fibra optica

1.- Principios de la transmisión por Fibra Óptica

La fibra óptica no es más un. La luz queda atrapada en este conducto y se propaga a la máxima velocidad posible a lo largo del mismo. La velocidad de propagación de la luz depende del tipo de material transparente empleado, ya que la máxima velocidad c = 299.792.458 m/s sólo se alcanza en el vacío. En el resto de medios la propagación se produce a menor velocidad, la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en otro medio, se conoce como índice de refracción del medio y es característico de cada material.
El motivo físico por el cual la luz queda atrapada dentro del conducto, se basa en las leyes de reflexión y refracción de la luz, según las cuales, cuando un rayo atraviesa la frontera desde un medio físico transparente a otro también transparente, pero donde la velocidad de propagación es menor, la trayectoria del mismo varía, siguiendo una ley física conocida como Ley de Snell.

Este es el motivo de que cuando se mete un palo en el agua, éste parece doblarse.
Más concretamente el fenómeno óptico en el que se fundamenta la transmisión de la luz en el conducto de fibra de vidrio se denomina TIR (Total Internal Reflection), según el cual, cuando un rayo de luz pasa de un medio hacia otro con menor índice de refracción, si incide sobre la frontera de los materiales con un ángulo determinado, no pasa ninguna luz a través de la frontera del material. El ángulo a partir del cuál el rayo de luz queda totalmente atrapado se denomina ángulo crítico de incidencia.

El esquema siguiente muestra el ángulo crítico de incidencia en rojo.

En la espectacular fotografía obtenida de la wikipedia que se muestra a continuación, se puede apreciar perfectamente el fenómeno de la TIR:

Los cables de fibra óptica se construyen basándose en ese principio. Veamos un ejemplo gráfico:

• n núcleo  > n revestimiento.  > n aire
• El rayo 1 se refleja parcialmente porque también se refracta.
• El rayo 2 se refleja totalmente 

 Si se hace un corte transversal de un cable de fibra, se pueden distinguir sus componentes principales:

La parte central de la fibra óptica es el núcleo, su tamaño, como se verá en el apartado siguiente depende del tipo de fibra con el que se esté trabajando, aunque los estándares son 8.3 µm (monomodo), 50 µm (multimodo) y 62.5 µm (multimodo). El revestimiento tiene un diámetro de 125 µm. Para hacer una analogía, un cabello humano tiene unos 70 µm de diámetro.
Por último, los cables están recubiertos por una cubierta protectora, semirígida, que protege al núcleo y al revestimiento de posibles daños. Tanto el núcleo como el revestimiento están formados por distintos materiales, normalmente cristal de silicio (SiO2) de distintas composiciones para provocar el fenómeno TIR.
Los conectores son interconexiones fibra-a-fibra que alinean el núcleo de ambas fibras y la principal diferencia entre ellos es el tipo de enganche mecánico y su tamaño. Los cables se terminan en diferentes terminaciones que permiten conectarlos a los paneles y bandejas de fibras existentes en los armarios de comunicaciones.

Si se corta un cable de fibra óptica, y es necesario repararlo, el proceso, consiste en la unión de ambos extremos del cable y su fusión posterior. El proceso es técnicamente complejo y requiere maquinaria y personal altamente especializados.
Además de los cables, debemos tener en cuenta que un sistema de transmisión óptico consta de varios componentes esenciales:

• La fuente de luz
• El medio de transmisión
• El detector

El medio de transmisión es la propia fibra de vidrio, la fuente de luz suele ser un láser, y el receptor un elemento fotosensible. La información se codifica de modo que un pulso de luz indique un 1 y la ausencia del mismo un 0.
Una vez que la luz entra en una fibra óptica, se propaga de una forma uniforme llamada modo, que no es más que el camino que sigue a través de una fibra (la onda electromagnética)
Dependiendo del número de modos de propagación, hay dos grandes tipos de fibra óptica que se describen en los siguientes subapartados.

Fig: Comparación cable de cobre frente a cable de fibra óptica

Fig: Estructura de un cable de fibra óptica

Hay dos grandes tipos de fibra óptica que se describen en los siguientes subapartados.

Fibras monomodo.

Son fibras con el núcleo de vidrio mucho más fino que en el siguiente caso, permitiendo el paso de un único haz de luz. Estas fibras tienen la característica de tener un alcance muy superior (hasta 10 Km) Para su correcto funcionamiento se precisan emisores láser más potentes y sofisticados, lo que encarece su uso.
Estas fibras se emplean fundamentalmente para conexiones de media, larga y muy larga distancia (desde 550m hasta 40km)
Las fibras monomodo no sufren tanto el fenómeno de la dispersión (ver apartado siguiente) como las multimodo ya que por la fibra sólo viaja un pulso de luz cada vez. También tiene menos atenuación (absorción parcial al ser reflejada en el revestimiento) lo que garantiza una transmisión de la señal más fidedigna.

Una de las desventajas de este tipo de fibras, es que al ser el núcleo mucho más estrecho que en las fibras multimodo, la conexión entre dos fibras tiene que ser mucho más precisa, encareciendo los conectores y el coste del cable en general.

Existen 3 tipos básicos de fibra monomodo: NDSF, DSF y NZ-DSF. Las diferencias entre los 3 tipos se basan principalmente en su adecuación para el funcionamiento con diferentes láser que funcionen en distintas longitudes de onda.
Por último, una familia de fibras monomodo, las PM (Polarization-maintaining), son capaces de transmitir sólo una polarización de la luz de entrada, lo cual tiene aplicaciones muy interesantes en la industria.

Fibras multimodo.

Fibras que permiten el paso de varios haces de luz (modos) a través del núcleo, que se reflejan con distintos ángulos dentro del núcleo. Su alcance es limitado a construcciones con poca distancia entre ellas.
Este tipo de fibras tienen un núcleo (core) con un diámetro mucho mayor que el de las fibras monomodo.
Dentro de las fibras multimodo, existen dos tipos principales, las de índice escalonado y las de índice gradual, que permiten un alcance ligeramente superior.
En las fibras de índice escalonado, se propagan varias ondas o modos diferentes a través de la fibra.

• Unas ondas se propagan completamente paralelas al revestimiento, por el núcleo de la fibra
• Otras se refleja continuamente, atrapadas por el fenómeno TIR
• El resto, se refracta en el revestimiento

Intuitivamente se ve que las ondas que se reflejan, recorren mucha mayor distancia que las que se propagan por el núcleo sin reflejarse. Esto da lugar a un fenómeno, conocido como dispersión que produce atenuación de la señal transmitida. Este fenómeno es inevitable en la fibra óptica multimodo y es el ocasionante de que la longitud de estas fibras no pueda ser tan grande como la de las fibras monomodo.
En las fibras de índice gradual, el índice de refracción del núcleo decrece desde el centro hacia el revestimiento. Esto hace que se reduzca la dispersión, ya que los haces llegan casi al mismo tiempo, ya que cerca del revestimiento, los rayos se propagan más rápidamente que en el núcleo.