Fibra Óptica

¿Qué es la fibra óptica? 

La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos, consistente en un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

Historia 

Historia La historia de la fibra óptica comienza cuando el físico irlandés John Tyndall descubrió que la luz podía viajar dentro de un material en curva (agua) por la reflexión interna total. Este principio fue utilizado en su época para iluminar corrientes del agua en fuentes públicas. Charles Kao en su tesis doctoral de 1966 estimó que las máximas pérdidas que debería tener la fibra óptica para que resultara práctica en enlaces de comunicaciones eran de 20 dB/km. Y en 1978 ya se transmitía a 10 Gb.km/s. El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envío la primera transmisión telefónica a través de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California. 

Usos 

Su uso es muy variado: desde comunicaciones digitales y joyas, pasando por sensores y llegando a usos decorativos, como árboles de Navidad, veladores y otros elementos similares. Uno de las primeras aplicaciones de la fibra óptica fue usar un haz de fibras para la transmisión de imágenes, y se aplicó en el endoscopio médico.  

Comunicaciones con fibra óptica  

La fibra óptica se emplea como medio de transmisión en redes de telecomunicaciones ya que por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibras usadas en este campo son de plástico o de vidrio y algunas veces de los dos tipos. Por la baja atenuación que tienen, las fibras de vidrio son utilizadas en medios interurbanos. 

Sensores de fibra óptica 

Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir: tensión, temperatura, presión y otros parámetros. 

Iluminación 

Otro uso que se le da a la fibra óptica es la iluminación de cualquier espacio. En los últimos años las fibras ópticas han empezado a ser muy utilizadas debido a las ventajas que este tipo de iluminación representa: 

• Ausencia de electricidad y calor 
• Se puede cambiar el color de la iluminación sin necesidad de cambiar la lámpara 
• Por medio de fibras, con una sola lámpara se puede hacer una iluminación más amplia 

Construcción de la Fibra Óptica 

Una fibra óptica no es más que un larguísimo filamento de vidrio, tan fino que es perfectamente flexible, debidamente protegido por una camisa plástica. La fabricación de fibra óptica es un proceso de alta tecnología. Se trata de construir grandes tubos de vidrio que reproducen a escala macroscópica la estructura de la fibra. Estos tubos se llaman preformas. Posteriormente, la preforma se va fundiendo y estirando hasta que obtenemos un filamento alargado cuyo fino diámetro reproduce a escala microscópica la preforma original. 

En este proceso, se parte de barras de vidrio huecas, que se bañan en un gas que contiene las partículas de lo que será el futuro núcleo. Calentando hasta mil grados, estas partículas comienzan a fundirse hasta que el tubo hueco colapsa y forma una vara maciza con la estructura deseada: la preforma. Una vez hechas las preformas, se colocan verticalmente y se calientan hasta que se van fundiendo formando un hilillo continuo. De una preforma se sacan kilómetros y kilómetros de fibra. Este proceso, a pesar de la sencillez de la idea, es muy complejo y delicado, ya que hay que garantizar que el flujo se mantiene constante, que el hilo mantiene un grosor de 125 micras y que no se producen tensiones excesivas. La fibra óptica se enrolla en grandes bobinas. Las grandes redes de comunicación usan haces de varias fibras agrupadas en un cable tan grueso como un cable eléctrico pero capaces de transmitir una cantidad de información mucho mayor, a distancias muchísimo mayores y con un menor gasto de potencia. 

Funcionamiento de la Fibra Óptica en una Red

En las redes de comunicaciones por fibra óptica (FO) se emplean sistemas de emisión láser. Las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información, aumenta con la frecuencia.

Los transmisores ópticos más comúnmente utilizados son dispositivos semiconductores como, por ejemplo, diodos emisores de luz y diodos láser. La diferencia entre los diodos led y el láser es que los led producen una luz incoherente, la cual se dispersa, y el láser produce una luz coherente, no dispersa. Debido a su diseño relativamente sencillo los ledes son muy útiles para aplicaciones de bajo costo.

Los sistemas de transmisión de fibra óptica utilizan enlaces de datos que funcionan de forma similar a la que se ilustra en el diagrama de arriba. Cada enlace de fibra consta de un transmisor en un extremo de la fibra y de un receptor en el otro. La mayoría de los sistemas operan transmitiendo en una dirección a través de una fibra y en la dirección opuesta a través de otra fibra para así tener una transmisión bidireccional. Es posible transmitir en ambas direcciones a través de una sola fibra pero se necesitan acopladores para hacerlo, y la fibra es menos costosa que ellos. Pueden ser Monomodo o Multimodo.

Ventajas y Desventajas de la Fibra Óptica

Ventajas:

• Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados.
• Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica una calidad de transmisión muy buena, ya que la señal es inmune a las tormentas.
• Resistencia al calor, frío y corrosión.
• Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en la telemetría, lo que permite detectar rápidamente el lugar donde se hará la reparación de la avería, simplificando la labor de mantenimiento.

Desventajas:

• La alta fragilidad de las fibras.
• Necesidad de usar transmisores y receptores más costosos.
• Las moléculas de hidrógeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en la atenuación. El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo más importante para el envejecimiento de la fibra óptica.
• La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.
• Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.
• Alto costo de instalación.

Elementos para montara una red con fibra optica

Concentradores: Uno para cada fila.

Conversores: Necesitamos convertir la señal que nos llega por el cable de red a fibra óptica.

Latiguillos de fibra óptica, normalmente multimodo. El conector, tiene que ser compatible con el mismo que utilice nuestro conversor. 

Latiguillos de cable de red. Uno para cada ordenador y 4 para conectar los conversores.

Multimodo y Monomodo

Multimodo y Monomodo.

Modo = Camino 

Fibra de Multimodo

La fibra de multimodo, la primera en ser comercializada y fabricada, es la fibra en la que muchos modos o rayos de luz son llevados simultáneamente a través de una guía de ondas.

Se dice que son modos debido a que la luz solo se propagará en el núcleo de la fibra en ángulos que estén dentro del cono de aceptación.

Este tipo de fibra tiene un diámetro nuclear mucho más grande, comparado con las fibras de monomodo, lo que permite una gran cantidad de modos y además son más fáciles de conectar. Las fibras multimodo pueden clasificarse en fibras de índice escalonado o fibras de índice gradual.Tipos de Cables de Fibra Óptica: Monomodo y Multimodo/articulos 

Debido a que el índice de refracción del núcleo es más alto que el índice de refracción del revestimiento, la luz que entra en un ángulo menor que el ángulo límite se refracta a lo largo de la fibra.

Hay tres ondas de luz diferentes viajan a través de la fibra:

• Un modo viaja por el centro del núcleo.
• Un segundo modo viaja en un ángulo agudo y rebota por la reflexión interna total.
• El tercer modo sobrepasa el ángulo límite y se refracta hacia el revestimiento.

El segundo modo viaja a distancias más largas que el primer modo, causando que los modos lleguen en tiempos distintos. Esta disparidad entre los tiempos de llegada de los diferentes haces de luz se conoce como dispersión y el resultado es una señal confusa en el extremo receptor. Sin embargo, es importante destacar que la alta dispersión es una característica inevitable de la fibra multimodo de índice escalonado. En la fibra multimodo de índice gradual, el índice de refracción del núcleo disminuye gradualmente a medida que se aleja del centro del núcleo. La refracción aumentada en el centro del núcleo baja la velocidad de algunos haces de luz, lo que permite que todos los rayos de luz lleguen al otro extremo al mismo tiempo, reduciendo la dispersión.

Fibra de Monomodo

La fibra de monomodo permite una mayor capacidad para transmitir la información porque puede retener la fidelidad de cada pulso de luz a grandes distancias sin la dispersión causada por los múltiples modos. Además, la fibra de monomodo presenta menor atenuación de la fibra que la multimodo, por tanto, se puede transmitir más información en menos tiempo.

Una clase importante de fibra monomodo es la fibra con polarización fija (PMF o Polarization-maintaining fiber). Todas las otras fibras ópticas monomodo que hemos mencionado hasta ahora pueden transportar luz polarizada de forma alterna. La fibra con polarización fija está diseñada para propagar solo una polarización de la luz de entrada. Esto es relevante si hablamos de componentes como moduladores externos que requieren una entrada de luz polarizada.

Esta fibra tiene una característica no vista en otro tipos de fibra. Además del núcleo, existen 2 círculos adicionales llamadas barras de tensión. Como su nombre lo dice, estas barras de tensión crean tensión en el núcleo de la fibra, de tal manera que es favorecida la transmisión de sólo un plano de polarización de luz. Las fibras monomodo experimentan no linealidades que pueden afectar el funcionamiento del sistema.

Formas de Construcción

Forma Holgada :

El elemento básico de un cable de estructura holgada es el tubo. En este tipo de

cables las fibras van embebidas en el interior de un tubo relleno de gel. El diámetro

interior del tubo es sensiblemente mayor que el que se necesitaría para las fibras de

forma que éstas puedan moverse con holgura en su interior. Además las fibras tienen

una sobre longitud, con respecto al tubo, que varía entre el 0,05 % y el 0,10 %.

Los cables pueden fabricarse cableando varios tubos alrededor de un elemento central,

construcción multitubo o"stranded loose tube", o partiendo de un único tubo central,

construcción monotubo o "central tube".

Forma Ajustada :

En los cables de construcción ajustada se deposita directamente sobre la fibra una

capa de material termoplástico (buffer). La fibra así recubierta pasa a tener un diá-

metro de 0,9 mm, en lugar de los 0,25 mm, lo que permite que sea mas fácilmente

identificada, manejada, y lo que es mas importante, que pueda ser directamente

conectorizada.

La capa de material plástico, ajustada a la fibra, la protege mecánicamente y de la

humedad.

Dado que las fibras ajustadas se usan en muy distintas aplicaciones, hay diferentes

variantes en el diseño del cable. La estructura mas simple consta de una o dos fibras

dentro del mismo buffer, el cual se rodea de fibras de aramida o vidrio y se protege

finalmente con una cubierta de material termoplástico. Otra posibilidad, cuando

el cable requiere mayor numero de fibras, consiste en cablear varias unidades como

la anterior y protegerlas conjuntamente con una cubierta. De esta manera los cables

individuales pueden ser sangrados y conectados a diferentes puntos de una forma

muy fácil y sin que las fibras queden desprotegidas. En los cables de distribución

los buffers se cablean entre si, se rodean de elementos de tracción y se les

dota de una cubierta exterior común.

Componentes: Fibra óptica

Conectores

Los conectores más comunes usados en la fibra óptica para redes de área local son los conectores ST, LC, FC Y SC.

El conector SC (Set and Connect) es un conector de inserción directa que suele utilizarse en conmutadores Ethernet de tipo Gigabit. El conector ST (Set and Twist) es un conector similar al SC, pero requiere un giro del conector para su inserción, de modo similar a los conectores coaxiales.

Tipos de conectores

Estos elementos se encargan de conectar las líneas de fibra a un elemento, ya puede ser un transmisor o un receptor. Los tipos de conectores disponibles son muy variados, entre los que podemos encontrar se hallan los siguientes:

Tipos de conectores de la fibra óptica.

FC, que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones.

FDDI, se usa para redes de fibra óptica.

LC y MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos.

SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos.

ST o BFOC se usa en redes de edificios y en sistemas de seguridad

Conversores luz-corriente eléctrica

Este tipo de dispositivos convierten las señales luminosas que proceden de la fibra óptica en señales eléctricas. Se limitan a obtener una corriente a partir de la luz modulada incidente, esta corriente es proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma de onda de la señal moduladora.

Se fundamenta en el fenómeno opuesto a la recombinación, es decir, en la generación de pares electrón-hueco a partir de los fotones. El tipo más sencillo de detector corresponde a una unión semiconductora P-N.

Las condiciones que debe cumplir un fotodetector para su utilización en el campo de las comunicaciones, son las siguientes:

La corriente inversa (en ausencia de luz) debe ser muy pequeña, para así poder detectar señales ópticas muy débiles (alta sensibilidad).

Rapidez de respuesta (gran ancho de banda).

El nivel de ruido generado por el propio dispositivo ha de ser mínimo.

Hay dos tipos de detectores: los fotodiodos PIN y los de avalancha APD.

Detectores PIN: Su nombre viene de que se componen de una unión P-N y entre esa unión se intercala una nueva zona de material intrínseco (I), la cual mejora la eficacia del detector.

Se utiliza principalmente en sistemas que permiten una fácil discriminación entre posibles niveles de luz y en distancias cortas.

Detectores APD: Los fotodiodos de avalancha son fotodetectores que muestran, aplicando un alto voltaje en inversa, un efecto interno de ganancia de corriente (aproximadamente 100), debido a la ionización de impacto (efecto avalancha). El mecanismo de estos detectores consiste en lanzar un electrón a gran velocidad (con la energía suficiente), contra un átomo para que sea capaz de arrancarle otro electrón.

Estos detectores se pueden clasificar en tres tipos:

de silicio: presentan un bajo nivel de ruido y un rendimiento de hasta el 90% trabajando en primera ventana. Requieren alta tensión de alimentación (200-300V).

de germanio: aptos para trabajar con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y 1300 nm y con un rendimiento del 70%.

de compuestos de los grupos III y V.

Empalmadora

Referente a la instalación y explotación del cable, nos encontramos frente a la cuestión esencial de qué tensión es la máxima que debe admitirse durante el tendido para que el cable no se rompa y se garantice una vida media de unos 20 años.

Técnicas de empalme

Los tipos de empalmes pueden ser:

Empalme mecánico con el cual se pueden provocar pérdidas del orden de 0,5 dB.

Empalme con pegamentos con el cual se pueden provocar pérdidas del orden de 0,2 dB.

Empalme por fusión de arco eléctrico con el cual se logran pérdidas del orden de 0,02 dB.

Tipos de pulido

Los extremos de la fibra necesitan un acabado específico en función de su forma de conexión. Los acabados más habituales son:

Plano: Las fibras se terminan de forma plana perpendicular a su eje.

PC: (Phisical Contact) Las fibras son terminadas de forma convexa, poniendo en contacto los núcleos de ambas fibras.

SPC: (Super PC) Similar al PC pero con un acabado más fino. Tiene menos pérdidas de retorno.

UPC: (Ultra PC) Similar al anterior pero aún mejor.

Enhanced UPC: Mejora del anterior para reducir las pérdidas de retorno.

APC: (Angled PC) Similar al UPC pero con el plano de corte ligeramente inclinado. Proporciona unas pérdidas similares al Enhanced UPC.

                         

Conductores

Cable Coaxial/ BNC

El cable de par trenzados esta compuesto de ocho hilos de cobre, cada hilo compuesto por una pequeña masa de hilos envueltos por un aislamiento de platisco. Los ocho hilos van trenzados de dos en dos por lo que de forma ... (No copie que seguia)

Velocidades de transmisión :

• Categoría 3: 16mbps

• Categoría 4: 20mbps

• Categoría 5 y 5+: 16gbps

• Categoría 6: Mas de ...

Cable CAT3

Venia apantallado(Envuelto en malla metálica. Este era para aislarlo de posibles interferencias. Esta malla lo hacia ser mas grueso y menos modelable. Actualmente la malla metálica se ha sustituido por un material aislante que realiza la misma función y es mucho mas fino y manejable. No obstante existe una gran división de los cables de par trenzado como son :

• UTP - Par trenzado apantallado 
• STP - Par trenzado pantallado

Fichas RJ45

Es una interfaz física comúnmente utilizada para conectar redes de computadoras con cableado estructurado (categorías 4, 5, 5e, 6 y 6a). Posee ocho pines o conexiones eléctricas, que normalmente se usan como extremos de cables de par trenzado (UTP).

El cable cruzado para conectar solamente dos máquinas entre si.

Topologías de Red

Topología en Bus

Una topología de bus es multipunto. Un cable largo actúa como una red troncal que conecta todos los dispositivos en la red.

Los nodos se conectan al bus mediante cables de conexión (latiguillos) y sondas. Un cable de conexiones una conexión que va desde el dispositivo al cable principal. Una sonda es un conector que, o bien se conecta al cable principal, o se pincha en el cable para crear un contacto con el núcleo metálico.

Entre las ventajas de la topología de bus se incluye la sencillez de instalación. El cable troncal puede tenderse por el camino más eficiente y, después, los nodos se pueden conectar al mismo mediante líneas de conexión de longitud variable. De esta forma se puede conseguir que un bus use menos cable que una malla, una estrella o una topología en árbol.

Topología Estrella

En la topología en estrella cada dispositivo solamente tiene un enlace punto a punto dedicado con el controlador central, habitualmente llamado concentrador. Los dispositivos no están directamente enlazados entre sí.

Este factor hace que también sea más fácil de instalar y re configurar. Además, es necesario instalar menos cables, y la conexión, desconexión y traslado de dispositivos afecta solamente a una conexión: la que existe entre el dispositivo y el concentrador.


Ventajas: 

• Es consistente
• Mayor velocidad de transferencia

Desventajas:

• Es mas costosa

Topología de anillo simple y anillo doble

Anillo Simple:

Es una red de computadoras conectadas entre sí por un cableado que tiene forma de anillo como su nombre lo indica. Consiste en conectar lineal mente entre sí todos los ordenadores, en un bucle cerrado. La información se transfiere en un solo sentido a través del anillo, mediante un paquete especial de datos, llamado testigo, que se transmite de un nodo a otro, hasta alcanzar el nodo destino.

Anillo doble:

Una topología en anillo doble consta de dos anillos concéntricos, donde cada host de la red está conectado a ambos anillos, aunque los dos anillos no están conectados directamente entre sí. Es análoga a la topología de anillo, con la diferencia de que, para incrementar la confiabilidad y flexibilidad de la red, hay un segundo anillo redundante que conecta los mismos dispositivos. La topología de anillo doble actúa como si fueran dos anillos independientes, de los cuales se usa solamente uno por vez.

Topología árbol

Es una generalización de tipo bus, el árbol tiene su primer nodo en la raíz y se expande hacia fuera utilizando ramas, en donde se conectan las demás terminales.

Es parecida a una serie de redes en estrella interconectadas salvo en que no tiene un nodo central. En cambio, tiene un nodo de enlace troncal, generalmente ocupado por un hub o switch, desde el que se ramifican los demás nodos.