Características generales

La fibra óptica es una guía de onda en forma de hilo de material altamente transparente diseñado para transmitir información a grandes distancias utilizando señales ópticas.

La fibra se fabrica a partir de sílice de muy alta pureza; con sólo 2 kg. de este material pueden fabricarse más de 40 kms. de fibra óptica. El fabricante parte de lingotes cilíndricos de sílice que se convierten en hilos mediante un proceso de fusión controlada; posteriormente los hilos se recubren de una capa protectora.

La fibra óptica no es más que un conductor de luz. La luz queda atrapada en este conducto y se propaga a la máxima velocidad posible a lo largo del mismo. La velocidad de propagación de la luz depende del tipo de material transparente empleado, ya que la máxima velocidad c = 299.792.458 m/s sólo se alcanza en el vacío. En el resto de los medios la propagación se produce a menor velocidad, la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en otro medio, se conoce como índice de refracción del medio y es característico de cada material.

El motivo físico por el cual la luz queda atrapada dentro del conducto, se basa en las leyes de reflexión y refracción de la luz, según las cuales, cuando un rayo atraviesa la frontera desde un medio físico transparente a otro también transparente, pero donde la velocidad de propagación es menor, la trayectoria del mismo varía, siguiendo una ley física conocida como Ley de Snell.

Más concretamente el fenómeno óptico en el que se fundamenta la transmisión de la luz en el conducto de fibra de vidrio se denomina Reflexión Interna Total (TIR:Total Internal Reflection), según el cual, cuando un rayo de luz pasa de un medio hacia otro con menor índice de refracción, si incide sobre la frontera de los materiales con un ángulo determinado, no pasa ninguna luz a través de la frontera del material. El ángulo a partir del cuál el rayo de luz queda totalmente atrapado se denomina ángulo crítico de incidencia.

Además de los cables, debemos tener en cuenta que un sistema de transmisión óptico consta de varios componentes esenciales: la fuente de luz, el medio de transmisión y el detector.

El medio de transmisión es la propia fibra de vidrio, la fuente de luz suele ser un láser que ilumina el núcleo, y el receptor es un elemento fotosensible. La información se codifica de modo que un pulso de luz indique un 1 y la ausencia del mismo un 0.

La fibra está compuesta por un núcleo (core), un revestimiento (cladding o coating) y una capa o recubrimiento exterior. El tamaño del núcleo depende del tipo de fibra con el que se esté trabajando, aunque los estándares son 8.3 µm (monomodo), 50 µm (multimodo) y 62.5 (multimodo); a modo de referencia mencionemos que un cabello humano tiene un diámetro de 70 µm. El revestimiento tiene un diámetro de 125 µm. Más adelante veremos a que se llama fibra monomodo y multimodo.

Tanto el núcleo como el revestimiento están formados por distintos materiales, normalmente cristal de silicio de distintas composiciones, para provocar el fenómeno TIR. La capa de revestimiento ayuda al proceso de transmisión, guiando a la luz para que vaya por el núcleo y no salga de él. El núcleo puede ser de diferente geometría y diámetro, lo cual proporciona las distintas prestaciones ópticas.

La capa o recubrimiento exterior se suele fabricar con polímeros y sirve para proteger al núcleo y al revestimiento de posibles daños y proporcionar al cable propiedades mecánicas.

En la figura 1 se observa un corte transversal de un cable de fibra óptica.

Fig 1 - Sección de un cable de fibra óptica

La capa exterior esta formada por un recubrimiento primario (buffer) de un diámetro de 125 µm y un recubrimiento secundario (jacket) de aproximadamente 800 µm de diámetro. Existen dos tipos de recubrimientos:

• Adherente (tight): el recubrimiento primario viene adherido sobre el revestimiento, proporcionándole resistencia al impacto y a la humedad.

• No adherente (loose): el recubrimiento primario no está ligado al revestimiento; la fibra óptica con su revestimiento está rodeado por un gel tixotrópico (evita entrada de agua) que permite albergar varias fibras ópticas aisladas mecánicamente entre sí. Requiere un número reducido de herramientas y es de más fácil instalación que los cables con recubrimiento ajustado.

Atenuación

La atenuación es la reducción de la potencia de la señal óptica con la distancia. La atenuación impone un límite a la distancia máxima que pueden detectarse los pulsos luminosos. Tiene una relación inversa con el ancho de banda, que es la capacidad de transportar información que tiene una fibra. A grandes rasgos también se puede decir que la atenuación es la cantidad de distorsión de un pulso en la transmisión. Si los pulsos se distorsionan demasiado, el detector no podrá distinguir un pulso del anterior y del siguiente, con lo que se pierde información

La atenuación se calcula de la siguiente manera:

A = 10 log P1/P2

donde P1 es la potencia de la luz a la entrada de la fibra y P2 es la potencia a la salida de la fibra.

La unidad utilizada para medir la atenuación en una fibra óptica es el decibel por longitud de fibra (dB/Km) para una determinada longitud de onda o para un rango de longitudes de onda.

La atenuación puede ser debida a fenómenos de dispersión y de absorción que afectan incluso a los materiales más puros; el origen está en impurezas e irregularidades del material, muchas veces originadas en el propio proceso de fabricación, que hacen que los rayos de luz se reflejen o sean absorbidos por el revestimiento.

La atenuación introducida por el cable de fibra óptica, dependerá de la longitud de onda a utilizar, para las fibras monomodo usadas en las tecnologías PON ésta pérdida es de aproximadamente 0.40 dB/km para una longitud de onda de 1310nm y de 0.35 dB/km para 1490nm.

Tipos de Fibra

Una vez que la luz entra en una fibra óptica, se propaga de una forma uniforme llamada modo, que no es más que el camino que sigue a través de una fibra (la onda electromagnética).

Dependiendo del número de modos de propagación, hay dos grandes tipos de fibra óptica: monomodo y multimodo.

Las fibras monomodo están compuestas de un hilo de núcleo de muy pequeño diámetro (8,3 um) que soporta un solo modo de transmisión luminosa (figura 2).

Fig. 2 - Fibra Monomodo

La fibra monomodo tiene la menor atenuación, y por lo tanto el mayor ancho de banda de todos los tipos de fibra óptica. Estas fibras tienen la característica de tener un alcance muy superior (hasta 10 Km); se emplean fundamentalmente para conexiones de media, larga y muy larga distancia. La electrónica de transmisión, recepción y repetición también es más cara que la de los sistemas multimodo, se precisan emisores láser más potentes y sofisticados.

Una de las desventajas de este tipo de fibras, es que al ser el núcleo mucho más estrecho que en las fibras multimodo, la conexión entre dos fibras tiene que ser mucho más precisa, encareciendo los conectores y el costo del cable en general.

Existen diferentes tipos de fibra monomodo, las diferencias se basan principalmente en su adecuación para el funcionamiento con diferentes láseres que funcionen en distintas longitudes de onda.

En especial para usar en FTTH es ideal la fibra “Sin Pico de Agua” (Zero Water Peak) que se ha diseñado para funcionar en cualquier rango de longitud de onda, desde 1280 nm a 1625 nm, con la eliminación de picos de agua (atenuación alta) en la ventana de 1400 nm, ampliando así el rango de longitud de onda utilizable con fibra monomodo convencional en más de un 50%. De esa forma garantizan bajos valores de atenuación y pérdidas por curvatura por todo el espectro de transmisión, resultando muy interesante cuando hay que instalarla en lugares donde los cables tendrán curvas más cerradas, como en los cableados de edificios y en el interior de viviendas.

Sin embargo debemos aclarar que todas las diferentes tecnologías PON son capaces de funcionar con fibras ópticas estándar, sin necesidad de fibras especiales.

Las fibras multimodo están formadas por un núcleo de mayor diámetro que las monomodo (50 o 62.5 micras) y en consecuencia los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino que se reflejan con distintos ángulos dentro del núcleo.

Dependiendo de las características del emisor y el medio, la potencia luminosa del pulso se divide sobre todos o parte de los modos, lo cual la hace menos eficiente que la fibra monomodo.

Dentro de las fibras multimodo existen dos tipos principales, las de índice escalonado y las de índice gradual, que permiten un alcance ligeramente superior.

En las fibras de índice escalonado se propagan varias ondas o modos diferentes a través de la fibra, unas ondas se propagan completamente paralelas al revestimiento, por el núcleo de la fibra, otras se refleja continuamente, atrapadas por el fenómeno TIR, el resto se refracta en el revestimiento (figura 3).

Fig. 3 - Fibra Multimodo índice escalonado

Intuitivamente se ve que las ondas que se reflejan, recorren mucha mayor distancia que las que se propagan por el núcleo sin reflejarse. Esto da lugar a dispersión que produce atenuación de la señal transmitida. Este fenómeno es inevitable en la fibra óptica multimodo y es el ocasionante de que la longitud de estas fibras no pueda ser tan grande como la de las fibras monomodo.

En las fibras de índice gradual, el índice de refracción del núcleo decrece desde el centro hacia el revestimiento. Esto hace que se reduzca la dispersión, ya que los haces llegan casi al mismo tiempo y que cerca del revestimiento los rayos se propagan más rápidamente que en el núcleo (figura 4).

Fig. 4 - Fibra Multimodo índice gradual

La fibra multimodo precisa una electrónica y conectores más baratos, si bien el costo de la fibra suele ser superior a la monomodo. Las fibras multimodo se utilizan en redes a distancias cortas, p. ej. campus y edificios (longitudes menores a 500 metros).

Jorge Pierri
Profesor
Universidad Católica del Uruguay