Fibra Óptica: Reflexión Interna Total

Fibra óptica

• Es un elemento fundamental de la red, define un cable o filamento de vidrio transparente capaz de transportar haces de luz mediante reflexiones internas
• Las fibras ópticas son compactas, ligeras, de baja pérdida de señal, proporcionan una amplia capacidad de transmisión y son confiables debido a su inmunidad a las interferencias electromagnéticas.
• No conducen señales eléctricas, ideales para cables sin componentes conductivos y condiciones de alta tensión, tolerando diferencias de potencial sin protección adicional y sin cortocircuitos.

Composición y Geometría

• La geometría física y el índice de refracción son claves para el funcionamiento de la fibra óptica, compartiendo todas una estructura genérica para la transmisión.
• Las fibras están constituidas por tres capas concéntricas con diferentes propiedades de composición: núcleo, revestimiento y recubrimiento.

Núcleo

• Es la parte interna que conduce las señales ópticas desde la fuente de luz hasta el receptor.
• Fabricado con vidrio a alta temperatura a partir de cuarzo ultra puro, plástico o dióxido de silicio.
• Su diámetro es pequeño, variando entre 10 y 300 µm; un diámetro mayor permite transportar más luz.

Revestimiento

• Rodea y protege al núcleo, con un índice de refracción menor para actuar como capa reflectante.
• Fabricado con silicio cristalino a alta temperatura, generalmente cuarzo o plástico transparente.
• Se añaden capas de plástico para absorber impactos y proporcionar protección contra curvaturas excesivas.

Recubrimiento

• Es la parte externa de la fibra, actúa como amortiguador, protegiendo el núcleo y el revestimiento.
• Fabricado con material plástico resistente a la humedad, aplastamiento y roedores.
• A menudo, se divide en recubrimiento primario y secundario; si hay uno secundario adicional, la fibra se usa en exteriores o bajo tierra.
• Las fibras ópticas se agrupan en números específicos, como grupos de 4, 8, 16, hasta 128, y se reagrupan en cables recubiertos con un revestimiento de material plástico.

Principios de Transmisión

• La fibra óptica transmite información mediante pulsos de luz, utilizando el principio de reflexión interna total.
• Esto ocurre porque el índice de refracción del revestimiento (n2) es menor que el del núcleo (n1), atrapando la luz dentro para su propagación.

Clasificación de la Fibra Óptica

• Según el material del núcleo:
• Fibra de silicio: forma cristalina pura del vidrio, buena conductora para la transmisión de luz.
• Fibra de vidrio: núcleo y envoltura óptica de vidrio con diferentes índices de refracción, diámetro entre 50 y 70 micras.
• Fibra de plástico: núcleo de plimetacrilato de metilo y envoltura de polímero plástico, ofrece uniformidad de transmisión, filtración UV e infrarrojos, resistencia mecánica y flexibilidad.
• Fibra de núcleo líquido: tecnología reciente con núcleo líquido y envoltura de polímero plástico, grosor entre 3 y 8 mm, principal aplicación en iluminación monofibra.

Clasificación Según el Modo de Propagación

• Monomodo: permite un único modo de transmisión con un núcleo reducido de 8 a 10 micras.
• Multimodo: soporta varios modos de transmisión gracias a un núcleo amplio de 50 a 62.5 micras.

Fibras Multimodo

• Se clasifican según el índice de refracción:
• Fibra multimodo gradual: índice de refracción del núcleo no constante, varía progresivamente.
• Fibra multimodo de salto de índice: índice de refracción del núcleo constante con cambio no gradual en el revestimiento.

Clasificación Según su Estructura

• Estructura ajustada: fibras con protección secundaria alrededor de un miembro central de tracción, recubierto externamente.
• Estructura holgada: tubos de fibra alrededor de un miembro central de refuerzo con una cubierta protectora.

Otros Aspectos Importantes de la Fibra Óptica

• Ángulo de aceptación:
• Es el máximo ángulo para el cual la onda luminosa incidente queda atrapada por las paredes de la fibra.
• Apertura numérica:
• Se efectúa la reflexión total para conducir el rayo luminoso con un "núcleo" de vidrio con índice de refracción n1 y un "recubrimiento" con índice n2, donde n1 es mayor que n2.
• La apertura numérica depende de la cantidad de luz que se acopla al núcleo del conductor.
• Ventanas de trabajo:
• Es una longitud de onda central de una fuente luminosa para transmitir información en la fibra óptica.
• Existen tres ventanas de mínima atenuación: 800 nm (3 dB/km), 1300 nm (0.5 dB/km) y 1550 nm (0.2 dB/km).

Pérdidas Intrínsecas

• Se deben a factores intrínsecos de la fibra, como la fabricación y funcionamiento, disminuyendo la amplitud de la señal transmitida.
• Se debe a la absorción por rayos UV e IR y la reflexión de Fresnel

Parámetros de las Fibras Ópticas

• Parámetros estructurales: relacionados con la geometría y estructura de cada fibra, determinan los tipos de fibras en el mercado.
• Se incluye el perfil de índice de refracción, las dimensiones del núcleo y revestimiento, el diámetro del campo modal, la apertura numérica y la longitud de onda de corte.

Parámetros de Transmisión

• Se relacionan con la transmisión de señales a través de la fibra y se dividen en atenuación y dispersión.
• Se define como la relación entre las potencias luminosa de salida y entrada a la misma, expresada en decibelios
• La atenuación es la pérdida de potencia de la luz al avanzar por la fibra.
• La dispersión afecta el ancho de banda y la distancia de transmisión.
• Tipos de dispersión: modal, por polarización del modo y cromática.

Espectro Electromagnético

• Es la distribución de energías de las radiaciones electromagnéticas, expresada en longitud de onda y frecuencia.
• Varios tipos de espectro de luz son: ondas de radio, microondas, la radiación ultravioleta, la radiación infrarroja, espectro de luz visible, rayos X y rayos gamma

Teoría de Propagación

• La óptica geométrica describe los mecanismos de propagación, considerando la luz como rayos que se reflejan en la frontera de materiales con diferentes índices de refracción.

Indice de Refracción

• Cuando un rayo incide entre dos medios con diferentes índices de refracción, el rayo incidente se refracta con distinto ángulo, descrito por la ley de Snell

Propagación de la Luz en la Fibra

• Cuando la luz pasa de un medio con mayor diferencia al de menor, el ángulo respecto a la normal de la superficie de separación en el segundo medio es mayor.
• Si el ángulo supera el ángulo crítico, el rayo se refleja en la superficie de separación, permaneciendo en el medio de mayor índice (reflexión total interna).

Características del Cable de Fibra Óptica

• Cable de Estructura Holgada: tubos de fibra alrededor de un miembro central de refuerzo protegidos por una cubierta.
• Cable blindado: coraza protectora de acero debajo de la cubierta para mayor resistencia y protección.

Tipos de cables

• Cable aéreo autoportante: Estructura holgada para uso aéreo, asegurado mediante abrazaderas
• Cable submarino: Estructura holgada para permanecer sumergido en el agua con fibras ópticas transoceánicas
• Cable compuesto tierra-óptico (OPGW): Cable de tierra que tiene fibras ópticas insertadas dentro de un tubo en el núcleo central del cable
• Cables híbridos: Cable que contiene fibras ópticas y pares de cobre

Propiedades Físicas de la Fibra Óptica

• Las más importantes son sus propiedades mecánicas:
• Módulo de Young: fuerza por unidad de área que produce alargamiento.
• Carga de Rotura: fuerza mínima para romper la fibra.
• Alargamiento en el punto de rotura: 5% de la carga de tracción aplicada durante 1 segundo
• Coeficiente de dilatación: alargamiento por grado de temperatura.
• Propiedades geométricas: Diámetro del revestimiento, diámetro del núcleo, otros

Pruebas Mecánicas sobre un Cable Óptico

• Para evaluar el desempeño del cable:
• Prueba de tensión: verifica el comportamiento del cable
• Prueba de compresión: simula la situación durante la instalación si el cable es aplastado
• Prueba de impacto: determina el comportamiento del cable óptico cuando recibe un impacto
• Prueba de doblado: comprueba el comportamiento del cable óptico cuando se le somete a sucesivos doblajes
• Prueba de torsión: verifica el comportamiento del cable al ser sometido a una torsión sobre su propio eje

Conversión Eléctrica – Óptica

• Se necesita que en el punto emisor y receptor existan elementos para convertir las señales eléctricas en ópticas y viceversa
• Emisores ópticos:
  • Diodos LED: Fuentes de luz con emisión espontánea o natural (no coherente)
  • Diodos LASER (LD): Fuentes de luz coherente de emisión estimulada

Receptores Ópticos

• El propósito del receptor óptico es extraer la información contenida en una portadora óptica que incide en el fotodetector
• Fotodetector: Convierte la potencia óptica incidente en corriente eléctrica
  • Fotodetectores PIN: solo genera un solo par electrón-hueco por fotón absorbido
  • Fotodetectores de Avalancha APD: genera más de un par electrón-hueco , debido al proceso de ionización de impacto llamado ganancia de avalancha

Tipos de Conectores de Fibra Óptica

• Las siglas SC, LC, FC y ST corresponden a los tipos de conector óptico más comunes en aplicaciones FTTH y en redes de datos
• Nomenclatura PC/UPC/APC
• Conector FC: Es las siglas de Conector de Ferrule (Ferrule Connector).
• Conector ST: Son las siglas de Punta Recta (Straight Tip).
• conector LC: Son las siglas de Conector Lucent (Lucent Connector)
• conector SC: Son las siglas de Conector de Suscriptor (Suscriptor Connector)

Tipos de Pulido

• PC: Contacto Físico (Physical Contact).
• UPC: Ultra Contacto Físico (Ultra Physical Contact)
• APC: Contacto Físico en Ángulo (Angled Physical Contact).

Cálculo de Enlace Fibra Óptica tipo Single Mode

• Para una correcta planificación de las instalaciones de cables con fibras ópticas es necesario considerar la atenuación total del enlace.