Fibra óptica

La fibra óptica ye un mediu de tresmisión, emplegáu davezu en redes de datos y telecomunicaciones, consistente nun filo bien finu de material tresparente, vidriu o materiales plásticos, pol que s'unvien pulsus de lluz que representen los datos a tresmitir. El fexe de lluz quedo dafechu confináu y arrobínase pel interior de la fibra con un ángulu de reflexón percima del ángulu llende de reflexón total, en función de la llei de Snell. La fonte de lluz puede ser un láser o un diodu led.

Les fibres utilícense llargamente en telecomunicaciones, yá que dexen unviar gran cantidá de datos a una gran distancia, con velocidaes similares a les de la radio y superiores a les d'un cable convencional. Son el mediu de tresmisión per cable más avanzáu, al ser inmune a les interferencies electromagnétiques, y tamién s'utilicen pa redes locales onde se precise aprovechar les ventayes de la fibra óptica sobre otros medios de tresmisión.

Historia

Jean-Daniel Colladon foi'l primeru en describir la "fonte de lluz" nel artículu qu'en 1842 tituló On the reflections of a ray of light inside a parabolic liquid stream. Ilustración d'esti últimu artículu de Colladon, en 1884.

Los antiguos griegos usaben espeyos pa tresmitir información, de manera rudimentaria, usando lluz solar. En 1792, Claude Chappe diseñó un sistema de telegrafía óptica, que, por aciu l'usu d'un códigu, torres y espeyos distribuyíos a lo llargo de los 200 km que dixebren a Lille de París, consiguía tresmitir un mensaxe en tan solo 16 minutos.

Anque en 1820 yeren conocíes les ecuaciones poles que se rixe la captura de la lluz dientro d'una placa de cristal llisa, nun sería sinón 90 años más tarde (1910) cuando estes ecuaciones aplicar escontra los llamaos cables de vidriu gracies a los trabayos de los físicos Demetrius Hondros y Peter Debye en 1910.^[1]

El confinamientu de la lluz por refraición, el principiu que fai posible la fibra óptica, foi demostráu por Jean-Daniel Colladon y Jacques Babinet en París nos empiezos de la década de 1840. El físicu irlandés John Tyndall afayó que la lluz podía viaxar dientro de l'agua, curvándose por reflexón interna, y en 1870 presentó los sos estudios ante los miembros de la Real Sociedá.^[2] A partir d'esti principiu llevar a cabu una serie d'estudios, nos que se demostró'l potencial del cristal como mediu eficaz de tresmisión a llarga distancia. Amás, desenvolviéronse una serie d'aplicaciones basaes en dichu principiu p'allumar corrientes d'agua en fontes públiques. Más tarde, l'inxenieru escocés John Logie Baird rexistró patentes que describíen l'usu de cayaos sólidos de vidriu na tresmisión de lluz, pal so emplegu nel so sistema electromecánicu de televisión en color. Sicasí, les téuniques y los materiales usaos nun dexaben la tresmisión de la lluz con bon rendimientu. Les perdes de señal óptica yeren grandes y nun había dispositivos d'acoplamientu ópticu.

Solamente en 1950 les fibres óptiques empezaron a interesar a los investigadores, con munches aplicaciones práutiques que taben siendo desenvueltes. En 1952, el físicu Narinder Singh Kapany, sofitándose nos estudios de John Tyndall, realizó esperimentos que conducieron a la invención de la fibra óptica.

Unu de los primeros usos de la fibra óptica foi emplegar un fexe de fibres pa la tresmisión d'imáxenes, que s'usó nel endoscopiu. Usando la fibra óptica, consiguióse un endoscopiu semiflexible, que foi patentáu pola Universidá de Michigan en 1956. Nesti inventu usaron unes nueves fibres forraes con un material de baxu índiz de refraición, yá que antes trescalar con aceites o ceres. Nesta mesma dómina, empezar a utilizar filamentos delgaos como'l pelo que tresportaben lluz a distancies curties, tantu na industria como na medicina, de forma que la lluz podía llegar a llugares que d'otra forma seríen inaccesibles. L'únicu problema yera qu'esta lluz perdía hasta'l 99 % de la so intensidá al travesar distancies d'hasta 9 metros de fibra.

Charles K. Kao, na so tesis doctoral de 1956, envaloró que les máximes perdes que tendría de tener la fibra óptica, por que resultara práutica n'enllaces de comunicaciones, yeren de 20 decibelios per quilómetru.

En 1966, nun comunicáu empobináu a l'Asociación Británica pa la Meyora de la Ciencia, los investigadores Charles K. Kao y George Hockham, de los llaboratorios Standard Telecommunications, n'Inglaterra, afirmaron que podía disponese de fibres d'una tresparencia mayor y propunxeron l'usu de fibres de vidriu y de lluz, en llugar de lletricidá y conductores metálicos, na tresmisión de mensaxes telefónicos. El llogru de tales fibres esixó grandes esfuercios de los investigadores, una y bones les fibres hasta entós presentaben perdes del orde de 100 dB/km, amás d'una banda pasante estrecha y una enorme fraxilidá mecánica. Esti estudiu constituyó la base p'amenorgar les perdes de les señales óptiques qu'hasta'l momentu yeren bien significatives y nun dexaben l'aprovechamientu d'esta teunoloxía. Nun artículu teóricu, demostraron que les grandes perdes carauterístiques de les fibres esistentes deber a impureces diminutes intrínseques del cristal. Como resultáu d'esti estudiu fueron fabricaes nueves fibres con atenuación de 20 dB/km y una banda pasante de 1 GHz pa una llongura de 1 km, cola perspeutiva de sustituyir los cables coaxiales. L'usu de fibres de 100 µm de diámetru, envolubraes en fibres de nylon resistente, dexaríen la construcción de filos tan fuertes que nun podíen rompese coles manes. Güei yá esisten fibres óptiques con atenuaciones tan pequeñes d'hasta 1 dB/km, lo que ye bien de menor a les perdes d'un cable coaxial.

En 1970, los investigadores Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schultz, amás de Frank Zimar que trabayaben para Corning Glass, fabricaron la primer fibra óptica aplicando impureces de titaniu en xil, con cientos de metros de llongura cola claridá cristalina que Kao y Hockman habíen propuestu, anque les perdes yeren de 17 dB/km.^[3]^[4]Mientres esta década, les téuniques de fabricación ameyoráronse, consiguiendo perdes de tan solo 0,5 dB/km.

Poco dempués, los físicos Morton B. Panish y Izuo Hayashi, de los Llaboratorios Bell, amosaron un láser de semiconductores que podía funcionar de cutio a temperatura ambiente. Amás, John MacChesney y los sos collaboradores, tamién de los llaboratorios Bell, desenvolvieron independientemente métodos de preparación de fibres. Toes estes actividaes marcaron un puntu decisivu una y bones agora, esistíen los medios pa llevar les comunicaciones de fibra óptica fuera de los llaboratorios, al campu de la inxeniería habitual. Mientres la siguiente década, a midida que siguíen les investigaciones, les fibres óptiques ameyoraron constantemente la so tresparencia.

El 22 d'abril de 1977, Xeneral Telephone and Electronics unvió la primer tresmisión telefónica al traviés de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach (California).

Un dispositivu que dexó l'usu de la fibra óptica en conexones interurbanes, amenorgando'l so costu, foi'l amplificador ópticu inventáu por David N. Payne, de la Universidá de Southampton, y por Emmanuel Desurvire nos Llaboratorios Bell. A dambos concedióse-yos la Medaya Benjamin Franklin en 1988.

En 1980, les meyores fibres yeren tan tresparentes qu'una señal podía travesar 240 quilómetros de fibra antes de debilitase hasta ser indetectable. Pero les fibres óptiques con esti grau de tresparencia non podíen fabricase usando métodos tradicionales. Otra meyora producióse cuando los investigadores dieron cuenta de que'l cristal de xil puru, ensin nenguna impureza de metal qu'absorbiera lluz, solamente podía fabricase direutamente a partir de componentes de vapor, evitando d'esta forma la contaminación qu'inevitablemente resultaba del usu convencional de los crisoles de fundición. La teunoloxía en desenvolvimientu basábase principalmente na conocencia de la termodinámica química, una ciencia perfeccionada por trés xeneraciones de químicos dende la so adopción orixinal per parte de Willard Gibbs, nel sieglu XIX.

Tamién en 1980, AT&T presentó a la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estaos Xuníos un proyeutu d'un sistema de 978 quilómetros que coneutaría les principales ciudaes del trayeutu de Boston a Washington D. C. Cuatro años dempués, cuando'l sistema empezó a funcionar, el so cable, de menos de 25 centímetros de diámetru, apurría 80 000 canales de voz pa conversaciones telefóniques simultánees. Aquel día, el llargor total de los cables de fibra namái nos Estaos Xuníos algamaba 400 000 quilómetros.

El primer enllaz tresoceánicu con fibra óptica foi'l TAT-8 qu'empezó a operar en 1988, usando un cristal tan tresparente que los amplificadores pa refaer les señales débiles podíen asitiase a distancies de más de 64 quilómetros. Tres años dempués, otru cable tresatlánticu dobló la capacidá del primeru. De magar, emplegóse fibra óptica n'ensame d'enllaces tresoceánicos o ente ciudaes, y pasu ente pasu vase estendiendo'l so usu dende les redes troncales de los operadores escontra los usuarios finales.

Anguaño, por cuenta de les sos mínimes perdes de señal y a les sos óptimas propiedaes d'anchu de banda, amás de pesu y tamañu amenorgaos la fibra óptica pue ser usada a distancies más llargues que'l cable de cobre.

Procesu de fabricación

Pa la creación de la preforma esisten cuatro procesos que son principalmente utilizaos.

La etapa de fabricación de la preforma puede ser al traviés de dalgún de los siguientes métodos:

M.C.V.D (Modified Chemical Vapor Deposition)

Foi desenvueltu orixinalmente por Corning Glass y modificáu polos Llaboratorios Bell pal so usu industrial. Utiliza un tubu de cuarzu puru d'onde se parte y ye depositada nel so interior l'amiestu de dióxidu de siliciu y aditivos de dopado en forma de capes concéntriques. De siguío nel procesu industrial instálase'l tubu nun tornu xiratoriu. El tubu ye calecíu hasta algamar una temperatura entendida ente 1400 °C y 1600 °C por aciu un quemador d'hidróxenu y osíxenu. Al xirar el tornu, el quemador empieza a movese a lo llargo del tubu. Per un estremu del tubu introducen los aditivos de dopado, parte fundamental del procesu, yá que de la proporción d'estos aditivos va depender el perfil final del índiz de refraición del nucleu. La deposición de les socesives capes llograr de les socesives pasaes del quemador, mientres el tornu xira; quedando d'esta forma sintetizáu'l nucleu de la fibra óptica. La operación que resta ye'l colapsu, llógrase igualmente col continuu desplazamientu del quemador, solo qu'agora a una temperatura entendida ente 1700 °C y 1800 °C. Precisamente ye ésta temperatura la que garantiza l'allandiadura del cuarzu, convirtiéndose asina'l tubu nel cilindru macizu que constitúi la preforma. Les dimensiones de la preforma suelen ser d'un metro de llargor útil y de un centímetru de diámetru esterior.

V.A.D (Vapor Axial Deposition)

El so funcionamientu basar na téunica desenvuelta pola Nippon Telephone and Telegraph (N.T.T), bien utilizáu en Xapón por compañíes dedicaes a la fabricación de fibres óptiques. La materia primo qu'utiliza ye la mesma que'l métodu M.C.V.D, la so diferencia con ésti anicia, que nesti postreru solamente depositábase'l nucleu, ente que nesti amás del nucleu de la FO deposítase'l revestimiento. Por esta razón tien de curiase que na zona de deposición axial o nucleu, deposítese más dióxidu de xermaniu que na periferia, lo que se llogren al traviés de la introducción de los parámetros de diseñu nel software que sirve de sofitu nel procesu de fabricación. A partir d'un cilindru de vidriu auxiliar que sirve de soporte pa la preforma, empecípiase'l procesu de creación d'ésta, depositándose ordenadamente los materiales, a partir del estremu del cilindru quedando asina conformada la llamada "preforma porosa". Conforme la so tasa de crecedera va esprendiéndose del cilindru auxiliar de vidriu. El siguiente pasu consiste nel colapsáu, onde se somete la preforma porosa a una temperatura entendida ente los 1.500 °C y 1.700 °C, llográndose asina'l reblandecimiento del cuarzu. Quedando convertida la preforma porosa bueca nel so interior nel cilindru macizo y tresparente, por aciu el cual suelse describir la preforma.

Comparáu col métodu anterior (M.C.V.D) tien la ventaya de que dexa llograr preformas con mayor diámetru y mayor llargor, al empar que precisa un menor apurra enerxéticu. L'inconveniente más destacáu ye la sofisticación del equipamientu necesariu pa la so realización.

O.V.D (Outside Vapor Deposition)

Desenvueltu por Corning Glass Work. Parte d'una baniella de sustratu cerámica y un quemador. Na llapada del quemador son introducíos los cloruros vaporosos y ésta caldia la baniella. De siguío realízase'l procesu denomináu síntesis de la preforma, que consiste nel ensugáu de la mesma por aciu cloru gaseosu y el correspondiente colapsáu de forma análoga a los realizaos col métodu V.A.D, quedando asina sintetizaos el nucleu y revestimiento de la preforma.

Ente les Ventayes, ye de citar que les tases de deposición que s'algamar son del orde de $4.3g/min$ , lo que representa una tasa de fabricación de FO de $5km/h$ , siendo esaniciaes les perdes iniciales nel pasu d'espurríu de la preforma. Tamién ye posible la fabricación de fibres de bien baxa atenuación y de gran calidá por aciu la optimización nel procesu d'ensugáu, porque los perfiles asina llograos son llisos y ensin estructura anular reconocible.

P.C.V.D (Plasma Chemical Vapor Deposition)

Ye desenvueltu pola empresa holandesa Philips y caracterízase pol llogru de perfiles llisos ensin estructura anular reconocible. El so principiu basar na oxidación de los cloruros de siliciu y xermaniu, creando néstos un estáu de plasma, siguíu del procesu de deposición interior.

Etapa d'estiramientu de la preforma

Cualquier téunica que s'utilice que dexe la construcción de la preforma ye común en tolos procesos d'estiramientu d'ésta. La téunica consiste básicamente na esistencia d'un fornu tubular abiertu en que'l so interior sométese la preforma a una temperatura de 2000 °C pa llograr el reblandecimiento del cuarzu y que quede fixu'l diámetru esterior de la FO. Esti diámetru haber de caltener constante mientres s'aplica una tensión sobre la preforma. Pa llograr esto, los factores que lu dexen son precisamente la constancia y uniformidá de la tensión de tracción y l'ausencia de corrientes de conveición nel interior del fornu. Nesti procesu tien de curiase que l'atmósfera interior del fornu tea aisllada de partícules provenientes del esterior pa evitar que la superficie esllandiada de la FO pueda ser contaminada, o que puedan crease microfisuras cola consecuente inevitable frayatu de la fibra. Equí ye onde tamién s'aplica a la fibra un material sintético que xeneralmente ye un polímeru mafosu, que fai posible les elevaes velocidaes d'espurríu entendíes ente $1m/sg$ y $3m/sg$ , formándose asina una capa uniforme sobre la fibra totalmente llibre de burbuyes ya impureces. Darréu pásase al endurecimientu de la proteición antes descrita, quedando asina la capa definitiva de polímeru elásticu. Esto realízase davezu por aciu procesos térmicu o al traviés de procesos de reacciones químiques por aciu l'emplegu de radiaciones ultravioletes.

Aplicaciones

El so usu ye bien variáu: dende comunicaciones dixitales y xoyes, pasando por sensores y llegando a usos decorativos, como árboles de Navidá, veladores y otros elementos similares. Aplicaciones de la fibra monomodo: Cables submarinos, cables interurbanos, etc.

Comunicaciones con fibra óptica

La fibra óptica emplégase como mediu de tresmisión en redes de telecomunicaciones yá que pola so flexibilidá'l conductores ópticos pueden arrexuntase formando cables. Les fibres usaes nesti campu son de plásticu o de vidriu y delles vegaes de los dos tipos. Pola baxa atenuación que tienen, les fibres de vidriu son utilizaes en medios interurbanos.

Sensores de fibra óptica

Xeneralmente, faise una distinción básica ente sensores intrínsecos y sensores estrínsecos. Nel sensor intrínsecu, la fibra en sí mesma ye l'elementu sensorio. Nel casu del sensor estrínsecu, la fibra utilizar pa tresferir les señales d'un sensor remotu a un sistema electrónicu que procesa les señales.

Les fibres óptiques pueden utilizase como sensores pa midir: deformación, temperatura, presión, mugor, campos llétricos o magnéticos, gases, vibraciones y otros parámetros. El so tamañu pequeñu y el fechu de que por elles nun circula corriente llétrica dan-yos ciertes ventayes al respective de los sensores llétricos.

Les fibres óptiques utilícense como hidrófono pa los seísmos o aplicaciones de sonar. Desenvolviéronse sistemes hidrofónicos con más de 1000 sensores usando la fibra óptica. Los hidrófonos son usaos pola industria de petroleu según les marines de guerra de dellos países. La compañía alemana Sennheiser desenvolvió un micrófonu que trabaya con láser y fibres óptiques.

Desenvolviéronse sensores de fibra óptica pa la temperatura y presión de pozos petrolíferos. Estos sensores pueden trabayar a mayores temperatures que los sensores de semiconductores.

Otru usu de la fibra óptica como sensor ye'l xiroscopiu de fibra óptica qu'usen numberoses aeronaves y l'usu en microsensores del hidróxenu.

Los sistemes sensores fotónicos por fibra óptica tienen o pueden tener cuatro partes fundamentales:

El sensor o transductor.
El entrugador, qu'emite y recibe la señal óptica.
El cable ópticu.
Acopladores, multiplexores, amplificadores o conmutadores ópticos (opcional).

El entrugador xenera una señal óptica, que s'empón pol cable ópticu del sensor. Cuando una magnitú, como la presión, temperatura, fluxu, etc. aplicar al sensor, los parámetros fundamentales de la lluz, tales como la intensidá o llonxitú d'onda, camúdense. La lluz retorna modificada al traviés del cable hasta'l entrugador, onde se mide curioso pa determinar la cantidá de cambéu na onda de lluz. Utilícense algoritmos pa convertir la señal óptica nuna señal electrónica cubicada que puede tar coneutada a un sistema de control de procesos, a un sistema d'adquisición de datos, o pa una visualización en tiempu real. Si ye necesaria una etapa de multiplexado son indispensables nuevos componentes, como pueden ser unu o dellos acopladores, o multiplexores en llonxitú d'onda, amplificadores ópticos o un conmutador de fibra óptica.

Los sistemes sensores per fibra óptica pueden ser puntuales o distribuyíos. Si'l entrugador ye capaz de detectar variaciones de dalgún parámetru ópticu (típicamente temperatura o deformación) a lo llargo de tol cable ópticu, el sistema llámase distribuyíu. Estos sistemes presenten la gran ventaya d'utilizar como transductor el mesmu cable ópticu. Los sistemes puntuales monitorizan sensores dispuestos en posiciones concretes dientro d'una rede de sensores. Estos últimos sistemes dexen monitorizar munchos más parámetros que los sistemes distribuyíos (gases, índiz de refraición, etc.) L'algame de los sistemes distribuyíos puede estendese hasta los 120 km dende la unidá d'interrogación. Pa sistemes puntuales, la distancia de monitorización remota puede llegar hasta 250 km.

Llume

Otru usu que se-y da a la fibra óptica ye'l llume de cualquier espaciu. Nos últimos años les fibres óptiques empezaron a ser bien utilizaes por cuenta de les ventayes qu'esti tipu de llume representa:

Ausencia de lletricidá y calor: Esto debe a que la fibra namái tien la capacidá de tresmitir los fexes de lluz, amás de que la llámpara qu'alluma la fibra nun ta en contautu direutu cola mesma.
Puede camudase el color del llume ensin necesidá de camudar la llámpara: Esto debe a que la fibra puede tresportar el fexe de lluz de cualesquier color ensin importar el color de la fibra.
Per mediu de fibres, con una sola llámpara puede faese un llume más amplio: Esto ye por cuenta de que con una llámpara puede allumase delles fibres y asitiales en distintos llugares.

Más usos de la fibra óptica

Puede usase como una guía d'onda n'aplicaciones médiques o industriales nes que ye necesariu emponer un fexe de lluz hasta un blancu que nun s'atopa na llinia de visión.
La fibra óptica puede emplegase como sensor pa midir tensiones, temperatura, presión según otros parámetros.
Ye posible usar latiguillos de fibra xunto con lentes pa fabricar preseos de visualización llargos y delgaos llamaos endoscopios. Los endoscopios usar en medicina pa visualizar oxetos al traviés d'un furacu pequeñu. Los endoscopios industriales usar pa propósitos similares, como por casu, pa inspeicionar l'interior de turbinas.
Les fibres óptiques emplegar tamién pa usos decorativos incluyendo llume, árboles de Navidá.
Llinies d'abonáu
Les fibres óptiques son bien usaes nel campu del llume. Pa edificios onde la lluz puede ser recoyida na azotea y ser llevada por aciu fibra óptica a cualesquier parte del edificiu.
Emplégase como componente na confección del formigón tresllúcíu, invención creada pol arquiteutu húngaru Ron Losonczi, que consiste nun amiestu de formigón y fibra óptica formando un nuevu material qu'ufierta la resistencia del formigón pero adicionalmente, presenta la particularidá de dexar trespasar la lluz de par en par.

Carauterístiques

Nucleu y revestimiento de la fibra óptica.

La fibra óptica ye una guía d'ondes dieléctrica qu'opera a frecuencies óptiques.

Cada filamentu consta d'un nucleu central de plásticu o cristal (óxidu de siliciu y xermaniu) con un altu índiz de refraición, arrodiáu d'una capa d'un material similar con un índiz de refraición llixeramente menor (plásticu). Cuando la lluz llega a una superficie que parte con un índiz de refraición menor, reflexar en gran parte, cuanto mayor seya la diferencia d'índices y mayor l'ángulu d'incidencia, fálase entós de reflexón interna total.

Nel interior d'una fibra óptica, la lluz va reflexándose contra les parés n'ángulos bien abiertos, de tala forma que práuticamente avanza pel so centru. D'esta miente, pueden emponese les señales lluminoses ensin perdes por llargues distancies.

Funcionamientu

Los principios básicos del so funcionamientu xustifíquense aplicando les lleis de la óptica xeométrica, principalmente, la llei de la refraición (principiu de reflexón interna total) y la llei de Snell.

El so funcionamientu basar en tresmitir pol nucleu de la fibra un fexe de lluz, tal qu'esti nun traviese'l revestimiento, sinón que se reflexe y sígase arrobinando. Esto consíguese si l'índiz de refraición del nucleu ye mayor al índiz de refraición del revestimiento, y tamién si l'ángulu d'incidencia ye cimera al ángulu llende.

Ventayes

Una banda de camín bien ancha, lo que dexa fluxos bien elevaos (del orde del GHz).
Pequeñu tamañu, polo tanto ocupa pocu espaciu.
Gran flexibilidá, el radiu de combadura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita la instalación descomanadamente.
Gran llixereza, el pesu ye del orde de dellos gramos per quilómetru, lo que resulta unos nueve vegaes menos que'l d'un cable convencional.
Inmunidá total a les perturbaciones d'orixe electromagnéticu, lo qu'implica una calidá de tresmisión bien bona, una y bones la señal ye inmune a les nubes, chisporroteo...
Gran seguridá: la intrusión nuna fibra óptica ye fácilmente detectable pol debilitamientu de la enerxía llumínica en receición, amás, nun irradia nada, lo que ye particularmente interesante p'aplicaciones que riquen altu nivel de confidencialidad.
Nun produz interferencies.
Insensibilidá a les señales parásites, lo que ye una propiedá principalmente utilizada nos medios industriales fuertemente alteriaos (por casu, nos túneles del metro). Esta propiedá tamién dexa la coesistencia polos mesmos conductos de cables ópticos non metálicos colos cables d'enerxía llétrica.
Atenuación bien pequeña independiente de la frecuencia, lo que dexa salvar distancies importantes ensin elementos activos entemedios. Puede apurrir comunicaciones hasta los 70 km primero que seya necesariu refaer la señal, amás, puede estendese a 150 km utilizando amplificadores láser.
Gran resistencia mecánica, lo que facilita la instalación.
Resistencia al calor, fríu y escomiu.
Facilidá p'alcontrar les cortes gracies a un procesu basáu na reflectometria, lo que dexa detectar rápido'l llugar onde se va faer l'arreglu de l'avería, simplificando'l llabor de caltenimientu.
Factores ambientales.

Desventaxes

A pesar de les ventayes antes numberaes, la fibra óptica presenta una serie de desventaxes frente a otros mediu de tresmisión medios de tresmisión, siendo les más relevantes les siguientes:

L'alta fraxilidá de les fibres.
Necesidá d'usar tresmisores y receptores más costosos.
Los empalmes ente fibres son difíciles de realizar, especialmente nel campu, lo qu'enzanca los arreglos en casu de rotura del cable.
Nun puede tresmitir lletricidá p'alimentar repetidores entemedios.
La necesidá d'efectuar, en munchos casos, procesos de conversión llétrica-óptica.
La fibra óptica convencional nun puede tresmitir potencies elevaes.^[5]
Nun esisten memories óptiques.
La fibra óptica nun tresmite enerxía llétrica, esto llinda la so aplicación onde'l terminal de receición tien de ser energizado dende una llinia llétrica. La enerxía tien d'aprovise por conductores separaos.
Les molécules d'hidróxenu pueden espublizase nes fibres de siliciu y producir cambeos na atenuación. L'agua escome la superficie del vidriu y resulta ser el mecanismu más importante pal avieyamientu de la fibra óptica.
Incipiente normativa internacional sobre dalgunos aspeutos referentes a los parámetros de los componentes, calidá de la tresmisión y pruebes.

Tipos

Les distintes trayectories que puede siguir un fexe de lluz nel interior d'una fibra denominar maneres d'espardimientu. Y según la manera d'espardimientu vamos tener dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo.

Tipos de fibra óptica.

Fibra multimodo

Una fibra multimodo ye aquella na que los fexes de lluz pueden circular por más d'una manera o camín. Esto supón que nun lleguen toos al empar. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos d'espardimientu de lluz. Les fibres multimodo úsense comúnmente n'aplicaciones de curtia distancia, menores a 2 km, ye simple de diseñar y económicu.

El nucleu d'una fibra multimodo tien un índiz de refraición cimera, pero del mesmu orde de magnitú, que'l revestimiento. Debíu al gran tamañu del nucleu d'una fibra multimodo, ye más bono de coneutar y tien una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.

Dependiendo'l tipu d'índiz de refraición del nucleu, tenemos dos tipos de fibra multimodo:

Índiz gradiáu: nesti tipu de fibra, el nucleu tien un índiz de refraición constante en tola seición cilíndrica, tien alta dispersión modal.
Índiz gradual: mientres nesti tipu, l'índiz de refraición nun ye constante, tien menor dispersión modal y el nucleu constituyir de distintos materiales.

Amás, según el sistema ISO 11801 pa clasificación de fibres multimodo según el so anchu de banda inclúyese'l +pichar (multimodo sobre láser) a los yá esistentes OM1 y OM2 (multimodo sobre LED).

OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usa led como emisores.
OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usa led como emisores.
OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usa láser (VCSEL) como emisores.

So OM3 consiguiéronse hasta 2000 MHz km (10 Gbit/s), esto ye, una velocidá 10 vegaes mayor que con OM1.

Fibra monomodo

Una fibra monomodo ye una fibra óptica na que namái s'arrobina una manera de lluz. Llógrase amenorgando'l diámetru del nucleu de la fibra hasta un tamañu (8,3 a 10 micrones) que namái dexa una manera d'espardimientu. La so tresmisión ye paralela a la exa de la fibra. A diferencia de les fibres multimodo, les fibres monomodo dexen algamar grandes distancies (hasta 400 km máximu, por aciu un láser d'alta intensidá) y tresmitir elevaes tases d'información (10 Gbit/s).^{[ensin referencies]}

Tipos según el so diseñu

D'alcuerdu al so diseñu, esisten dos tipos de cable de fibra óptica

Cable d'estructura folgosa

Ye un cable emplegáu tantu pa esteriores como pa interiores que consta de dellos tubos de fibra arrodiando un miembru central de refuerzu y provistu d'una cubierta proteutora. Cada tubu de fibra, de dos a tres milímetros de diámetru lleva delles fibres óptiques que fuelguen holgadamente nél. Los tubos pueden ser buecos o tar llenos d'un xel hidrófugo qu'actúa como proteutor antihumedad torgando que l'agua ente na fibra. El tubu folgosu aislla la fibra de les fuercies mecániques esteriores que s'exerzan sobre'l cable.

El so nucleu complementar con un elementu que-y brinda resistencia a la tracción que bien pue ser de baniella flexible metálica o dieléctrica como elementu central o de hilaturas de Aramida o fibra de vidriu asitiaes periféricamente.

Cable d'estructura afecha

Ye un cable diseñáu pa instalaciones nel interior de los edificios, ye más flexible y con un radiu de combadura más pequeñu que'l que tienen los cables d'estructura folgosa.

Contién delles fibres con proteición secundaria qu'arrodien un miembru central de tracción, tou ello cubiertu d'una proteición esterior. Cada fibra tien una proteición plástica extrusionada direutamente sobre ella, hasta algamar un diámetru de 900 µm arrodiando al recubrimientu de 250 µm de la fibra óptica. Esta proteición plástica amás de sirvir como proteición adicional frente a la redolada, tamién aprove un soporte físicu que sirviría p'amenorgar el so costu d'instalación al dexar amenorgar les bandexes d'empalmes.

Componentes de la fibra óptica

Dientro de los componentes que s'usen na fibra óptica caben destacar los siguientes: los conectores, el tipu d'emisor del fexe de lluz, los conversores de lluz, etc.

Tresmisor d'enerxía óptica. Lleva un modulador pa tresformar la señal electrónica entrante a la frecuencia aceptada pola fonte lluminosa, que convierte la señal electrónica (electrones) nuna señal óptica (fotones) que s'emite al traviés de la fibra óptica.

Detector d'enerxía óptica. De normal ye un fotodiodo que convierte la señal óptica recibida n'electrones (ye necesariu tamién un amplificador pa xenerar la señal)

El so componente ye'l siliciu y conéctase a la fonte lluminosa y al detector d'enerxía óptica. Diches conexones riquen una teunoloxía complexa.

Tipos d'apolazadura

Los estremos de la fibra precisen un acabáu específicu en función de la so forma de conexón. Los acabaos más habituales son:

Planu: Les fibres terminar de forma plana perpendicular a la so exa.
PC (Phisical Contact): Les fibres son terminaes de forma convexa, poniendo en contautu los nucleos de dambes fibres.
SPC (Super PC): Similar al PC pero con un acabáu más finu. Tien menos perdes de torna.
UPC (Ultra PC): Similar al anterior pero entá meyor.
Enhanced UPC: Meyora del anterior p'amenorgar les perdes de torna.
APC (Angled PC): Similar a la UPC pero col planu de corte llixeramente inclináu. Apurre unes perdes similares al Enhanced UPC.

Tipos de conectores

Estos elementos encargar de coneutar les llinies de fibra a un elementu, yá puede ser un tresmisor o un receptor. Los tipos de conectores disponibles son bien variaos, ente los que podemos atopar tópense los siguientes:

Tipos de conectores de la fibra óptica.

FC, que s'usa na tresmisión de datos y nes telecomunicaciones.
FDDI, usar pa redes de fibra óptica.
LC y MT-Array que s'utilicen en tresmisiones d'alta densidá de datos.
SC y SC-Dúplex utilizar pa la tresmisión de datos.
ST o BFOC usar en redes d'edificios y en sistemes de seguridá.

Emisores del fexe de lluz

Estos dispositivos encargar de convertir la señal llétrica en señal lluminosa, emitiendo'l fexe de lluz que dexa la tresmisión de datos, esti emisores pueden ser de dos tipos:

LEDs. Utilicen una corriente de 50 a 100 mA, la so velocidá de modulación ye lenta, solo suélense usar con fibres multimodo, pero'l so usu ye fácil y el so tiempu de vida ye bien grande, amás de ser económicos.
Láseres. Esti tipu d'emisor usa una corriente de 5 a 40 mA, son bien rápidos, puede usase colos dos tipos de fibra, monomodo y multimodo, pero pela cueta el so circuiteria ye más complexa, el so tiempu de vida ye llargu pero menor que'l de los ledes y tamién son davezu más costosos, anque na actualidá hai productos de preciu amenorgáu y altes prestaciones. Na actualidá esisten tamién láseres fabricaos con fibra óptica amplificadora.

Conversores lluz-corriente llétrica

Esti tipu de dispositivos converten les señales lluminoses que vienen de la fibra óptica en señales llétriques. Llindar a llograr una corriente a partir de la lluz modulada incidente, esta corriente ye proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma d'onda de la señal moduladora.

Encontar nel fenómenu opuestu a la recombinación, esto ye, na xeneración de pares electrón-buecu a partir de los fotones. El tipu más senciellu de detector correspuende a una unión semiconductora P-N.

Les condiciones que tien de cumplir un fotodetector pal so usu nel campu de les comunicaciones, son les siguientes:

La corriente inversa (n'ausencia de lluz) ten de ser bien pequeña, p'asina poder detectar señales óptiques bien débiles (alta sensibilidá).
Rapidez de respuesta (gran anchu de banda).
El nivel de ruiu xeneráu por el mesmu dispositivu hai de ser mínimu.

Hai dos tipos de detectores: los fotodiodos PIN y los d'ábanu APD.

Detectores PIN: el so nome vien de que se componen d'una unión P-N y ente esa unión entrepólase una nueva zona de material intrínseco (I), que ameyora la eficacia del detector.

Utilízase principalmente en sistemes que dexen una fácil discriminación ente posibles niveles de lluz y en distancies curties.

Detectores APD: los fotodiodos d'ábanu son fotodetectores qu'amuesen, aplicando un altu voltaxe n'inversa, un efeutu internu de ganancia de corriente (aproximao 100), por cuenta de la ionización d'impautu (efecto avalancha). El mecanismu d'esti detectores consiste en llanzar un electrón a gran velocidá (cola enerxía abonda), contra un átomu por que seya capaz d'arrinca-y otru electrón.

Esti detectores pueden clasificase en tres tipos:

de siliciu: presenten un baxu nivel de ruiu y un rendimientu d'hasta'l 90 % trabayando en primer ventana. Riquen alta tensión d'alimentación (200-300V).
de xermaniu: aptos pa trabayar con llonxitúes d'onda entendíes ente 1000 y 1300 nm y con un rendimientu del 70 %.
de compuestos de los grupos III y V de la tabla periódica.

Cables de fibra óptica

Seición d'un cable de fibra óptica.

Conectores de cable de fibra óptica tipu ST.

Un cable de fibra óptica ta compuestu por un grupu de fibres óptiques pol cual tresmítense señales lluminoses. Les fibres óptiques comparten el so espaciu con filadures de aramida que-y confieren la necesaria resistencia a la tracción.

Los cables de fibra óptica apurren una alternativa sobre los coaxiales na industria de la electrónica y les telecomunicaciones. Asina, un cable con 8 fibres óptiques tien un tamañu muncho más pequeñu que los utilizaos davezu, puede soportar les mesmes comunicaciones que 60 cables de 1623 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8 tubos, tou ello con una distancia ente repetidores enforma mayor.

Per otru llau, el pesu del cable de fibra óptica ye bien de menor que'l de los coaxiales, una y bones una bobina del cable d'ocho fibres antes citáu puede pesar del orde de 30 kg/km, lo que dexa efectuar tendíos de 2 a 4 km d'una sola vegada, ente que nel casu de los cables de cobre nun son práutiques distancies cimeres a 250-300 m.

La fibra óptica” nun se suel emplegar tal que se llogra tres el so procesu de creación (tan solo col revestimiento primariu), sinón qu'hai que dotala de más elementos de refuerzu que dexen la so instalación ensin poner en riesgu al vidriu que lu conforma. Ye un procesu difícil de llevar a cabu, una y bones el vidriu ye argayadizu y pocu dúctil. Amás, la seición de la fibra ye bien pequeña, polo que la resistencia qu'ufierta a rompese ye práuticamente nula. Ye por tanto necesariu protexela por aciu la estructura que denominamos cable.

Funciones del cable

Les funciones del cable de fibra óptica son delles. Actúa como elementu de proteición de la(s) fibra(s) óptica(s) qu'hai nel so interior frente a daños y quebres que puedan producise tantu nel momentu de la so instalación como a lo llargo de la vida útil d'ésta. Amás, apurre abonda consistencia mecánica por que pueda remanase nes mesmes condiciones de tracción, compresión, torsión y medioambientales que los cables de conductores. Pa ello incorporen elementos de refuerzu y aislamientu frente al esterior.

Instalación y esplotación

Referente a la instalación y esplotación del cable, atopamos frente a la cuestión esencial de qué tensión ye la máxima que tien d'almitise mientres el tendíu por que'l cable nun se ruempa y garantícese una vida media d'unos 20 años.

Téuniques d'empalme: Los tipos d'empalmes pueden ser:

Empalme mecánicu col cual pueden provocase perdes del orde de 0,5 dB. L'empalme mecánicu KeyQuick® consigue una atenuación igual a la de la fusión por arcu voltáico, 0,02 dB.
Empalme con pegamentos col cual pueden provocase perdes del orde de 0,2 dB.
Empalme per fusión d'arcu llétricu col cual llógrense perdes del orde de 0,02 dB.

Elementos y diseñu del cable de fibra óptica

La estructura d'un cable de fibra óptica va depender en gran midida de la función que tenga de desempeñar esa fibra. A pesar d'esto, tolos cables tienen unos elementos comunes que tienen de ser consideraos y qu'entienden: el revestimiento secundariu de la fibra o fibres que contién; los elementos estructurales y de refuerzu; la funda esterior del cable, y les proteiciones contra l'agua. Esisten tres tipos de “revestimiento secundariu”:

“Revestimiento cinxíu”: Consiste nun material (xeneralmente plásticu duro como'l nylon o'l poliéster) que forma una corona anular maciza asitiada en contautu direutu col revestimiento primariu. Esto xenera un diámetru esternu final que bazcuya ente 0'5 y 1 mm. Esto apurre a la fibra una proteición contra microcurvaturas, cola salvedá del momentu del so montaxe, qu'hai que xixilar que nun les produza ella mesma.

“Revestimiento folgosu buecu”: Apurre un cuévanu sobredimensionada. Emplégase un tubu buecu extruido (construyíu pasando un metal ingriente pol plásticu) de material duro, pero flexible, con un diámetru variable de 1 a 2 mm. El tubu aislla a la fibra de vibraciones y variaciones mecániques y de temperatura esternu.

“Revestimiento folgosu con rellenu”: El revestimiento folgosu anterior puede rellenase d'un compuestu resistente al mugor, coles mires de torgar el pasu de l'agua a la fibra. Amás hai de ser nidiu, dermatológicamente inocuo, bono d'estrayer, autorregenerativo y estable pa un rangu de temperatures que bazcuya ente los –55 y los 85 °C Ye frecuente l'emplegu de derivaos del petroleu y compuestos de silicona pa esti cometíu.

Elementos estructurales

Los elementos estructurales nun son cable y tienen como misión apurrir el nucleu alredor del cual sofítense les fibres, yá sían trenzadas alredor d'él o esvalixándose de forma paralela a él en ranuras practicaes sobre l'elementu con esi envís.

Elementos de refuerzu

Tienen por misión soportar la tracción a la qu'ésti se ve sometíu por que nenguna de les sos fibres sufra una elongación cimera a la dexada. Tamién tien d'evitar posibles torsiones. Han de ser materiales flexibles y, yá que se van emplegar quilómetros d'ellos han de tener un costu algamadizu. Suélense utilizar materiales como l'aceru, Kevlar y la fibra de vidriu.

Funda

A lo último, tou cable tien una funda, xeneralmente de plásticu que'l so oxetivu ye protexer el nucleu que contién el mediu de tresmisión frente a fenómenos esternos a ésti como son la temperatura, el mugor, el fueu, los golpes esternos, etc. Dependiendo de para qué seya destinada la fibra, la composición de la funda va variar. Por casu, si va ser instalada en canalizaciones de planta esterior, debíu al pesu y a la tracción va bastar con un revestimiento de polietilenos extruidos. Si'l cable va ser aereu, onde namái importa la tracción nel momentu de la instalación va esmolecenos más que la funda ufierte resistencia a les xelaes y al vientu. Si va ser soterráu, vamos querer una funda que, anque seya más pesada, soporte golpes y achaplamientos esternos. Nel casu de les fibres submarines la funda va ser una complexa superposición de delles capes con diverses funciones aislantes.

Perda nos cables de fibra óptica

A la perda de potencia al traviés del mediu conozse como Atenuación, ye espresada en decibelios, con un valor positivu en dB, ye causada por distintos motivos, como l'amenorgamientu nel anchu de banda del sistema, velocidá, eficiencia. La fibra de tipu multimodal, tien mayor perda por cuenta de que la onda lluminosa esvalíxase aniciada poles impureces. Les principales causes de perda nel mediu son:

Perda per absorción
Perda de Rayleigh
Dispersión cromática
Perda por radiación
Dispersión modal
Perda per acoplamientu

Perda per absorción. Asocede cuando les impureces na fibra absuerben la lluz, y esta conviértese n'enerxía calorífica; les perdes normales van de 1 a 1000 dB/km.

Perda de Rayleigh. Nel momentu de la manufactura de la fibra, esiste un momentu onde nun ye líquida nin sólida y la tensión aplicao mientres l'enfriamientu puede provocar microscópiques irregularidaes que se queden permanentemente; cuando los rayos de lluz pasen pola fibra, estos se difractan faciendo que la lluz vaya en distintes direiciones.

Dispersión cromática. Esta dispersión namái se repara nes fibres tipu unimodal, asocede cuando los rayos de lluz emitíos pola fonte y arrobínense sobre'l mediu, nun lleguen al estremu opuestu nel mesmu tiempu; esto puédese solucionar camudando l'emisor fonte.

Perda por radiación. Estes perdes preséntense cuando la fibra sufre de dobleces, esto puede asoceder na instalación y variación na trayeutoria, cuando se presenta discontinuidá nel mediu.

Dispersión modal. Ye la diferencia nos tiempos d'espardimientu de los rayos de lluz.

Perda per acoplamientu. Les perdes por acoplamientu danse cuando esisten uniones de fibra, deber a problemes d'alliniadura.

Conectores

Los conectores más comunes usaos na fibra óptica pa redes d'área local son los conectores ST, LC, FC Y SC.

El conector SC (Set and Connect) ye un conector d'insertamientu direutu que suel utilizase en conmutadores Ethernet de tipu Gigabit. El conector ST (Set and Twist) ye un conector similar al SC, pero rique un xiru del conector pal so insertamientu, de manera similar a los conectores coaxiales.

Tipos de dispersión

La dispersión ye la propiedá física inherente de les fibres óptiques, que define l'anchu de banda y l'interferencia ínter simbólica (ISI).

Dispersión intermodal: tamién conocida como dispersión modal, ye causada pola diferencia nos tiempos d'espardimientu de los rayos de lluz que tomen distintes trayectories por una fibra. Esti tipu de dispersión solo afecta a les fibres multimodo.

Dispersión cromática del material: esto ye la resultancia de los distintes llonxitúes d'onda de la lluz que s'arrobinen a distintes velocidaes al traviés d'un mediu dau.

Dispersión cromática de la guía d'onda: Ye función del anchu de banda de la señal d'información y la configuración de la guía xeneralmente ye más pequeña que la dispersión anterior y polo cual puede despreciase.

Ver tamién

Amplificador ópticu
Terminal de rede ópticu
DWDM
FTTH
Midida de temperatura per fibra óptica
Rede Óptica Sincrona (SONET)
Canal de fibra
Fibra óptica plástica

Referencies

↑ «Les comunicaciones modernes: la revolución del láser y la fibra óptica». National Academy of Sciences. Consultáu'l 1 d'abril de 2015.
↑ Bates, Regis J (2001). Optical Switching and Networking Handbook. Nueva York: McGraw-Hill, páx. 10. ISBN 007137356X.
↑ «Giants of Innovation» (inglés). Corning Incorporated (31 d'avientu de 2007). Archiváu dende l'orixinal, el 2 d'abril de 2015. Consultáu'l 1 d'abril de 2015.
↑ DeCusatis, Casimer (2011). Handbook of Fiber Optic Data Communication: A Practical Guide to Optical Networking. Elsevier Academic Press, páx. 10. ISBN 978-0-12-374216-2. Consultáu'l 1 d'abril de 2015.
↑ «Evaluation of High-power Endurance in Optical Fiber Links» (n'inglés). Furukawa Reviews (24). 2003. ISSN 1348-1797. http://www.furukawa.co.jp/review/fr024/fr24_04.pdf. Consultáu'l 1 d'abril de 2015.

Referencies adicionales

«fibra-optica-300-mbps-1-gbps-1-tbps/ ¿Cuál ye la llende de la fibra óptica? ¿300 Mbps, 1 Gbps, 1 Tbps…?». Consultáu'l 19 de mayu de 2017.

Enllaces esternos

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[1] «Les comunicaciones modernes: la revolución del láser y la fibra óptica». National Academy of Sciences. Consultáu'l 1 d'abril de 2015.

[regis-2] Bates, Regis J (2001). Optical Switching and Networking Handbook. Nueva York: McGraw-Hill, páx. 10. ISBN 007137356X.

[3] «Giants of Innovation» (inglés). Corning Incorporated (31 d'avientu de 2007). Archiváu dende l'orixinal, el 2 d'abril de 2015. Consultáu'l 1 d'abril de 2015.

[4] DeCusatis, Casimer (2011). Handbook of Fiber Optic Data Communication: A Practical Guide to Optical Networking. Elsevier Academic Press, páx. 10. ISBN 978-0-12-374216-2. Consultáu'l 1 d'abril de 2015.

[5] «Evaluation of High-power Endurance in Optical Fiber Links» (n'inglés). Furukawa Reviews (24). 2003. ISSN 1348-1797. http://www.furukawa.co.jp/review/fr024/fr24_04.pdf. Consultáu'l 1 d'abril de 2015.

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