La fibra óptica en profundidad

En mi blog habíamos visto dos entradas sobre fibra óptica. La primera era una introducción con un vídeo animado y la segunda era una web sobre prácticas con fibra óptica.

Ahora voy a tratar el tema con una mayor profundidad.

1. Definición

La fibra óptica es uno de los mecanismos de transporte de datos más usados en la actualidad, debido a que permite transmitir ingentes cantidades de datos a increíbles velocidades (todos conocemos la velocidad a la que viaja la luz c=300000km/sg, para hacernos una idea, una vuelta al mundo por el ecuador son 40000 km).

Una de las ventajas con respecto a los medios basados en electrones es que los pulsos de luz son inmunes a interferencias electromagnéticas.

En la fibra óptica los pulsos de luz (1s) o su ausencia (0s) se transmiten a lo largo de un núcleo central de vidrio o plástico cubierto de un revestimiento que imposibilita la salida de luz al exterior.

El fenómeno óptico que posibilita la transmisión continua del pulso de luz a lo largo del núcleo central es el TIR (Total Internal Reflection): Cuando un rayo de luz debería atravesar de un medio a otro con un determinado ángulo, puede ocurrir que se reflecte completamente la luz en la frontera de los distintos medios, de forma que la luz no atraviese esa frontera y pueda continuar sin pérdidas. Para entenderlo mejor podéis ver el siguiente vídeo a partir de 1m 50sg:

También podemos ver el fenómeno de Reflexión Interna Total en el siguiente esquema:

2. Sistema de transmisión

El conjunto de los elementos para la transmisión de información mediante fibra óptica puede resumirse en los siguiente elementos:

• Codificador de la información eléctrica al medio de luz.
• Fuente de luz, generalmente Láser (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation) o LED (Light Emitting Diode).
• Fibra óptica como medio de transmisión
• Receptor de luz
• Decodificador para transforma la información en la señal eléctrica original
• Estos elementos podéis observarlos en el siguiente esquema:

2. Cables de fibra óptica

La composición básica de este medio de transmisión es la siguiente:

• Núcleo óptico (core). Parte interna donde se propagan los pulsos de luz con la información. Posee un alto índice de refracción tal que con el ángulo de incidencia de la luz es capaz de producirse la reflexión total en la superficie. La fibras monomodo tienen un diámetro de 9 µm y las multimodo entre 50 y 62,5 µm.
• Funda óptica (cladding). Es el recubrimiento intermedio que actúa de elemento con diferente índice de refracción para confinar los pulsos ópticos en el núcleo. Generalmente es del mismo material que el núcleo, pero con aditivos que hacen variar el índice de refracción.
• Revestimiento de protección (coating). Se trata de un revestimiento de plástico que sirve para envolver la fibra, aislándola y protegiéndola de rayaduras, cortes, etc. En ocasiones para aumentar la protección y el tamaño del conductor, después del coating, existen unas fibras asilantes y otro nuevo recubrimiento plástico.

A continuación os muestro un esquema de la composición de un cable de fibra óptica:

2. Tipos de fibra óptica.

Existen dos tipos básicos: monomodo y multimodo. Siendo la definición de modo como un camino de propagación de los pulsos de luz a través un único núcleo.

2.1 Fibra monomodo: Ofrece una gran capacidad de transporte de la información; aunque, debido a sus pequeñas dimensiones, su instalación es complicada, ya que el diámetro de sus fibras es muy pequeño. La propagación de la señal sigue longitudinalmente al eje de la fibra. Solo transmite un haz de luz, aunque a mucha distancia. En general, el núcleo o core tiene una composición distinta a la funda o cladding, por lo que también se la conoce como fibra de índice escalonado.

2.2 Fibra multimodo: Tienen un diámetro de Core mucho mayor, lo que les permite que puedan transmitirse diferentes haces de luz por el mismo núcleo. En las fibras multimodo por utilizar diferentes caminos de transmisión al mismo tiempo, se producen fenómenos ópticos de dispersión lo que reducen la distancia de transmisión. Es decir, conducen más canales de información, pero a menor distancia que las fibras monomodo. El núcleo, al tener un mayor tamaño, es más económico de producir, por tanto la fibra multimodo es más barata. También por este mayor tamaño es más sencillo su acoplamiento mediante fusión. Existen dos tipos de fibras multimodo:

2.2.1 De índice gradual: En las cuales la variación entre los índices de refracción núcleo/revestimiento es gradual, según el ángulo de incidencia cada haz reflejará en una zona, lo que permite que los rayos viajen a distinta velocidad, (menor cuando el ángulo crítico sea menor)

2.2.2 De Salto de índice: Existe una discontinuidad entre los índices de refacción del núcleo y del revestimiento. Las reflexiones de los distintos haces de luz se producirán siempre en la frontera única  según el ángulo de incidencia.

3. Clases de fibra óptica (según sus especificaciones)

La fibra multimodo está disponible en 5 clases aquí tenéis sus especificaciones:

La fibra monomodo solo tiene dos clases: OS1 y OS2. Cn un diámetro de núcleo mucho menor:

4. Tipos de conectores para fibra óptica

Según su estructura física, podemos clasificar los conectores de la siguiente manera:

• Conector FC (Fiber Connector): Conexión mediante rosca.
• Conector ST de punta recta (Straigh Tip). Fue impulsado por la empresa AT&T y durante unos años fue el más utilizado para fibras monomodo.
• Conector SC de conexión recta (Straigh Connector). Con el tiempo ha ido sustituyendo a los conectores ST por su facilidad de instalación y su tamaño reducido.
• Conector LC (Lucent Technologies Connector) . Lleva el nombre de la empresa que lo desarrolló. Sistema de anclaje/desanclaje muy similar a los conectores RJ 45.

Según el tipo de pulido de los conectores, podemos clasificarlos de la siguiente manera:

• Pulido plano. Método antiguo, actualmente en desuso por su mal acabado.
• Pulido PC (Physical Contact). Pulido artesanal, con un ángulo de 30º
• Pulido SPC (Super Physical Contact). Pulido a máquina pocas pérdidas
• Pulido UPC (Ultra Physical Contact). Pulido más fino, pérdidas mínima.
• Pulido APC (Angled Physical Contact).  Pulido ultra fino y con un ángulo de 8º.

Para una instalación ICT actual, los conectores deben ser SPC, UPC o APC, con su correspondiente adaptador para conexión en el registro principal óptico del edificio y en la roseta óptica del PAU de cada vivienda.

5. Tipos de empalmes para la unión de cables de fibra óptica

• Empalme por fusión: Unión de dos tramos mediante una máquina de fusión o fusionadora. Primero alineamos con precisión las dos fibras. Después en el punto de unión se genera calor mediante un arco eléctrico que las suelda (pérdidas por debajo de 0,1 dB.
• Empalme por unión mecánica: Unimos dos fibras alineadas mediante un conector de reducidas dimensiones que las asegura mecánicamente. Pérdidas variarán entre los 0,1 y 0,8 dB.

6. Cajas y rosetas de una Red de fibra óptica:

• Caja de interconexión: Es una caja que se conecta a la entrada del edificio y hará las funciones de registro principal óptico para dividir la señal óptica a las distintas viviendas. Se distinguen dos áreas: El módulo de entrada para las redes de los distintos operadores de fibra y el módulo de salida hacia la red de fibra interior del edificio.

• Caja de segregación: Se utilizan para proteger y mantener los nodos y empalmes dentro de la red interna del edificio. Discriminará (segregar) los lugares a donde dirigir los cables dentro de la red de distribución. Es importante señalar que la caja estará diseñada para garantizar que los cables mantengan un radio de curvatura mínimo de 15mm, puesto que radios de curva menores podrían romper la fibra

• Roseta de fibra óptica: La roseta aloja la terminación de la red de fibra justo donde se conecta el usuario, generalmente mediante un Router que conexionará la red de internet y la red local de la casa mediante WiFi o cables JR 45.

A continuación podéis ver un vídeo del funcionamiento de una fusionadora de fibra: