[ FIBRA ÓPTICA ]
La fibra óptica como medio de transmisión

Por Ramón Alós de Optral, S.A.

Previamente a la descripción de los equipos para transmisión por fibra óptica de Optral, hemos pensado que sería de interés hacer una pequeña relación de los conceptos que usualmente se manejan en cualquier sistema que utiliza la fibra óptica como medio físico de transmisión.

En absoluto queremos que este breve capítulo se pueda considerar como una exhaustiva explicación acerca de la utilización de cables de fibra óptica, sino más bien como un primer acercamiento de forma global al mundo de las comunicaciones ópticas que cada día con más frecuencia se encuentra presente en múltiples aplicaciones.
Nos gustaría con esta reseña, acercar la fibra óptica y los equipos que forman parte de un sistema de comunicaciones por fibra óptica a todos aquellos técnicos que habitualmente se encargan diseñar sistemas de comunicaciones y que aún recelan de la utilización de la misma como alternativa para los mismos, ya sea por un desconocimiento o por la creencia cada vez menos cierta del mayor coste de una instalación con fibra óptica. Es nuestro objetivo con esta comunicación.

Breve historia de la fibra óptica

Las ondas de luz son una forma de energía electromagnética y la idea de transmitir información por medio de luz, como portadora, tiene más de un siglo de antigüedad. Hacia 1880, Alexander G. Bell construyó el fotófono que enviaba mensajes vocales a corta distancia por medio de la luz. Sin embargo, resultaba inviable por la falta de fuentes de luz adecuadas.

Con la invención y construcción del láser en la década de los 60 volvió a tomar idea la posibilidad de utilizar la luz como soporte de comunicaciones fiables y de alta potenciabilidad de información, debido a su elevada frecuencia portadora 1014 Hz. Por entonces, empezaron los estudios básicos sobre modulación y detección óptica.

Los primeros experimentos sobre transmisión atmosférica pusieron de manifiesto diversos obstáculos como la escasa fiabilidad debida a precipitaciones, contaminación o turbulencias atmosféricas.
El empleo de fibras de vidrio como medio guía no tardó en resultar atractivo: tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y coste. En concreto, las fibras de vidrio permitían guiar la luz mediante múltiples reflexiones internas de los rayos luminosos, sin embargo, en un principio presentaban elevadas atenuaciones.

En 1966 se produce un gran hito para los que serán las futuras comunicaciones por fibra óptica, y es la publicación por Kao y Hockman de un artículo en el cual se señalaba que la atenuación observada hasta entonces en las fibras de vidrio, no se debía a mecanismos intrínsecos sino a impurezas originadas en el proceso de fabricación.
A partir de esta fecha empiezan a producirse eventos que darán como resultado final la implantación y utilización cada vez mayor de la Fibra Óptica como alternativa a los cables de cobre:

  • 1970 Corning obtiene fibras con atenuación 20 dB/km.
  • 1972 Fibra Óptica con núcleo líquido con atenuación 8 dB/km.
  • 1973 Corning obtiene Fibra Óptica de SiO2 de alta pureza con atenuación 4 dB/km y deja obsoletas a las de núcleo líquido.
  • 1976 NTT y Fujikura obtienen Fibra Óptica con atenuación 0,47 dB/km en 1300 nm, muy próximo al límite debido a factores intrínsecos (Rayleigh).
  • 1979 Se alcanzan atenuaciones 0,12 dB/km con fibras monomodo en 1550 nm. También en 1975 se descubría que las fibras ópticas de SiO2 presentan mínima dispersión en torno a 1300 nm, lo cual suponía disponer de grandes anchuras de banda para la transmisión, en cuanto la dispersión del material de la fibra constituye un factor intrínseco limitativo. Las nuevas posibilidades que ofrecían las fibras ópticas también estimularon la investigación hacia fuentes y detectores ópticos fiables, de bajo consumo y tamaño reducido.
  • 1970 Primer láser de AIGaAs capaz de operar de forma continua a temperatura ambiente. Sin embargo, el tiempo de vida medio era de unas pocas horas. Desde entonces, los proceso han mejorado y hoy es posible encontrar diodos láser con más de 1.000.000 horas de vida media.
  • 1971 C.A. Burrus desarrolla un nuevo tipo de emisor de luz, el LED, de pequeña superficie radiante, idóneo para el acoplamiento en fibras ópticas Por lo que se refiere a los fotodetectores, los diodos PIN y los de avalancha a base de Si, fueron desarrollados sin dificultades y ofrecían buenas características. Sin embargo, no podían aplicarse en longitud de onda > 1100 nm. El Ge era un buen candidato a ser utilizado para trabajar entre 1100 y 1600 nm, y ya en 1966 se disponía de ellos con elevadas prestaciones eléctricas. Sin embargo, la corriente de oscuridad (ruido) del Ge es elevada y da motivo a ensayos con fotodiodos con materiales como el InGaAsP. El primer PIN de InGaAs se realiza en 1977.

Ventajas de las comunicaciones por fibra óptica

Existen principalmente tres implementaciones diferentes del canal físico. Estas son el par trenzado, el coaxial y la fibra óptica.
Será por tanto, importante justificar la utilización de la fibra óptica, ya que de su elección vendrán determinadas las especificaciones del sistema final. Aquí sólo comentaremos algunas de las ventajas más importantes de este medio, como son:

Ancho de banda: la capacidad potencial de transportar información crece con el ancho de banda del medio de transmisión y con la frecuencia de portadora. Las fibras ópticas tienen un ancho de banda de alrededor de 1 THz, aunque este rango está lejos de poder ser explotado hoy día. De todas formas el ancho de banda de las fibras excede ampliamente al de los cables de cobre.

Bajas pérdidas: las pérdidas indican la distancia a la cual la información puede ser enviada. En un cable de cobre, la atenuación crece con la frecuencia de modulación. En una fibra óptica, las perdidas son las mismas para cualquier frecuencia de la señal hasta muy altas frecuencias.

Inmunidad electromagnética: la fibra no irradia ni es sensible a las radiaciones electromagnéticas, ello las hace un medio de transmisión ideal cuando el problema a considerar son las EMI.

Seguridad: Es extremadamente difícil intervenir una fibra, y virtualmente imposible hacer la intervención indetectable, por ello es altamente utilizada en aplicaciones militares.

Bajo peso: Un cable de fibra óptica pesa considerablemente menos que un conductor de cobre.

Fibras ópticas

El conductor de fibra óptica está compuesto por dos elementos básicos:

El núcleo (core) y el recubrimiento (cladding), cada uno de ellos formado por material conductor de las ondas luminosas. Así cuando hablamos de fibras de 50/125, 62.5/125 o 10/125 mm, nos estamos refiriendo a la relación entre el diámetro del núcleo y el del recubrimiento.

Otro parámetro importante en una fibra es su apertura numérica. En los conductores de fibra óptica se utiliza el efecto de la reflexión total para conducir el rayo luminoso por su interior. El ángulo necesario para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior recibe el nombre de ángulo de aceptación. Pues bien, el seno de este ángulo se denomina apertura numérica.

Un parámetro extrínseco a la fibra óptica es la ventana de trabajo. Cuando hablamos de ventanas de trabajo nos referimos a la longitud de onda central de la fuente luminosa que utilizamos para transmitir la información a lo largo de la fibra. La utilización de una ventana u otra determinará parámetros tan importantes como la atenuación que sufrirá la señal transmitida por kilómetro.

Las ventanas de trabajo más corrientes son: Primera ventana a 850 nm, segunda ventana a 1300 nm y tercera ventana a 1550 nm. La atenuación es mayor si trabajamos en primera ventana y menor si lo hacemos en tercera. El hecho de que se suela utilizar la primera ventana en la transmisión de una señal es debido al menor coste de las fuentes luminosas utilizadas, al ser tecnológicamente más simple su fabricación.

Por último hablaremos de la atenuación en las fibras como parámetro importante a destacar. Es producida por tres causas: Dispersión, debida a defectos microscópicos de la fibra; absorción, debida a materiales no deseados de la fibra y flexión debida a las curvaturas.

Tipos de fibra óptica

Se pueden realizar diferentes clasificaciones acerca de las fibras ópticas, pero básicamente existen dos tipos: fibra multimodo y monomodo.

  • Fibras multimodo. El término multimodo indica que pueden ser guiados muchos modos o rayos luminosos, cada uno de los cuales sigue un camino diferente dentro de la fibra óptica. Este efecto hace que su ancho de banda sea inferior al de las fibras monomodo. Por el contrario los dispositivos utilizados con las multimodo tienen un coste inferior (LED). Este tipo de fibras son las preferidas para comunicaciones en pequeñas distancias, hasta 10 km.
  • Fibras monomodo. El diámetro del núcleo de la fibra es muy pequeño y sólo permite la propagación de un único modo o rayo (fundamental), el cual se propaga directamente sin reflexión. Este efecto causa que su ancho de banda sea muy elevado, por lo que su utilización se suele reservar a grandes distancias, superiores a 10 km, junto con dispositivos de elevado coste (LASER).

    Estructura de los cables de fibra óptica

    • Estructura ajustada: está formada por un tubito de plástico o vaina en cuyo interior se encuentra alojado, en forma estable, el conductor de fibra óptica. La vaina debe ser fácil de manejar de forma similar a un cuadrete o un par coaxial. Pueden ser cables tanto monofibra, como bifibra. Sus aplicaciones más frecuentes son: cortas distancias, instalaciones en interiores, instalaciones bajo tubo, montaje de conectores directos y montaje de latiguillos.
    • Estructura holgada: en lugar de un solo conductor se introducen de dos a doce conductores de fibras ópticas en una cubierta algo más grande que la vaina del caso anterior, de esta forma los conductores de fibra no se encuentran ajustados a la vaina. Además se suele recubrir todo el conjunto con un gel para que no penetre el agua en caso de rotura del cable. Principalmente se dividen en cables multifibras armados (antihumedad y antirroedores con fleje de acero) y cables multifibra dieléctrico (cable totalmente dieléctrico). Como aplicaciones más importantes tenemos conexiones a largas distancias e instalaciones en exteriores.

    Conectores para fibra óptica

    Los tipos de conectores más frecuentes se relacionan en la Tabla I.

    Emisores y receptores ópticos

    Las fuentes ópticas se precisan para convertir las señales eléctricas en ópticas y actúan como transductores electro-ópticos en los extremos de transmisión.
    Las fuentes ópticas han de ser pequeñas y de bajo consumo pero capaces de ser moduladas a altas velocidades y de buena estabilidad con la temperatura, alta pureza espectral y capaces de generar la mayor potencia posible. Las fuentes más comúnmente utilizadas son el LED y el LASER. Las diferencias más significativas son las siguientes:

    • LED: es un emisor de baja potencia y precio relativamente económico que se utiliza para cortas y medias distancias. En general, se utiliza en primera ventana (850nm) y segunda ventana (1300 nm) en fibras multimodo.
    • LASER: es un dispositivo de alta potencia y por tanto utilizado para grandes distancias, además de tener un precio más elevado que el del LED. Su aplicación se centra en segunda ventana (1300 nm) en fibras monomodo.

    El detector óptico se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica y por tanto actúa como un transductor óptico-eléctrico. Estos dispositivos absorben los fotones (luz) procedentes de la fibra óptica y generan una corriente eléctrica sobre un circuito exterior. Existen básicamente dos tipos de detectores: PIN y APD.

    • PIN: se trata de una versión mejorada de una unión PN elemental que trabaja polarizado en inversa. Son utilizados de forma general en 850 nm y 1300 nm, con independencia del tipo de fibra óptica.
    • APD: También conocido por el nombre de fotodiodo de avalancha. Se trata de una unión PN polarizada fuertemente en inversa cerca de la región de ruptura que origina un efecto multiplicativo de la corriente generada. Su utilización es escasa debido a las elevadas tensiones de polarización (centenares de voltios) que lo hacen desaconsejable.

    Cálculo de un enlace de fibra óptica

    Es frecuente, incluso entre expertos que diseñan sistemas de comunicaciones por fibra óptica, hacerse preguntas del tipo: ¿Puede el equipo X transmitir a una distancia de 3 km sin repetidores?, cuando esta clase de preguntas están formuladas de forma errónea ya que la respuesta no sólo depende de la potencia óptica del transmisor.

    Así en un enlace de fibra óptica hemos de tener en cuenta además de la potencia del transmisor, la sensibilidad del receptor, la atenuación por kilómetro del cable de fibra utilizado, el número de empalmes que realizaremos y los conectores utilizados. Es por ello que no se puede dar a priori una respuesta más que aproximada a la pregunta original. En este apartado veremos someramente como realizar el cálculo de las pérdidas en un enlace para decidir con ello si debemos instalar equipos que trabajen en primera o en segunda ventana, o si necesitamos una calidad de cable mayor a la que inicialmente se había pensado.

    Supongamos que deseamos trasmitir una señal de TV en banda base a un centro de control de tráfico situado a 2500 metros. Para ello hemos decidido situar a pie de cámara nuestro modelo TX11-1204, y en el centro de control de tráfico un RX11-1206 (ambos equipos trabajan en primera ventana (850 nm), para la cual se han hecho los cálculos). Además deberemos realizar cuatro empalmes y dos cenectorizaciones, una a cada extremo.
    A partir de los datos anteriores calcularemos el margen de diseño que disponemos:

    • Potencia de transmisión del TX11-1204: -14 dBm
    • Sensibilidad del receptor RX11-1206: -29 dBm
    • Ganancia disponible del sistema: 15 dB
    • 4 empalmes por fusión (0,1 dB cada uno): 0,4 dB
    • 2500 metros de cable de fibra óptica (3,5 dB/km): 8,75 dB
    • 2 conectores ST (0,5 dB máx. por conector): 1,0 dB
    • Total de pérdidas: 10,15 dB
    • Margen de diseño: 4,85 dB

    Como podemos ver disponemos de 4,85 dB de margen. Es recomendable que se disponga de un margen de 3 dB, ya que los valores utilizados para las pérdidas pueden variar debido a efectos de temperatura, extensiones del enlace, empalmes adicionales debido a restauraciones de emergencia,... Por tanto, para el caso que acabamos de presentar, los equipos utilizados resultan totalmente válidos, asegurando u funcionamiento correcto del enlace.

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