Fundamentos y caracterísiticas de Fibra Óptica.pptx

Características de las fibra óptica, herramientas y equipos, fundamentos básico y estructuras.

1. 1 Introducción fibras ópticas

2. 2 Los enormes volúmenes de información generada no se podrían transportar ni distribuir sin la existencia de este extraordinario medio de transmisión que es la Fibra Óptica , los cables de cobre y los enlaces inalámbricos no tienen la capacidad suficiente para sostener esta verdadera avalancha de datos. Sin la fibra óptica sería prácticamente imposible comunicarnos y hacer uso de los servicios de telecomunicaciones que actualmente son parte integral de la vida diaria de cada uno de nosotros. INTRODUCCION

3. 3 La fibra óptica es un delgado hilo de vidrio de alta pureza, transparente y flexible, con un diámetro similar al de un cabello humano (1/8 de milímetro). La fibra óptica se utiliza como un medio para transmitir luz entre dos extremos de un enlace de telecomunicaciones Por sus características especiales permite la transmisión a grandes distancias , logrando un ancho de banda tal que permite el transporte de enormes cantidades de datos a velocidades muchísimo mas grandes que los cables que transportan señales eléctricas . Actualmente se utilizan fibras ópticas en lugar de alambres de cobre porque las señales viajan a través de ellas con menores pérdidas y además las fibras son inmunes a la interferencia electromagnética . LA FIBRA OPTICA

4. 4 ORIGEN DE LAS COMUNICACIONES POR FIBRA OPTICA Teléfono óptico EE.UU: 1880 Alexander Graham Bell Llamado Fotófono, precursor de las trasmisiones inalámbricas Aplicación en señalización entre barcos En 1940 y años posteriores se cambia el cuarzo por el Plexiglás por mayor flexibilidad y se intenta realizar la toma de imágenes de partes internas del cuerpo de un paciente

5. 5 En 1960 la fibra de núcleo de vidrio se fabrica con pérdidas de un decibel por metro, ideal para la obtención de imágenes médicas, pero impensable para comunicaciones En esta época, comienza la guerra por el uso del espectro radioeléctrico al buscar y utilizar frecuencias más altas para llevar trasmisiones de gran ancho de banda como son la televisión y las tramas telefónicas También en esta década se inventa el LASER que en sus comienzos se utilizó para hacer trasmisiones por el espacio libre. ORIGEN DE LAS COMUNICACIONES POR FIBRA OPTICA

6. 6 Las interferencias de la niebla, lluvia, nubes y otras alteraciones atmosféricas prioriza la necesidad de un medio guía para encauzar la emisión del rayo luminoso, creándose las primeras guías de onda óptica, a partir de fibras de fibra de vidrio mejoradas. La fibra original tenía un núcleo de 3 a 4 micrones y un revestimiento de índice refractivo un 1% menor que el núcleo pero de grosor de 300 a 400 micrones Permitía, una capacidad de información de 1 GHz, el equivalente de 200 canales de TV o 200.000 conversaciones telefónicas ORIGEN DE LAS COMUNICACIONES POR FIBRA OPTICA

7. 7 A través de perfeccionamientos en el modelado del diseño de la fibra a partir de la experiencia con las guías de onda para RF se logra reducir enormemente las perdidas desde los 1000 dB/Km a 20 dB/Km lo que permite que se interese en este desarrollo la Post Office Británica Una vez obtenido un cliente de la envergadura de la Post Office Británica, en los años de 1970 comienza una acelerada carrera de compañías que compiten por la fabricación de fibras, diodos láser, blindaje para tendido de la fibra, amplificadores ópticos y todos los componentes electrónicos de esta nueva tecnología. En 1970 se trabaja con fibras de núcleo de 50 a 62,5 micrómetros, portadoras asociados a la longitud de onda de 850 nanómetros y atenuaciones de 2 dB/Km . Hoy en día una nueva generación de fibras con núcleos de 9 micrómetros, transmiten en frecuencias tan altas como 1310, 1550, 1490 y 1625 nanómetros con atenuaciones menores a los 0,2 dB/Km y permiten velocidades de varios Terabits por segundo ORIGEN DE LAS COMUNICACIONES POR FIBRA OPTICA

8. 8 VENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA ATENUACION: actualmente contamos con fibras ópticas con atenuaciones tan bajas como 3,0 dB/Km a 850 nm, 0.35 dB/Km a 1310 nm y 0.25 a 1550 nm. ANCHO DE BANDA: en sistemas optimizados ya se logran capacidades de transmisión superiores a los 4 Terabits/s . INMUNIDAD A INTERFERENCIAS Y DIAFONIA: el vidrio en totalmente inmune a la interferencia electromagnética, además la luz está confinada totalmente al interior de la fibra por el recubrimiento opaco.

9. 9 CAPACIDAD DE CANAL: tiene la posibilidad de utilizar la Multiplexación por División de longitud de onda (DWDM), que pueden combinar hasta 160 longitudes de onda en una sola fibra. SEGURIDAD: son menos susceptibles de sufrir intercepciones no autorizadas de la transmisión sin que esto sea detectado . TAMAÑO : cables de 12 fibras poseen el mismo diámetro que un coaxial RG-6U. VENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA

10. 10 PESO: un cable con 12 fibras y con todas sus protecciones puede llegar a pesar menos de 80 Kg/Km . POTENCIAL DE MODERNIZACION: una vez instalada la fibra, se pueden modernizar los equipos transmisores y receptores RESISTENCIA MECANICA: las fibra ópticas de sílice pura son mas resistentes que el acero VENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA

11. 11 AISLAMIENTO ELECTRICO: el equipo transmisor esta aislado eléctricamente del receptor, por lo que no se requiere de tierras comunes. RESISTENCIA A LA TEMPERATURA: tanto los filamentos de fibra como los conductores están recubiertos por polímeros . REPARACIONES SIN INTERRUPCION: las fibras ópticas pueden ser unidas y manejadas sin necesidad de apagar el equipo transmisor o el receptor. VENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA

12. 12 ECONOMIA: actualmente la fibra óptica tiende a ser mucho mas económica que los cables metálicos llegando a un punto de quiebre el cual se acorta cada día mas. RESISTENCIA A LA CORROSION: el vidrio no sufre deterioro por fenómenos externos como la sulfatación o la salinidad. INMUNIDAD A DESCARGAS ELECTRICAS Y CORTOCIUCUITOS Y ALTAMENTE FLEXIBLE VENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA

13. 13 NO TRANSPORTA CORRIENTE ELECTRICA: por su construcción con material dieléctrico (vidrio), la fibra óptica no puede transportar energía eléctrica para alimentar sus equipos repetidores. MATERIALES DE ALTISIMA PUREZA: si bien la materia prima utilizada para la fabricación de la fibra óptica es muy abundantes en la naturaleza y muy barata, estas deben ser de altísima pureza para poder elaborar los filamentos de vidrio . FRAGILIDAD y MANIPULACION : dada la fragilidad del vidrio, su pequeñísimo diámetro y la dificultad para efectuar las uniones, la manipulación de los cables de fibra óptica puede llegar a ser una gran desventaja. ALTA ESPECIALIZACION: para el despliegue y la instalación de los cables de fibra óptica, se requiere de personal con mucha especialización, además de herramientas y equipos de medición de alto valor . DESVENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA

14. 14 ALTO COSTO DE IMPLEMENTACION: los equipos de transmisión y recepción ópticos son muy costosos aun hoy día. EQUIPOS DE CONVERSION: se necesita efectuar la conversión de señal óptica a eléctrica en ambos lados de los enlaces. DESVENTAJAS DE LA FIBRA OPTICA

15. Cada filamento de fibra óptica esta compuesto de: Un N úcleo central llamado CORE construido de d i óxido de silicio y rodeado de un R evestimiento que también es de dióxido de silicio, pero con un índice de refracción un poco menor, llamado CLADDING Al filamento cilíndrico final se le agrega un baño de pintura acrílica como R ecubrimiento llamado COATING para protegerla del polvo y otros contaminantes . FABRICACION DE LA FIBRA OPTICA La fibra óptica son delgados filamentos de vidrio utilizados en telecomunicaciones por su gran capacidad de transmisión, su enorme ancho de banda y su bajísima atenuación, su teoría de funcionamiento se basa en un principio muy sencillo "la luz viaja a través del vidrio". 15

16. 16 La materia prima que se utiliza para la fabricación de las fibras ópticas, es la mas abundante en la naturaleza y se llama dióxido de silicio ( SiO 2 ), a este compuesto se le agregan algunos dopante como el Flúor, el Boro, el Germanio y el Fósforo para alterar el índice de refracción de vidrio. Las fibras ópticas se fabrican a partir de dos cilindros de vidrio hueco de varios milímetros de diámetro compuesto de dióxido de silicio y los elementos dopantes que variarán el índice de refracción del núcleo y del revestimiento de la fibra . FABRICACION DE LA FIBRA OPTICA https://www.youtube.com/watch?v=0lmLxfIez7Q

17. En el centro de este cilindro se introducen vapores con los distintos d opantes, luego se le aplica una llama de hidrogeno a 2.000 grados centígrados y por calentamiento se logra vaporizar estos elementos hasta formar una capa de material cristalino, lo que será luego el núcleo de la fibra. El cilindro resultante se llama la Barra Preformada . Después la Barra Preformada se coloca en una torre de fraccionamiento, se introduce en un horno a 2.000 grados y se estira por medio de un sistema automático computarizado hasta conseguir el diámetro adecuado, 125 μ m . Existen varios procesos para la fabricación de fibra óptica, algunos utilizados son: M.C.D.V. de la empresa AT&T . V.A.D. de Japón. P.C.V.D . de la Philips . O.V.D . ( Outside Vapor Deposition ), CORNING . FABRICACION DE LA FIBRA OPTICA 17

18. 18 Valores típicos del índice de refracción: Vacío = 1,000 Aire = 1,0003 Agua = 1,33 Vidrio = 1,6 Diamante = 2,417 Alcohol = 1,36 Los materiales translucidos presentan diferentes grados de oposición al paso de la Luz, esta posición modifica la velocidad con que la Luz viaja a través de ese material. Con este principio se puede determinar el valor de esa oposición al paso de la luz relacionándolo con la velocidad de la luz en el vacío que es una constante universal y es 300.000 Km/s. Al relacionar la velocidad la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad a la que se desplaza en ese medio se obtiene una característica de ese material, esta se conoce como el "Índice de Refracción" y se anota con la letra " n " COMO VIAJA LA LUZ EN UNA FIBRA OPTICA VALORES: C= Velocidad de la luz. Vp = Velocidad de la luz en ese medio

19. COMO VIAJA LA LUZ EN UNA FIBRA OPTICA Cuando logramos introducir un rayo luminoso en un medio como el vidrio, esta luz se encuentra con la superficie de contacto de otro medio, en este punto se producen dos fenómenos físicos : La reflexión (parte de la luz choca y se devuelve al medio ) La refracción (parte de la luz choca pero cruza al otro medio). 19

20. 20 Este fenómeno fue estudiado en el año 1626 por el científico holandés Willebrord Snell, dando origen a La ley de Snell. Es una fórmula utilizada para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de contacto entre dos medios en los que la luz se puede propagar, sirviendo para cualquier onda de características electromagnéticas, que tengan índices de refracción distintos. COMO VIAJA LA LUZ EN UNA FIBRA OPTICA

21. En un filamento de fibra la Luz se introduce en el núcleo de la fibra y el revestimiento tiene un índice de refracción tal que permite que el fenómeno de refracción de la luz sea nulo o se minimícese. Por lo tanto el núcleo de la fibra tiene siempre con un índice de refracción mayor que el del revestimiento, de forma tal que la luz se va reflejando contra las paredes del revestimiento o Cladding, en ángulos que permiten que la luz avance por su centro. COMO VIAJA LA LUZ EN UNA FIBRA OPTICA 21

22. COMO VIAJA LA LUZ EN UNA FIBRA OPTICA Cuando la luz de un transmisor fotónico se acopla en una fibra óptica, debemos tener la certeza de que la mayoría de los rayos de luz emitidos se inserten en el núcleo para evitar pérdidas. La Apertura Numérica es valor que indica el ángulo de aceptación de los rayos que salen de la fuente emisora de luz y entran efectivamente al núcleo. Los con ángulos menores a este son refractados y logran entrar al núcleo de la fibra y para los rayos de luz con ángulos mayores son reflejados y por tanto no son capturados por el núcleo, causando las pérdidas de acoplamiento o inserción entre el equipo óptico y la fibra. 22

23. 23 Ejemplo: Una fibra óptica tiene un núcleo con índice de refracción n1 = 1,45 Y su revestimiento n2 = 1,35 . Su Apertura Numérica será igual a: NA =√ ( 1,45) 2 - ( 1,35) 2 = 0,529 Por lo que el ángulo de su Apertura Numérica será : ф NA = arcsen ( 0,529) = 31,94° COMO VIAJA LA LUZ EN UNA FIBRA OPTICA

24. 24 Cuando se transmite información por una fibra óptica, lo hacemos por medio de pulsos de luz, que viajan confinados entre el núcleo o Core y el revestimiento o Cladding . Esta luz se genera en un emisor óptico a una longitud de onda determinada. Con la evolución de la tecnología, se determinó que había una relación entre el color de la luz y las pérdidas de transmisión, con esto se determinaron las longitudes de onda óptimas para transmitir, las zonas en donde la atenuación en dB/Km era menor. A estos rangos se les denomino Ventanas de Transmisión. LAS VENTANAS DE TRANSMISION OPTICAS

25. 25 La transmisión de información a través de la fibra óptica se realiza mediante la modulación de un haz de luz invisible al ojo humano, que en el espectro electromagnético se sitúa por debajo del infra-rojo. Hoy en día se utilizan diversas fuente emisoras de luz, con longitudes de onda que van desde los 660 nm hasta los 1.675 nm y se distribuyen en múltiples bandas. La ITU-T ha desarrollado y publicado una serie de estándares que definen las bandas de transmisión recomendadas y estos abarcan desde la segunda ventana clásica hacia arriba , en lo que es la zona con menor pérdida . Las siguientes son las Ventanas de transmisión en que las fibras ópticas presentan una menor atenuación, son expresadas en nanómetros: Primera ventana     800 nm a   900 nm Utilizada en 850 nm Segunda ventana   1250 nm a 1350 nm   Utilizada en 1310 nm Tercera ventana    1500 nm a 1600 nm   Utilizada en 1550 nm LAS VENTANAS DE TRANSMISION OPTICAS

26. 26 LAS BANDAS DE TRANSMISION OPTICA Banda O (Original): 1260 nm – 1360 nm Banda E (Extended): 1360 nm – 1460 nm Banda S (Short): 1460 nm – 1530 nm Banda C ( Conventional ): 1530 nm – 1565 nm Banda L (Long): 1565 nm – 1625 nm Banda U (Ultra-Long): 1625 nm – 1675 nm LAS VENTANAS DE TRANSMISION OPTICAS 26

27. 27 Las fibra ópticas utilizadas en telecomunicaciones pueden ser de dos tipos solamente: Las Fibras Multimodo (MM) Las Fibras Monomodo (SM). Los modos representan a los rayos luminosos de la misma longitud de onda que entran a la fibra a un ángulo particular. El monomodo utiliza un modo único de luz para transmitir la señal. El multimodo utiliza modos múltiples de luz para transmitir la señal. Ambos tipos de fibra transportan luz, pero su principal diferencia operacional es la distancia que pueden alcanzar. LOS TIPOS DE FIBRA OPTICAS

28. 28 Los distancias máximas sin repetidor, en las fibras multimodo (MM) en teoría son de hasta 4,8 Kms y en la práctica no se usan para más de 2Km, y las fibras monomodo (SM) son hasta 90 Km , en la práctica tiene repetidores cada 50 Kms . (ejemplo: cable de fibra óptica submarino) Las diferencias entre ambas son muchas, pero una muy determinante es la dimensión del núcleo. LOS TIPOS DE FIBRA OPTICAS

29. 29 La fibra óptica multimodo utiliza como fuente luminosa los dispositivos semiconductores llamados Diodos LED y otro dispositivo llamado VCSEL. La fibra óptica monomodo utiliza como fuente luminosa la Amplificación de la luz por radiación mediante emisión estimulada LASER. El Láser es un dispositivo que produce un haz de luz muy intenso. Esta clase de luz es mucho más fuerte que la que emite un LED . Esto permite que la fibra óptica monomodo que utiliza láser transmita datos a través de distancias más grandes. LOS TIPOS DE FIBRA OPTICAS

30. 30 LOS EMISORES PARA FIBRA OPTICA Los dispositivos utilizados como emisores y foto detectores de la luz irradiada en los sistemas de comunicaciones ópticas son el Diodo Laser semiconductor y el Diodo Electroluminiscente o Diodo LED . También tenemos para redes de fibra multimodo de alta velocidad el VCSEL ( Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Dentro de los componentes electrónicos utilizados para emitir luz en la ventana de los 850 nm , están el Galio (Ga), el Aluminio (Al) y el Arsénico (As ). Si agregamos el Indio (In) y el Fósforo (P) lograremos emitir en las ventanas de los 1300 y 1500 nm . Ningún otro tipo de fuente óptica puede modularse directamente a tan altas velocidades de transmisión, con tan baja excitación y tan baja salida. El láser ofrece mejor rendimiento en anchos de banda grandes y largos alcances. Para anchos de banda menores y cortas distancias se suele escoger el LED y el VCSEL pues tanto el circuito de emisión como el de control son más sencillos.

31. 31 EL LED La generación de luz en un diodo LED se basa en el efecto de la electroluminiscencia . En un LED la luz se emite según los 360° que corresponden a una radiación esférica, pero esto queda limitado por la construcción metálica del diodo, la reflexión en el material utilizado y la absorción en el metal semiconductor . El ancho de banda típico de un LED es de 200 MHz, con bajísimo consumo de energía. Los LED presentan un espectro de emisión más ancho que los láser. Un LED de 850 nm . tiene un ancho entre 30 y 50 nm . LOS EMISORES PARA FIBRA OPTICA

32. 32 El VCSEL Presenta desempeño en altas velocidades, similar a los láseres tradicionales, pero con un costo mucho menor. Esto junto a la evolución del medio físico mediante la optimización de las fibras ópticas multimodo para aplicaciones Gigabit y 10 Gigabit. Está permitiendo incrementar las distancias en las aplicaciones para redes de área local, presentando una mejor alternativa costo-beneficio, respecto de las mismas aplicaciones sobre fibra monomodo. LOS EMISORES PARA FIBRA OPTICA

33. 33 DIODO LÁSER La de generación de luz en un diodo láser es muy similar al del LED, pero con un volumen de generación menor y una alta concentración de portadores inyectados. De esta forma se consigue una elevada ganancia óptica y un espectro de emisión muy estrecho que da lugar a luz coherente . La luz de este tipo de láser puede acoplarse fácilmente a una fibra juntando simplemente a tope un extremo de la raya del láser contra el extremo del núcleo de la fibra . LOS EMISORES PARA FIBRA OPTICA

34. 34 LOS FOTODETECTORES PARA FIBRA OPTICA Básicamente el foto detector es un dispositivo que convierte los fotones en electrones. Los foto detectores utilizados en las comunicaciones ópticas son el diodo PIN y el fotodiodo de avalancha o APD. La gran mayoría de los sistemas instalados usan diodos PIN. PIN El fotodiodo PIN es el detector mas utilizado en los sistemas de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido y es compatible con circuitos amplificadores de tensión. Además es sensible a un gran ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia .

35. APD Los APD también son diodos polarizados en inversa, pero en este caso las tensiones inversas son elevadas, originando un fuerte campo eléctrico que acelera los portadores generados, de manera que estos colisionan con otros átomos del semiconductor y generan mas pares de electrones. Esta ionización por impacto determina la ganancia de avalancha. La ganancia de un APD tiene influencia sobre el ancho de banda. Con ganancias mas elevadas, el ancho de banda se reduce debido al tiempo necesario para que se forme la foto avalancha. LOS FOTODETECTORES PARA FIBRA OPTICA 35

36. LOS TIPOS DE CABLES DE FIBRA OPTICA Con los dos tipos de fibra óptica monomodo y multimodo, que tenemos disponibles para telecomunicaciones, se pueden confeccionar una infinidad de tipos de cables para cada una de las necesidades de instalación. Pero los cables existentes son de dos tipos solamente: Cables de Tubos Sueltos o de Estructura Holgada “LOOSE TUBE” Cables de Estructura Ajustada o “TIGHT BUFFER” La diferencia principal entre los dos diseños está en las aplicaciones para las que se los utiliza. El cable de tubo suelto se utiliza principalmente para instalaciones de Planta Externa, en el exterior de los edificios, mientras que el cable estructura ajustada se utiliza instalaciones de Planta Interna, en el interior éstos. 36

37. LOS TIPOS DE CABLES DE FIBRA OPTICA LOOSE TUBE Los cables de tubo suelto se utilizan generalmente para instalaciones en ductos, tendidos aéreos, antenas y soterrados en Planta Externa. No tiene una amortiguación estrecha alrededor de cada fibra, sólo posee un revestimiento de acrílico de 250 micrones. Un cable de tubo suelto consta de seis componentes: Las fibra en sus tubos Elemento central resistente (fibra de vidrio) Tubos de transporte rellenos con gel Cinta para bloquear agua Elementos resistentes de aramida o Kevlar Revestimiento 37

38. LOS TIPOS DE CABLES DE FIBRA OPTICA CABLE DE LOOSE TUBE 38

39. CABLE TIGHT BUFFER Lo s cables tight buffer se utilizan para instalaciones de backbone interior, conductos verticales, horizontales y plenum . A diferencia de los diseños de tubo suelto, los cables de amortiguación ajustada tienen el material de amortiguación en contacto directo con la fibra. Un cable de amortiguación estrecha consta de cuatro componentes: Fibras Búferes Elementos resistentes de aramida o Kevlar Revestimiento LOS TIPOS DE CABLES DE FIBRA OPTICA 39

40. Para identificar cada fibra y cada grupo de fibras contenidas en los tubos de los cables Loose Tube se utiliza un código de colores. Estos varían entre los distintos fabricantes de cables, pudiendo encontrar varios en uso. Existe una norma que utilizan la mayor parte de los fabricantes y los instaladores esta es la ANSI/TIA/EIA 598A LOS TIPOS DE CABLES DE FIBRA OPTICA 40

41. LOS TIPOS DE CABLES DE FIBRA OPTICA Dentro de la gran variedad de cables que se pueden encontrar, existen cables para todas las configuraciones que un instalador pueda necesitar dependiendo del tipo de proyecto, si es de planta interna o de planta externa, el terreno, el clima, los usos las velocidades y otras consideraciones. Para esto encontraremos cables para todo tipo de tendidos e instalaciones, los mas utilizados son: Cables para tendidos aéreos Cables para tendidos submarinos Cables para tendidos subterráneo Cables para tendidos soterrados. Cada uno con diferencias en su construcción, protecciones y aplicaciones. 41

42. RESUMEN Después de finalizar esta revisión de las características y los fundamentos de la fibra óptica deberías reconocer: Que es el medio de transmisión fibra óptica Su historia y desarrollo Sus ventajas y desventajas comparadas con el cable de cobre Su proceso de fabricación Su principio de funcionamiento Las ventanas de transmisión Los equipos de transmisión y recepción Los tipos de cables de fibra y sus usos mas comunes 42