableado de las redes actuales, ya que su luz puede transmitirse por un cable, lo cual aporta ventajas en cuanto a la velocidad que puede transferirse, aunque generalmente su costo de instalación y mantenimiento resulta elevado en comparación con otros medios.

Fibra óptica [fotografía].



El estudio de este tema te permitirá:

Identificar los diferentes tipos de fibra óptica, mediante el aprendizaje de sus características, para seleccionar el que se ajusta mejor a un cableado de red particular.

Fibra óptica


La fibra óptica es compacta y su capacidad de información y calidad de la señal es superior a los medios de transmisión basados en cobre. Es un filamento delgado de vidrio o plástico que permite transportar energía luminosa y opera generalmente en la banda de los infrarrojos; por ello, no es visible para el ojo humano. Su nombre técnico es guía de onda óptica, y su función es hacer que la luz portadora de información no viaje en línea recta, sino en el trayecto marcado por la fibra. Consta de dos elementos concéntricos que tienen índices de refracción diferentes:

• En la parte central, llamada núcleo, viaja por lo menos gran parte de la luz.
• El revestimiento alrededor del núcleo forma la frontera para producir el fenómeno conocido como reflexión total interna.







(s. a.) (s. f.). Estructura de la fibra óptica [ilustración] Tomada de https://tecnologiascp.wordpress.com/tecnologias-3/05-tecnologias-de-la-comunicacion-internet/



Propagación de la luz


La energía electromagnética, como la luz, viaja en el espacio libre (vacío) a una velocidad de 300 000 kilómetros por segundo. En un medio como el aire la velocidad es similar y, en cualquier material, la velocidad siempre es menor. En sólidos o líquidos, la reducción es más significativa, ya que la velocidad alcanzada en estos casos es una característica propia de cada material. La ley de Snell expresa que la relación existente entre la velocidad de la luz en el vacío y un determinado material se conoce como índice de refracción.

n = c / v


Donde “c” es la velocidad de la luz en el vacío (300 millones de metros por segundo).


Y “v” es la velocidad de la luz en determinado material (metros por segundo) (Wayne, 2003, pp. 429-431). >


Como se mencionó al inicio, la fibra óptica está compuesta por dos elementos, cada uno con distinto índice de refracción. La siguiente figura muestra la refracción de un un rayo de luz al pasar de un material más denso a uno menos denso.



Índice de refracción y espectro electromagnético

Hernández, C. O. (s. f.). [ilustración]. http://hpcristianomar.blogspot.mx/Indice de refracción y espectro electromagnético [ilustración] Tomada de http://hpcristianomar.blogspot.mx



Ejemplos

Índices de refracción
Vacío 1 Alcohol etílico 1.36
Aire 1.00029 Alcohol metílico 1.329
Agua (a 20 °C) 1.333 Tetracloruro de carbono 1.460
Hielo 1.309 Cuarzo (SiO2) 1.544
Diamante 2.417 Vidrio Crown 1.52
Acetona 1.36 Vidrio Flint 1.58

Tabla 1. Índices de refracción



A continuación se presenta un esquema con los aspectos más importantes que desarrollaremos en relación a la fibra óptica:

Clasificación, características y sistemas ópticos.

Hernández, C. O. (s. f.). [ilustración]. http://hpcristianomar.blogspot.mx/Indice de refracción y espectro electromagnético [ilustración] Tomada dehttp://hpcristianomar.blogspot.mx


Tipos de fibra óptica


Existen tres variedades de fibra óptica utilizadas actualmente. Las tres se fabrican con vidrio, plástico o una combinación de ambos materiales:

• Núcleo y forro de plástico
• Núcleo de vidrio con forro de plástico (PCS, plastic-clad silica o sílice revestido con plástico)
• Núcleo de vidrio y forro de vidrio (SCS, silica-clad silica o sílice revestido con sílice)

Las fibras elaboradas con plástico se usan para transmitir la luz con fines de iluminación, instrumentación o decoración. En el campo de las telecomunicaciones se utilizan las fibras ópticas de vidrio, ya que poseen mejores características para transmitir información.

Las fibras ópticas tienen grandes ventajas para transmisión de señales en comparación con los cables de cobre:

• Tienen muy baja atenuación, lo que permite alcanzar grandes distancias sin necesidad de repetidor.
• Poseen una gran capacidad de información, ya sea en forma analógica o digital.
• Son inmunes a la interferencia electromagnética.
• Son seguras, ya que no son conductoras de corriente eléctrica.
• Son ligeras y compactas.


Características de las fibras ópticas


Atenuación

La principal ventaja de las fibras para comunicaciones consiste en la baja pérdida de potencia al transmitir información; esto permite enlaces largos sin necesidad de repetidores. La atenuación que sufre la luz en la fibra depende de la longitud de onda.

Dispersión

A través de la fibra óptica, es posible transmitir señal analógica y digital. La dispersión es una limitante para la velocidad digital o ancho de banda, y se produce porque parte de la luz se retrasa en la fibra por varias razones. A continuación, se enumeran los tipos:

Imagen1

(s. a.) (s. f.). Dispersión modal. [gráfica]Tomada de >http://cactuspinchudo.tumblr.com

  • Dispersión modal: En las fibras MM, no todos los rayos viajan con el mismo ángulo y, por ello, no llegan al final de la fibra simultáneamente; además, la dispersión es acumulativa con la distancia. La figura muestra que, al viajar la señal a lo largo de la fibra, los pulsos se hacen más anchos; si se traslapan, originan errores en la transmisión.


  • Dispersión cromática: La luz que se obtiene en un diodo luminoso (LED) o uno láser no es monocromática, es decir, contiene varias longitudes de onda. La diferencia en velocidad que se presenta entre ellas hace que algunas señales se retrasen a pesar de viajar en el mismo haz de luz.

Ancho de banda

En las fibras UM, el ancho de banda es muy grande; por ello, no es parte de las especificaciones. En el caso de las fibras MM, debe considerarse este parámetro al diseñar un sistema; el ancho de banda depende de la ventana de transmisión. La selección del ancho de banda se efectúa de acuerdo con las necesidades que deben cubrirse. El ancho de banda en fibras ópticas más comunes se presenta en la siguiente tabla:



Características de transmisión en fibras ópticas
Longitud de onda en nm Multimodo 62.5 mm Multimodo 50 mm Unimodo
Atenuación
dB/km		 Ancho de banda MHz-km Atenuación dB/km Ancho de banda MHz-km Atenuación dB/km
850 3.2 160 a 200 3.0
 400 a 600 -----
1300 1.9 200 a 600 1.2 400 a 1000 0.4 a 1.0

Sistemas ópticos


Conectores y empalmes

En todos los cables, tanto ópticos como de cobre, se necesitan conectores en los extremos del enlace donde hay equipo activo. Los empalmes se usan para unir dos puntos de cable óptico, ya sea para reparar un daño o cuando se tiene un enlace cuya longitud requiere varios tramos de cable.

Conectores

Existen varios tipos de conectores que deben adecuarse al tipo de fibra óptica instalada y a los puertos de los equipos activos. Su proceso de instalación es delicado, aunque existen procesos simplificados para su aplicación en campo. Si su instalación es mala, afectará el desempeño de la fibra óptica.

Los conectores para fibra óptica MM requieren menos precisión para alinear los haces de luz y las tolerancias de fabricación también son más abiertas que en las UM. El menor costo y mayor facilidad de instalación en campo han permitido que las fibras MM sean más usadas en redes locales donde existen una gran cantidad de conexiones y las distancias son cortas.



(s. a.) (s. f.). Conectores [ilustración]. Tomada de http://grupoindumex.com/telecom-prod/conectores_fibra_optica.html


Empalmes

Empalmar una fibra óptica es un procedimiento delicado, su costo es alto y la pérdida de potencia debe considerarse al analizar un enlace. Las fibras se empalman por fusión o mecánicamente. En el empalme por fusión, una descarga eléctrica suelda las fibras para convertirlas en un elemento continuo para la transmisión de luz. En el mecánico, existen elementos para la sujeción mecánica que permiten alinear los haces de luz para que ésta sea transmitida. Los empalmes defectuosos afectarán significativamente la potencia de las fibras ópticas. La siguiente imagen muestra un empalme mecánico:

Tipos de fibra óptica.

(s. a.) (s. f.). Empalmes [fotografía]. Tomada de http://www.jfiberoptic.com/products/Mechanical-Splice-L925B-JFCN%252dMSL9.html

Fuentes y detectores de luz

Los sistemas ópticos de comunicación operan en la banda de luz infrarroja producida por transductores fotoelectrónicos que convierten la señal eléctrica en luminosa por medio de diodos emisores de luz (led). Es posible obtener luz de mejores propiedades para la transmisión en fibras utilizando un diodo láser (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación) en lugar de uno led. Para convertir la señal óptica en eléctrica, se usan fotodiodos donde se presenta el efecto contrario a un led.

Divisores ópticos

Existen divisores que permiten separar el haz en dos o más fibras; no es una separación de señal, ya que en cada fibra se obtiene una señal con idéntica información, pero menos potencia que la original.

Tipos de fibra óptica.

(s. a.) (s. f.). Divisores ópticos [fotografía]. Tomada de http://www.jfiberoptic.com/products/Mechanical-Splice-L925B-JFCN%252dMSL9.html

Amplificador óptico

Consiste en una fibra que contiene un elemento químico llamado erbio en el núcleo y presenta un efecto no lineal. Si se mezcla en la fibra una señal de comunicaciones a 1550 nanómetros con otra de 980 nanómetros, la potencia de esta última (llamada láser de bombeo) se transfiere a la señal de comunicaciones, logrando el efecto de un amplificador.

Tipos de fibra óptica.

(Biblioteca Digital ILCE (s. f.). Amplificador óptico [ilustración]. Tomada de http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/135/html/sec_6.html

Medición de potencia

La baja atenuación es la principal ventaja de la fibra óptica en el campo de las telecomunicaciones. Es importante considerar esta característica durante la fabricación del cable, su instalación y una vez que el sistema ya está en operación. La medición se realiza a través de un equipo llamado reflectómetro en dominio de tiempo (OTDR). Este instrumento se conecta a un extremo de la fibra, envía un pulso de luz reflejada por retrodispersión a lo largo de la fibra, empalmes o daños. Este proceso genera una gráfica donde se relaciona la potencia con la distancia de la fibra. La gráfica deberá ser interpretada para encontrar situaciones particulares de la fibra instalada que permitan aceptar, corregir o rechazar su instalación.

Tipos de fibra óptica.

(s. a.) (s. f.). Medición de potencia [gráfica]. Tomada de http://www.asvitel.com/redes.html

Aplicaciones



Hernández, C. O. (s. f.). Indice de refracción y espectro electromagnético [ilustración].





Existe un uso cada vez mayor de la fibra óptica, ya que elimina la limitante de distancia en cable de cobre para altas velocidades (90 metros) y permite la interconexión entre varios edificios; existen cableados totalmente de fibra para eliminar cualquier límite de ancho de banda en el futuro.

Industria

Se usan fibras ópticas por la ventaja de ser inmunes a la interferencia electromagnética y no emplear corrientes eléctricas que puedan provocar una chispa, lo cual es de especial interés en la industria química o petrolera.


Para saber el tipo de fibra que necesita una red, se debe conocer la distancia de transmisión requerida y el presupuesto disponible. Si la distancia es menor a tres kilómetros, la fibra MM es la mejor opción y el costo del sistema de transmisión estará en un rango aproximado de 600 a 1000 dólares, pero si la distancia es mayor a cuatro kilómetros, la fibra UM es más recomendable. Los sistemas de transmisión diseñados para el uso con esta fibra cuestan aproximadamente 1200 dólares por el precio del diodo láser.

La fibra MM permite distancias de transmisión de hasta 16 kilómetros aproximadamente, y se pueden utilizar transmisores y receptores de fibra óptica relativamente baratos. Habrá limitaciones de ancho de banda de unos pocos cientos de megahercios por kilómetro de longitud; por ello, un enlace de 16 kilómetros se limitará a aproximadamente 10 a 30 megahercios. Para el caso de la fibra UM, es más recomendada para distancias superiores a 16 kilómetros, pero requerirá utilizar transmisores UM; esto quiere decir que el equipo puede ser de dos a cuatro veces más caro que el MM.


Actividad. Características de la fibra óptica

La selección de la fibra óptica como medio de transmisión es una tendencia mundial; por ello, es importante conocer sus características principales, como su alta velocidad, su capacidad para transferir datos, voz, video de alta definición, etcétera.

Después de revisar los contenidos, puedes identificar algunas características más particulares de los tipos de fibra óptica, así como algunos conceptos relacionados.

Autoevaluación. Identificando las ventajas y desventajas de la fibra óptica.

La fibra óptica tiene muchas ventajas que la han colocado como el medio favorito de los diferentes proveedores de servicio de Internet (ISP, como Infinitum, Izzi, Axtel, etcétera); para entender si es conveniente o no para una red, se deben tener claras sus ventajas y desventajas.

Fuentes de información

Básicas

Bibliografía

Griera, J. y Barceló, J. M. (2009). Estructura de redes de computadores. (7.ª ed.). Barcelona: Editorial UOC.

Tanenbaum, A. S. (2003). Redes de computadoras. México: Pearson Educación.

Complementarias

Bibliografía

España, M. C. (2003). Servicios avanzados de telecomunicación. Madrid: Ediciones Díaz de Santos.

https://unefazuliasistemas.files.wordpress.com/2011/04/fundamentos-de-bases-de-datos-silberschatz-korth-sudarshan.pdf

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