Fundamentos de las Fibras pticas

1.- Fundamentos de las fibras pticas

Las fibras pticas basan su funcionamiento en las leyes de la reflexin y de la

refraccin de la luz. Para ello se debe de tener en cuenta que cuando un rayo de

luz incide sobre la superficie de separacin de dos medios transparentes

distintos, parte de la luz resulta reflejada permaneciendo en el primer medio y

parte de la luz resulta refractada, penetrando en el segundo medio.

Las leyes de la

reflexin y de la refraccin son distintas, y se enuncian a continuacin:

La ley de la reflexin de la

luz establece que todo rayo de luz que incide en una superficie reflectante, saldr

reflejado con un ngulo igual al ngulo de incidencia y de tal forma que tanto el

rayo incidente como el reflejado y la perpendicular a la superficie reflectante en

el punto de incidencia estn en el mismo plano.

La ley de la refraccin o ley de Snell es la indicada a continuacin:

Como se puede ver en el

dibujo, se supone que el rayo de luz viene desde una sustancia o medio con

ndice de refraccin n1 y entra en otra sustancia o medio con ndice de

refraccin n2. Se ve claramente que si n2 > n1 entonces sen 2 < sen 1, y por lo

tanto cuanto menor es el seno, menor es el ngulo. Por eso, el ngulo 2 es menor

que el ngulo 1. Veamos un ejemplo numrico. Si imaginamos un rayo de luz que

pasa desde el vidrio al agua, y cuyos ndices de refraccin son los indicados en la

figura y calculamos cual es el ngulo de refraccin, suponiendo que el ngulo de

incidencia son 30.

Aplicando la ley de

Snell tenemos que:

n1 x sen 1 = n2 x sen 2

Y sustituyendo los valores indicados en la figura

1,46 sen 30 = 1,33 sen 2 y como sen 30 = 0,5 entonces

0,73 = 1,33 sen 2

De donde sen 2= 0,73 / 1,33 = 0,5488

Finalmente utilizando la funcin arc sen calculamos el ngulo 2 tambin

llamado ngulo de refraccin

2 = arc sen 0,5488 = 33,28

Si realizamos los clculos para otro ngulo distinto de incidencia, por ejemplo,

si en lugar de valer 30 el ngulo de incidencia, pasa a valer 66, entonces el

ngulo de refraccin valdr:

n1 x sen 1 = n2 x sen 2

Y sustituyendo valores

1,46 sen 66 = 1,33 sen 2 y como sen 66 = 0,9135 tenemos que:

1,33 = 1,33 sen 2

De donde se obtiene 2 = arc sen (1,33 /1,33) = arc sen 1 = 90 . En la

siguiente figura se puede ver lo que pasa cuando el ngulo de refraccin es de

90

Para cualquier ngulo de incidencia mayor que el ngulo crtico, es decir, en el

ejemplo anterior del vidrio y del agua, para cualquier ngulo de incidencia mayor

que 66 , se produce un ngulo de refraccin mayor que 90, o lo que es lo mismo,

la denominada reflexin total

Esto ltimo es en lo que est

basada la fibra ptica. La luz que va por el interior de la fibra ptica va sufriendo

una reflexin total cada vez que intenta salir del ncleo y entrar en la cubierta.

Como la reflexin total sigue la ley de la reflexin, el ngulo de entrada es

igual al de salida, y por lo tanto en las siguientes reflexiones a lo largo

de la fibra se mantiene el ngulo

Por lo tanto la fibra

ptica por dentro no tiene nada parecido a un espejo, de tal manera que la luz va

rebotando en ese espejo. Realmente no hace falta que haya espejos ni nada por el

estilo. Simplemente con que el ncleo de vidrio y la cubierta, tambin de vidrio,

tengan ndices de refraccin distintos, ya es suficiente para que la luz vaya

rebotando sin salirse del ncleo, siempre y cuando el ngulo con el que entran los

rayos de luz del ncleo a la cubierta sea mayor que el ngulo crtico.

Para ver este fenmeno de forma experimental, solo hace falta un vaso de agua y

un puntero lser. Se observa que a partir del ngulo crtico el rayo lser

directamente se refleja en la superficie del agua, producindose el

fenmeno de reflexin total.

Se debe de tener en

cuenta que cada sustancia transparente tiene un ndice de refraccin

distinto, y que adems dicho ndice vara con la longitud de onda. Esto

ltimo tiene una importancia fundamental ya que si la luz utilizada para la

transmisin por fibra ptica est compuesta de diferentes longitudes de onda,

cada longitud de onda circular a una velocidad distinta por la fibra,

producindose una dispersin de la seal (los pulsos de luz en la entrada aparecen

de forma redondeada en la salida)

Nota: Todos los ndices de refraccin de las tablas anteriores estn medidos con

luz de sodio de longitud de onda de 589 nm.

Como curiosidad tcnica, las leyes de la reflexin y de la refraccin aunque se

pueden comprobar de forma experimental tambin tienen una

demostracin matemtica relativamente sencilla. En el caso de la Ley de la

Refraccin o Ley de Snell la demostracin se basa en considerar al rayo de

luz como un frente de ondas que avanza con un cierto ngulo por un medio y

penetra en otro medio de distinto ndice de refraccin, tal y como se muestra en

la siguiente figura:

El frente de ondas que atraviesa el medio 1, lo hace con un ngulo 1 de tal manera

que la parte izquierda del frente de ondas alcanza al medio 2 en el punto A

mientras que la parte derecha del frente de ondas alcanzar al medio 2 en el punto

B despus de un tiempo t, por tener que recorrer la distancia que hay entre P y B.

Cuando esta parte derecha del frente de ondas alcanza el punto B, la parte

izquierda del frente de ondas se encuentra ya en el punto B. Puesto que la

velocidad por el medio 2 es ms pequea que por el medio 1, la distancia recorrida

AB ser menor que la distancia PB y el nuevo frente de ondas no ser

paralelo al inicial. La luz resulta refractada.

Examinando el tringulo APB se deduce que:

Examinando el tringulo inferior ABB deducimos que:

Y puesto que AB es igual en las dos expresiones, tenemos finalmente:

Que es la ley de Snell

Esta refraccin de la luz al cambiar de medio puede ser tal que se produzca el

fenmeno de reflexin total, que es el mecanismo por el cual la luz avanza por

el ncleo de las fibras ptica multimodo con muy bajas prdidas. Como

curiosidad tcnica, aprovechando que el ndice de refraccin tpico del vidrio es

de 1.50, el ngulo lmite cuando la luz pasa del aire al vidrio es de

aproximadamente 42. Este ngulo, al ser menor que 45, permite la

construccin de muchos instrumentos de ptica que aprovechan el fenmeno

de reflexin total, como por ejemplo los prismas de las cmaras fotogrficas

de tipo Reflex.

Los prismas de reflexin total tienen la ventaja de que reflejan la

luz totalmente, mientras que ninguna superficie metlica refleja el 100% de la

luz incidente. En segundo lugar, las propiedades reflectantes son permanentes y

no se alteran por el deslustrado de las superficies, cosa que no sucede con los

espejos. El nico inconveniente que tienen es que no toda la luz que incide en el

prisma entra en su interior, porque un poco siempre resulta reflejada.

2.- Atenuacin en las fibras pticas y ventanas de trabajo.

En la transmisin por fibras pticas se utiliza luz de unas determinadas

longitudes de onda. En la siguiente imagen se muestra el espectro completo de

radiacin electromagntica.

Cuando la luz atraviesa la fibra ptica resulta atenuada por dos causas

diferentes:

Causas intrnsecas: Se deben a causas que tienen que ver con el proceso de

fabricacin de las fibras pticas y donde el instalador no puede hacer nada

para corregirlas. Las prdidas intrnsecas ms importantes se deben a

la llamada Dispersin de Rayleigh y a la absorcin. La dispersin de Rayleigh

se produce por las no uniformidades microscpicas de las fibras y son

causantes en las fibras actuales del 90% de las prdidas. Las prdidas por

absorcin se deben a impurezas y molculas de agua que quedan en el interior

de la fibra y que absorben parte de la luz transformndola en calor, atenuando

por tanto la luz a medida que atraviesa la fibra ptica.

Al igual que sucede con la absorcin, las prdidas por dispersin de Rayleigh

aumentan con la distancia recorrida por la luz en el interior de la fibra, y

son mayores cuanto menor es la longitud de onda respecto del tamao de las

impurezas en la fibra. Estas prdidas adems no son lineales, sino que son

inversamente proporcionales a la longitud de onda elevada a la cuarta

potencia. Las prdidas por dispersin de Rayleigh tambin son distintas segn el

tipo de material utilizado para la fabricacin de la fibra ptica, por lo que existen

diferentes tipos de fibras con diferentes coeficientes de atenuacin total (db/km).

Causas extrnsecas: Se deben a procedimientos defectuosos de instalacin

y son por tanto un tipo de prdidas que el instalador puede reducir si instala

la fibra ptica de forma adecuada. Las prdidas ms importantes por causas

extrnsecas son las prdidas por radios de curvatura demasiado pequeos y

por suciedad en los conectores. Tambin por tensiones excesivas durante la

instalacin y por torsiones de la fibra ptica se pueden producir las

denominadas micro curvaturas, las cuales tambin producen atenuacin

en la luz transmitida.

Las prdidas de tipo intrnseco varan en funcin de la longitud de onda utilizada.

Las prdidas de Rayleigh son mayor cuanto menor es la longitud de onda respecto

del tamao de las impurezas de la fibra. Por lo tanto, las prdidas de Rayleigh

son menores para longitudes de onda mayores. Las prdidas por absorcin tienen

un mnimo sobre los 1550 nm, aumentando hacia la zona del ultravioleta y

tambin hacia la zona del infrarrojo. Las prdidas por imperfecciones de la gua

(micro curvaturas producidas en el propio proceso de fabricacin) son

prcticamente constantes para cualquier longitud de onda. Juntando todos los

efectos, se obtiene la grfica mostrada a continuacin:

Se observa que hay unas zonas donde la atenuacin es mnima, que corresponden

a las denominadas ventanas de 1330 nm y de 1550 nm. Tambin se observa que

hay una zona sobre los 850 nm donde las prdidas no son mnimas pero s que

son constantes, lo cual es un requisito fundamental en el trabajo con fibras

pticas. Esta ltima ventana, denominada 1 ventana, corresponde a una zona

muy habitual de trabajo con fibras pticas de tipo multimodo.

3.- Fibras pticas multimodo y fibras pticas monomodo

Atendiendo al tamao del ncleo y del revestimiento de la fibra ptica, las fibras

son de tipo multimodo o de tipo monomodo:

Las fibras pticas multimodo tienen la ventaja de exigir un acople de la luz menos

preciso, al permitir el trabajo tanto con fuente de luz Lser como con fuente de

luz Led. Las fibras de tipo monomodo trabajan nicamente con fuente de

luz Lser. Pero las fibras pticas multimodo tienen el inconveniente de que

poseen un ancho de banda menor que las fibras monomodo. Un ancho

de banda menor significa que por una fibra multimodo la velocidad mxima en

bits por segundo va a ser menor que en una fibra monomodo. Esta menor

velocidad se produce por la denominada dispersin modal de las fibras

pticas.

La dispersin modal es la principal causa de la limitacin del ancho de banda en

las fibras pticas. Esta dispersin modal provoca que pulsos estrechos de luz en

la entrada se conviertan en pulsos redondeados y de mayor duracin:

Si se introduce un solo impulso de luz, debido a la dispersin modal ste resulta

redondeado en la salida. Si se introducen muchos pulsos de luz seguidos, es

decir, muchos bits seguidos, entonces los pulsos de luz se solapan en la salida,

impidiendo al receptor reconocer los pulsos de luz emitidos.

Es decir, las fibras pticas al igual que todos los medios de transmisin, tambin

tienen un lmite fsico de velocidad mxima de transmisin en bps (Teorema de

Shannon). En las fibras pticas multimodo est limitacin de velocidad se

produce, fundamentalmente, por la dispersin modal. En cambio, en las fibras

monomodo, al haber solo un modo o rayo de luz, no se produce dispersin

modal, pero s que se produce la denominada dispersin cromtica, que es

debida a la diferente velocidad por la fibra de las diferentes longitudes de onda

de la luz transmitida. Aun utilizando una fuente de luz muy pura, como es la luz

lser, siempre existen varias longitudes de onda y por lo tanto siempre se

producir un poco de dispersin cromtica.

La dispersin cromtica se mide en ps/nm x km y este valor interesa que sea lo

ms pequeo posible. Al igual que con la dispersin modal, una dispersin

cromtica excesiva produce ensanchamiento de los pulsos y disminucin de la

velocidad mxima en bps.

4.- Fibras pticas multimodo de ndice gradual

Hoy en da la mayora de las fibras pticas de tipo multimodo son de ndice

gradual. En estas fibras el ndice de refraccin del ncleo no es constante, sino

que va variando de forma progresiva mediante una ley matemtica calculada al

efecto. De esta manera los rayos de luz que van por el centro del ncleo de la fibra

y que recorren un camino ms corto van ms lentos (ndice de refraccin mayor)

que los rayos de luz que recorren un camino ms largo. Con esto se

consigue reducir la dispersin modal y aumentar en consecuencia el ancho

de banda de la fibra ptica:

5.- Fibras pticas multimodo y sus especificaciones bsicas

Las fibras pticas multimodo se dividen actualmente en cuatro tipos: OM1,

OM2, OM3 yOM4. Las fibras de tipo OM1 son de 62,5/125 y las OM2, OM3 y

OM4 son de 50/125, y todas ellas son de ndice gradual. En la siguiente tabla,

obtenida de la documentacin tcnica de Corning (www.corning.com) se

muestran dichas caractersticas:

Se observa que la diferencia entre las fibras OM2 y las OM3/OM4 es que estas

ltimas estn optimizadas para su funcionamiento con lser. Se debe de tener en

cuenta que la denominacin de las fibras multimodo segn los

diferentes estndares es la mostrada a continuacin:

Si consultamos la pgina web de un distribuidor de fibras pticas como es Optral

(www.optral.es) encontraremos la siguiente informacin respecto de las fibras

pticas multimodo:

Se observa que dentro de las fibras multimodo tambin estn las fibras de tipo

PCF y las fibras plsticas. Este tipo de fibras, como se ver posteriormente, solo

se utilizan para aplicaciones de baja velocidad o en aplicaciones de poca longitud.

Las fibras pticas multimodo de 62,5/125 durante muchos aos han sido las ms

utilizadas, dada la dificultad mayor de acoplar la luz a las fibras multimodo de

50/125. Hoy en da, con los nuevos lseres de tipo VSCEL, los transceiveres

pticos por lser tienen un coste muy asequible y permiten el uso sin dificultad

con fibras de tipo 50/125, las cuales al tener un ncleo ms estrecho

tienen menor dispersin modal y por lo tanto tienen un ancho de banda

mayor, permitiendo una mayor velocidad en bps.

En la tabla anterior se muestran las caractersticas de las fibras OM2, OM3 y

OM4 (de 50/125) junto con las OM1 (62,5/125). Se observa que cada tipo

tiene un ancho de banda distinto, y que con longitud de onda de 850nm, la

dispersin modal es menor y por tanto es mayor su ancho de banda, aunque a

850nm tambin aumentan las prdidas debido a la dispersin de Rayleigh y por

lo tanto aumenta la atenuacin en dB/Km.

Se debe de tener en cuenta que la atenuacin total se calcula multiplicando la

atenuacin en dB/Km por los kilmetros de fibra ptica instalada, pero el ancho

de banda medido en MHz x Km permite calcular solo de forma aproximada el

ancho de banda efectivo para una determinada longitud total de instalacin de

fibra ptica. En realidad, cuando se dobla la longitud de un determinado enlace

de fibra ptica no se verifica que el ancho de banda se reduce a la mitad.

Como se indic anteriormente, la atenuacin de las fibras pticas en la primera

ventana, a una longitud de onda de 850 nm, es mayor que en segunda ventana.

Eso puede dar lugar a pensar que siempre es mejor trabajar en esta segunda

ventana. Pero si se observan los datos de ancho de banda de las fibras pticas de

tipo multimodo, fcilmente se aprecia que en algunos tipos de fibra (OM3 y

OM4), el ancho de banda es mayor en primera ventana que en segunda

ventana. Esto es debido a que cuanto menor es la longitud de onda (primera

ventana), menos modos o rayos de luz se producen en el interior de la fibra

ptica, producindose por tanto menor dispersin modal.

Por eso, para aplicaciones de alta velocidad y corta distancia, como es el caso

de 10 Gbps en troncales de edificio o en un Data Center, se utiliza

obligatoriamente fibra ptica multimodo de tipo OM3 u OM4 a 850 nm. Si

utilizamos fibras pticas multimodo a 1300nm (segunda ventana) no es posible

alcanzar velocidades de 10Gbps. Cuando las distancias a cubrir son muy grandes,

es imprescindible que la atenuacin no sea excesiva y entonces solo cabe la

posibilidad de trabajar en segunda o tercer ventana, y la nica manera de

tener un ancho de banda suficiente en estas ventanas es el utilizar fibras pticas

monomodo.

Las fibras pticas monomodo tienen un coeficiente de atenuacin mucho ms

pequeo que las fibras multimodo, por el hecho de trabajar en longitudes de onda

mayor (3, 4 e incluso 5 ventana en las nuevas fibras pticas monomodo).

Adems, al no existir dispersin modal sino tan solo la

denominada dispersin cromtica, la cual es muy pequea con fuentes de luz

lser, ya no se suministra el ancho de banda en MHz x Km sino que en su lugar

se indica el valor de dispersin cromtica en ps/nm x km.

Como curiosidad tcnica, si a una fibra monomodo le introducimos luz de una

longitud de onda muy pequea respecto del dimetro del ncleo, entonces se

produce el efecto de longitud de onda de corte del cable y la fibra pasa a

comportarse como una fibra multimodo.

6.- Fibras pticas plsticas: Caractersticas bsicas.

Las fibras pticas plsticas (POF) no estn construidas con vidrio sino con

materiales plsticos. El dimetro del ncleo es mucho mayor que el de las fibras

multimodo construidas con vidrio, tienen una mayor dispersin modal y por

lo tanto tienen un ancho de banda muy pequeo. Adems debido a que el

material plstico es mucho menos transparente que el ncleo de vidrio de las

fibras pticas monomodo y multimodo, su atenuacin es mucho mayor. En

la tabla anterior se observa que la atenuacin es de 0,20 dB por metro!!! Es

decir, una atenuacin de 200 dB/km.

Las ventajas de este tipo de fibras es que permiten un fcil conectorizado, debido

a que la tolerancia es muy amplia. Adems, cuando se utilizan para muy cortas

distancias (conexin de equipos de msica digital, automatizacin del

automvil, etc.) la atenuacin es pequea y aunque el ancho de banda en MHz x

Km es bajo, igualmente cuando la distancia es corta, es un ancho de banda

suficiente para muchas aplicaciones prcticas. Por ltimo se debe de tener en

cuenta que en esta clase de fibras al ser el material del ncleo distinto al de las

fibras de vidrio, sus ventanas de trabajo son distintas. Las fibras plsticas

anteriores tienen la ventana de trabajo en la longitud de onda de 650 nm, que

entra dentro de la luz visible.

7.- Terminacin de enlaces de fibra ptica mediante fusin con

pigtail:

A la hora de terminar un enlace de fibra ptica mediante fusin o empalme

mecnico con pigtail se debe de tener en cuenta que una fibra ptica de tipo

OM2, OM3 u OM4 no se debe de fusionar o empalmar con un pigtail

de tipo OM1, ya que en ese caso estaramos uniendo una fibra de 62,5/125 con

otra de 50/125. Ese tipo de conexin, aun cuando puede funcionar correctamente

en el sentido 50/125 >> 62,5/125, est totalmente desaconsejada por su alta

atenuacin en el sentido 62,5/125 >> 50/125. De la misma manera, si se presenta

el caso de tener que terminar un enlace de fibra ptica de tipo OM1 mediante un

pigtail, deberemos de utilizar obligatoriamente uno de tipo OM1.

Se debe de tener en cuenta tambin que no es estrictamente necesario que

un enlace de fibra ptica de tipo OM2, OM3 u OM4 tenga que ser terminado

mediante fusin o empalme mecnico con pigtail de tipos OM2, OM3 u OM4

respectivamente. En realidad, si por ejemplo en un enlace de tipo OM3, con un

ancho de banda de 1500 MHz x Km a 850nm, utilizamos un pigtail de tipo OM2,

con un ancho de banda de 500 MHz x Km no habr ningn problema. En efecto,

aunque el pigtail tiene en teora un ancho de banda mucho menor que el del

enlace de fibra ptica, no se debe de olvidar que si la longitud del pigtail es menor

que 1 Km su ancho de banda efectivo ser mucho mayor. Si el pigtail es de 2

metros de longitud, podemos suponer que aproximadamente el ancho de banda

ser de (500 MHz x 1 Km)/ 0,002 Km = 250.000 MHz y por lo tanto no limitar

en absoluto el ancho de banda del enlace en conjunto.

Como curiosidad tcnica, lo anterior no sucede en absoluto con instalaciones de

cableado estructurado realizadas con cable de pares. Si en un enlace permanente

de una determinada categora, por ejemplo categora 6, se termina con latiguillos

de categora inferior, por ejemplo latiguillos de categora 5e, toda la instalacin

o enlace de canal ser de la categora del elemento inferior, que en el ejemplo

anterior corresponder a la categora 5e. La diferencia con la fibra ptica es clara:

en el cable de pares factores como las diversas diafonas (Next, Power Sum Next,

Elfext, Power Sum Elfext, Alien Next, etc.) no dependen en absoluto de la

longitud del cable, ya que se generan principalmente en los denominados

extremos cercano, (NE) y extremo lejano (FE).