Optoelectrónica y electroóptica

Transcripción

1 Materia: Optoelectrónica y electroóptica Apuntes teóricos Preparado por: Ing. Daniel Xinos Versión 1 Fecha: 10/6/2010 1

2 Fibras ópticas La fibra óptica desde el punto de vista físico Un cable de fibra óptica está formado por dos capas concéntricas, el núcleo y el revestimiento ( cladding ), que tienen distintos índices de refracción (el núcleo n 1 y el recubrimiento n 2 ). El índice de refracción es una forma de medir la velocidad de la luz en un material dado. La velocidad de la luz en el vacío es de Km/seg. El índice de refracción se calcula como el cociente entre de la velocidad de la luz en el vacío por la velocidad de la luz en otro medio: Índice de refracción de un medio = (Velocidad de la luz en el vacío/velocidad de la luz en un medio) En una fibra óptica el índice de refracción del núcleo, n 1, es siempre mayor que el índice de refracción del recubrimiento, n 2. La luz es guiada a través del núcleo, y la fibra actúa como una guía de onda óptica. 2

3 Fig. 2 Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro (por ejemplo de silicio fundido al aire), el rayo se refracta y se dobla en la frontera del silicio y el aire, como se muestra en la figura (a). En ella vemos un rayo de luz que incide en la frontera con un ángulo α 1 y emerge con un ángulo β 1. El grado de refracción depende de las propiedades de los dos medios (en particular sus índices de refracción). Para ángulos con incidencias mayores de ciertos valores críticos, la luz se refracta nuevamente al silicio; ninguna parte de él escapa al aire. Por lo tanto, un rayo de luz que incide en un ángulo de luz mayor o igual al crítico queda atrapado dentro de la fibra, como se muestra en la figura (b), y se puede propagar por varios kilómetros prácticamente sin pérdida. El diagrama de la segunda figura únicamente muestra un rayo atrapado, pero puesto que cualquier rayo de luz que incida en la frontera con un ángulo mayor que el crítico se reflejará internamente, muchos rayos estarán rebotando con ángulos diferentes. Se dice que cada rayo tiene un modo diferente, por lo que una fibra que tiene esta propiedad se denomina fibra multimodo. El valor del ángulo crítico está definido por: Qc = cos -1 (n 2 /n 1 ) Por ejemplo, si n 1 = 1,557 y n 2 = 1,343, el ángulo crítico es de 30,39 La figura 2 muestra un rayo de luz entrando al núcleo desde el aire exterior a la izquierda del cable. La luz debe entrar al núcleo desde el aire a un ángulo conocido menor que una entidad conocida como ángulo de aceptación : Qa = sen -1 [(n 1 /n 0 ) sen (Qc)] 3

4 En esta fórmula n 0 es el índice de refracción de aire, que es igual a 1. Este ángulo es medido desde el eje cilíndrico del núcleo. En el ejemplo precedente, el ángulo de aceptación es 51,96 La fibra óptica también tiene un factor conocido como Apertura Numérica (NA), dada por la siguiente fórmula: NA = sen Qa = (n n 2 2 ) ½ Desde una perspectiva tridimensional, para asegurar que las señales refractan y son transmitidas correctamente a través del núcleo, la luz debe entrar al núcleo a través de un cono de aceptación derivado por la rotación del ángulo de aceptación sobre el eje cilíndrico de la fibra, como se ve en la figura siguiente: El tamaño del cono de aceptación es función de la diferencia entre los índices de refracción del núcleo y del recubrimiento. Hay un ángulo máximo medido desde el eje de la fibra al cual la luz se puede propagar o viajar a través del núcleo de la fibra. El seno de ese ángulo es la Apertura Numérica (NA) de la fibra. El NA en el ejemplo precedente es 0,787. Fibras con un NA más grande requieren menos precisión para ser fusionadas y trabajar que aquellas con menor NA. Las fibras tipo monomodo (SM) tienen menor NA que las multimodo (MM). Por otro lado, si el diámetro de la fibra se reduce a unas cuantas longitudes de onda de la luz, la fibra actúa como una guía de ondas y la luz se puede propagar sólo en línea recta, sin rebotar, lo cual da como resultado una fibra monomodo. Las fibras monomodo se pueden utilizar en distancias más grandes. Las fibras monomodo disponibles en la actualidad pueden transmitir datos a 50 Gbps a una distancia de 100 Km sin amplificación. En el laboratorio se han logrado tasas de datos todavía mayores a distancias más cortas Fibra óptica multimodo con índice escalón 4

5 Fibra óptica multimodo con índice gradual Fibra monomodo Dimensiones de las fibras Consideraciones de desempeño La cantidad de luz que puede ser acoplada en el núcleo a través del ángulo externo de aceptación es directamente proporcional a la eficiencia del cable de fibra óptica. A mayor cantidad de luz que pueda ser acoplada al núcleo, menor será la tasa de errores de bits (BER, Bit Error Rate), porque más luz alcanza al receptor. La atenuación que un rayo de luz experimenta al propagarse a lo largo del núcleo es inversamente proporcional a la eficiencia de del cable óptico, porque a menor atenuación en la propagación será menor el BER. Esto es debido a que más luz alcanza al receptor. También, cuanto menor sea la dispersión cromática en la propagación, será más rápida la velocidad extremo a extremo desde la fuente hasta el destino. Los factores más importantes que afectan las consideraciones de desempeño descriptas en este párrafo son el tamaño de la fibra, la composición de la fibra y el modo de propagación. 5

6 Métodos de fabricación Tres tipos de materiales son empleados para fabricar cables de Fibra Óptica: Vidrio Plástico PCS (Plastic-clad silica), silicio recubierto de plástico. La diferencia entre ellos es la atenuación, que es producida por dos efectos físicos: absorción y dispersión ( scattering ). La absorción toma energía de la señal por el efecto de interacción entre la luz que se propaga (fotones) y las moléculas del núcleo. La dispersión (scattering) direcciona la luz afuera del núcleo, hacia el recubrimiento (cladding). Cuando la atenuación se expresa en forma cuantitativa, se toma como referencia a una cierta longitud de onda donde tiene valores mínimos: una ventana. Las longitudes de onda pico más comunes son 850 nm, 1310 nm, 1550 nm y 1625 nm. La región de 850 nm es conocida como primera ventana (fue utilizada al comienzo porque soportaba la tecnología original de LED y detector). La de 1310 nm es mencionada como segunda ventana y la de 1550 nm como la tercera ventana. Cable de Fibra Óptica de vidrio Tiene la menor atenuación, está formado por núcleo y recubrimiento ( cladding ) de vidrio, y es el más utilizado en la actualidad, por lo cual es con el que existe mayor experiencia. El vidrio usado en un cable de fibra óptica es ultra puro, ultra transparente, está hecho de dióxido de silicio o cuarzo fusionado. Durante el proceso de fabricación se le agregan impurezas al vidrio puro para obtener los índices de refracción necesarios para guiar la luz. Germanio, titanio o fósforo son agregados para incrementar el índice de refracción. Boro o flúor se agregan para disminuir el índice de refracción. Otras impurezas que queden en el cable de vidrio después de la fabricación son las que pueden incrementar la atenuación por dispersión (scattering) o por absorción de luz. Cable de fibra óptico plástico Tiene la más alta atenuación entre los tres tipos. Este tipo de cable tiene tanto el núcleo como el recubrimiento (cladding) de plástico. Es bastante grueso, sus dimensiones típicas son 480/500, 735/750 y 980/1000. El núcleo es de polimetilmetacrilato de metilo (PMMA) cubierto con un fluropolímero (fluropolymer). El cable de fibra óptica plástico fue original y principalmente usado en la industria automotriz. La mayor atenuación respecto al cable de vidrio no es un obstáculo serio debido a las reducidas longitudes necesarias en estas aplicaciones. El reducido costo del cable plástico de fibra óptica es interesante cuando hay limitaciones presupuestarias. Este tipo de cables tiene un problema con la inflamabilidad. Debido a esto no es apropiado para ciertos ambientes y hay que tener cuidado cuando debe ser instalado a través de un plenum (conductos de usados para calefacción, ventilación o aire acondicionado). 6

7 Por otro lado la fibra óptica plástica es considerada extremadamente áspera, con un escaso radio de curvatura y la capacidad de soportar abusos. Cable PCS (Plastic-Clad Silica) La atenuación del cable PCS está entre el del vidrio y el de plástico. Este tipo de fibra tiene un núcleo de vidrio, que suele ser silice vidriosa, y el recubrimiento (cladding) es plástico, usualmente elastómero siliconado con un menor índice de refracción. El PCS fabricado con una cubierta de elastómero siliconado sufre tres defectos: 1 ) Tiene una plasticidad considerable, que hace difícil la aplicación de conectores 2 ) No es posible pegarlos con adhesivos 3 ) Es prácticamente insoluble en solventes orgánicos Estos tres factores hacen que este tipo de cables de fibra óptica no sean muy populares entre los instaladores. Sin embargo ha habido mejoras en los últimos años. Código de colores de la cubierta exterior: Para cables a instalar en Data Centers o en general en ambientes cerrados, el color de la cubierta depende del tipo de fibra contenida en el cable. Para fibras monomodo (SM), el color es amarillo Para fibras multimodo (MM), es naranja. Pata cables a instalar en el exterior (outdoor), la cubierta es negra. Sistemas de cable multifibra Están construídos con refuerzos que resisten los esfuerzos a los que son sometidos en el proceso de instalación, cuando son traccionados y doblados. Las cubiertas exteriores son: OFNR (riser rated), para instalación vertical OFNP (plenum rated), para instalación horizontal, o LSZH (Low Smoke, Zero Halogen rated): bajo humo, sin compuestos halogenados. Fabricación Para el proceso de fabricación se trabaja con dos extrusoras dispuestas en tándem, las que en un proceso continuo elaboran el conductor hueco, formado por un tubo exterior y otro interior. Para garantizar que los espesores de las paredes de los tubos tengan los valores requeridos - solamente algunas décimas de milímetro -, es necesario contar con un mecanismo de maniobra y control de funcionamiento exacto para extruír los materiales que formarán la protección de modo uniforme a unos 250 C (fig. 8.5). La ventaja de esta vaina de dos capas en comparación con la de una sola radica en la mayor libertad para elegir los materiales y sus posibilidades de combinación, las que permiten solucionar con mayor eficiencia los problemas térmicos y mecánicos. Durante la producción de la vaina protectora, se le inyecta con una aguja y a presión constante, la masa de relleno que no debe contener inclusiones de aire ni de otras sustancias extrañas. En este proceso la coordinación de las longitudes exactas tanto del conductor hueco como de las fibras ópticas es el principal punto que se debe tener en cuenta. 7

8 Las bobinas convencionales, como las usadas para conductores de cobre, no sirven para embobinar conductores huecos. Las razones son, por una parte, su reducida capacidad y, por la otra, el que al embobinar pueden deslizarse diferentes capas unas encima o debajo de otras provocando condiciones indefinidas de compresión entre los conductores huecos con su consiguiente deterioro. Además, este tipo de embobinado no permitiría lograr una exacta coordinación de longitudes entre conductor de fibras ópticas y vaina. Por los motivos expuestos, se efectúa el embobinado de los conductores huecos en platos o tambores, de gran capacidad para enrollar en ellos hasta varios kilómetros de conductor hueco, colocados en forma horizontal directamente al lado de la máquina que produce los conductores Cables tipo Conductores huecos ( loose tube ) Bajo conductor hueco se entiende a un tubito de plástico - vaina - en cuyo interior se encuentra alojado, en forma estable, el conductor de fibras ópticas, con poco rozamiento y resistente a las deformaciones. La vaina también debe ser estable de forma, tenaz, resistente al envejecimiento y muy flexible. Además debe ser posible manejar el cable de forma similar a un cable tipo par trenzado o un par coaxial en los cables tradicionales de cobre, sin que por ello el conductor de fibras ópticas se vea sometido a esfuerzos mecánicos apreciables. De esta forma, el conductor hueco presenta todas las características de un elemento básico utilizable universalmente. La vaina está compuesta por una capa interior de protección con un coeficiente de rozamiento muy bajo y otra exterior que protege mecánicamente al conductor de fibras ópticas. La utilización de diferentes materiales o combinaciones de materiales (p. ej. poliester y poliamida) posibilitan la adaptación a una amplia gama de condiciones ambientales. El conductor de fibras ópticas se encuentra alojado con un juego de algunas décimas de milímetro y una longitud definida dentro de esta vaina protectora, la cual permite, además, la movilidad radial del conductor. Como la vaina es lisa en su exterior e interior, ofrece mínima resistencia al movimiento del conductor de fibras ópticas dentro del conductor hueco. Suponiendo que el conductor de fibras ópticas y el conductor hueco tengan la misma longitud, se puede considerar que, con el trenzado de los conductores, el conductor hueco actúa como acumulador longitudinal que absorbe fácilmente el 0,4% y hasta un máximo del doble de la variación de longitud del cable sin que el conductor de fibras ópticas se vea sometido a esfuerzos de compresión o tracción. Una ventaja especial del conductor hueco radica en la facilidad con que se lo puede "desenvainar" para efectuar empalmes o conexiones y que resulta muy útil cuando se prepara un empalme o la colocación de un conector. En las figuras siguientes se ilustran las posiciones de las fibras dentro del conductor hueco, de la fibra óptica en los casos de contracción, no sometida a ninguna carga y tracción. Estado normal Cable en tracción Cable en contracción Ante un alargamiento, a causa de un esfuerzo de tracción aplicado al cable, se produce un desplazamiento de la fibra óptica hacia el interior del conductor loose tube sin que, en principio, se adhiera ni se deforme, lo cual tendría como consecuencia un incremento de la atenuación. El alargamiento del cable se transmite al conductor de fibras ópticas sólo cuando éste, según el dimensionamiento del conductor hueco, supere aprox. 0,5 a 1% de la longitud total. Sólo a partir de estos valores el conductor de fibras ópticas reacciona con un incremento de la atenuación. 8

9 Si un cable de conductores de fibras ópticas se contrae, la fibra se desplaza hacia la periferia del conductor hueco. En consecuencia, al adaptarse a las características del medio exterior, este acumulador longitudinal evita, también en este caso, una variación de la atenuación. El cable se contrae, por ejemplo al tener lugar un enfriamiento. Relleno Bajo determinadas condiciones ambientales existe la posibilidad de que, ante una rotura del cable de conductores de fibras ópticas, penetre agua en el conductor loose tube y se escurra en su interior. El agua puede llegar a congelarse y, a causa del incremento local de su volumen, ejercer presión sobre el conductor de fibras ópticas en numerosos puntos ocasionando microcurvaturas (microbending), las que, a su vez, pueden elevar en forma inadmisible la atenuación. Para evitarlo se procede a rellenar el conductor hueco con una sustancia adecuada. Se trata de un gel que, en el rango de temperatura de -30 a +70 C, ni se congela ni se escurre fuera del conductor hueco; tampoco ataca al revestimiento protector de las fibras ópticas y no provoca su hinchamiento. Esta masa -que se puede quitar y lavar fácilmente- no deja residuos que pudieran dificultar las conexiones del conductor de fibras ópticas y tampoco contiene sustancias inflamables. Construcción Cómo se crea la fibra óptica Generalmente, la fibra óptica se crea por medio de un proceso llamado deposición externa de vapor (OVD). La fibra producida con éste proceso es totalmente sintética, presenta una confiabilidad mejorada, y permite una consistencia geométrica y óptica precisa. El proceso OVD produce una fibra con dimensiones muy consistentes. Los tres pasos de la fabricación de la fibra óptica con OVD Básico consta de depósito, consolidación y tendido. Depósito Se depositan partículas de sílice y germanio en una vara por medio de una reacción química. Este paso crea materiales muy puros. Consolidación En este paso se quita la vara de la masa de minerales recolectados sobre ella en el paso anterior. La masa se ubica, entonces, en un horno donde se crea el vidrio. Tendido Después, el vidrio preformado terminado se coloca en una torre de tendido y se tiende para formar un filamento continuo de fibra de vidrio. Primero, se baja el vidrio en bruto dentro de la parte superior del horno de tendido. La punta de la pieza en bruto se calienta hasta que una pieza de vidrio fundido, llamada gota, comienza a caer de la pieza en bruto. Es muy similar al caramelo caliente. Mientras la gota cae, tira hacia atrás una delgada fibra de vidrio, que es el comienzo de una fibra óptica. La gota se corta y la delgada fibra se hila dentro de un ensamble de tractor controlado por una computadora, y se tiende. Así, a medida que se controla el diámetro, el ensamble se acelera o disminuye la velocidad para controlar con precisión el tamaño del diámetro de la fibra. La fibra progresa a través de un sensor de diámetro que mide el diámetro cientos de veces por segundo para asegurar el diámetro exterior especificado. En la base del tendido, la fibra se enrolla en carretes para continuar su procesamiento. 9

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11 Fabricación de la Fibra Óptica Las imágenes aquí muestran como se fabrica la fibra monomodo. La primera etapa consiste en el ensamblado de un tubo y de una barra de vidrio cilíndrico montados concéntricamente. Se calienta el todo para asegurar la homogeneidad de la barra de vidrio. Una barra de y de un diámetro estiramiento una longitud de vidrio de una longitud de 1 m de 10 cm permite obtener por fibra monomodo de una alrededor de 150 Km. 11

12 La barra así obtenida será instalada verticalmente en una torre situada en el primer piso y calentada por las rampas a gas. El vidrio se va a estirar y "colar" en dirección de la raíz para ser enrollado sobre una bobina. Se mide el espesor de la fibra (~10 μm) para dominar la velocidad del motor del enrollador, a fin de asegurar un diámetro constante. Cada bobina de fibra hace el objeto de un control de calidad efectuado al microscopio. Después se va a envolver el vidrio con un revestimiento de protección (~230 μm) y ensamblar las fibras para obtener el cable final a una o varias hebras. De qué están hechas las Fibras Ópticas? La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre. Con unos kilogramos de vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilómetros de fibra óptica. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son el núcleo y el revestimiento. el núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz. Conductores por grupos Tal como ya se describió antes, los conductores huecos han probado su eficiencia práctica para albergar un único conductor de fibras ópticas. Estos tubitos con un espesor de 1,4 mm se usan con preferencia para la configuración de cables con pocos conductores de fibras ópticas. Con el conductor hueco se pueden diseñar y fabricar también cables con numerosos conductores de fibras ópticas. Sin embargo, a medida que aumenta el número de fibras, crece la complejidad de la 12

13 configuración de los cables, los diámetros exteriores resultan relativamente grandes y en consecuencia estos cables son cada vez más pesados, o sea que en la práctica su manejo se vuelve cada vez más difícil. Para reducir estas desventajas, en lugar de un sólo conductor se introducen de dos a doce conductores de fibras ópticas monomodo o multimodo en una cubierta algo más grande (diámetro exterior 1,8 a 3,5 mm) formando un conductor por grupos. Al igual que en el caso de los conductores huecos, se rellena el cable con una masa amoldable, ligeramente tixotrópica, que entre -30 y +70 C no gotea ni se congela. Un perfeccionamiento del grupo de conductores lo constituye el conductor en maxigrupos. En un conductor de este tipo de mayor diámetro exterior (valor típico 6 mm) pueden alojarse hasta 12 fibras ópticas trenzadas. Gracias al trenzado en el interior del tubito existe una reserva de longitud de aprox. 5 %. Este grupo de conductores es utilizado como elemento básico para otros cables, p. ej. cables de fibras ópticas aéreos autosoportables. 0,45 Ensayo de tracción Alargamiento (%) 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Cable Fibra óptica Carga (kg) Dimensiones 13

14 Rangos de temperaturas típicos Temperatura de transporte y almacenamiento -20 C a 50 C Temperatura de tendido 5 C a 40 C Temperatura de servicio 0 C a 55 C Ensayo a baja Temp. 0,12 Variación de atenuación (db/km) 0,1 0,08 0,06 0,04 0, Temp. ( C) Efectos mecánicos y térmicos Cable en contracción Cable en tracción Estado normal Estructura loose Vs Tight 14

15 Cables de fibras ópticas De acuerdo al tipo de instalación existen diferentes tipos de estructuras de cables ópticos (loose tube): Cables para instalación en ducto Cables con protección anti-roedores, para instalación directamente enterrada - Con armadura metálica Cables para instalación aérea autosoportado Cable para instalación aérea con portante metálico (Fig. 8 ) Cables Afumex para instalación en planta interna Cables con protección anti-roedores dieléctrico Cables OPGW Cables aéreos anti-bala Cables ópticos dieléctricos Soporte central dieléctrico Estructura Loose Tube. Hasta 216 F.O. Gel antihumedad y absorbente de hidrógeno o cintas absorbentes Cubierta termoplástica Hilos de aramida. Cubierta termoplástica Afumex Instalación: en tubo,en bandeja, grapado a pared, adosado y autosoportado Cables con armadura metálica Soporte central Metalico/Dielectrico (1) Loose fibres (2). Hasta 216 F.O. Gel antihumedad y absorbente de hidrógeno Cintas de protección y sujeción núcleo optico (3) Cubierta termoplástica (4) Armadura de acero (5,6) Resistente a roedores Hilos de aramida (5). Anticazadores Cubierta termoplastica(6,7). Afumex versión Instalación: en tubo,en bandeja, grapado a pared y directamente enterrado 15

16 Colores de identificación En general, los conductores huecos o por grupos tienen una cubierta colorida. Si se cablean alrededor de un elemento central una o más capas de buffers, en cada una de estas capas se coloca una vaina de color rojo. Con este conductor rojo, el "conductor numerador", es posible identificar los restantes conductores de la respectiva capa. Mirando al extremo del cable (extremo "A") situado encima del carrete hacia la dirección del cable se cuentan los restantes conductores comenzando desde el de color rojo. El primer buffer con un color diferente se designa con el número 1 y así sucesivamente siendo el color de identificación de los buffers con fibras ópticas multimodos verde y el de las fibras ópticas monomodo amarillo. Colores normalizados para cables Siemens-Corning 16

17 Configuración de los conductores de fibras ópticas Las múltiples aplicaciones de los conductores de fibras ópticas en telecomunicaciones requieren las más variadas configuraciones de los cables. Se han establecido las correspondientes dimensiones y materiales para su diseño. Partiendo de las características constructivas de las fibras ópticas, en la etapa del diseño del alma del conductor, del revestimiento y, de ser necesario, de la armadura y la vaina protectora, se determinan las características de estos elementos para lograr que el cable de conductores de fibras ópticas tenga una elevada confiabilidad y larga vida útil. Se debe prestar especial atención a que los conductores de fibras ópticas de estos cables no sean dañados por la acción del medio ambiente, p. ej. las variaciones de temperaturas y los requerimientos mecánicos Alma del cable Para aumentar la estabilidad de los cables de fibras ópticas con conductores huecos o por grupos, se trenzan éstos en torno de un elemento central que actúa como núcleo del cable y que puede servir tanto de soporte (protección contra dobladuras) como para compensar el esfuerzo de tracción. Es principalmente dicho trenzado el que confiere a las fibras ópticas el espacio libre definido que tienen dentro de los conductores. En ese espacio libre, los requerimientos de tracción, compresión, aplastamiento y flexión que se producen dentro del marco especificado no influyen sobre las características de transmisión en conductores huecos, macizos, compactos o en bandas, se pueden incluir en el trenzado unos elementos ciegos, es decir conductores sin fibras ópticas o elementos formados completamente por polietileno, así como conductores de cobre como pares o cuadretes. Se denomina alma del cable al conjunto de los elementos de trenzado, de soporte y de tracción y, de existir, la envoltura que cubre a todos estos elementos. Trenzado En la técnica de los cables de fibras ópticas se utiliza principalmente el trenzado por capas. En éste, los elementos trenzados se encuentran dispuestos en una o más capas concéntricas en torno de un elemento central. Si se trata de elementos aislados como, p. ej. conductores de fibras ópticas, conductores por grupos de fibras ópticas, conductores de cobre o elementos ciegos, se habla de un cable por grupos de fibras ópticas; si, en cambio el alma del cable está formado por grupos de elementos trenzados, se habla de un cable por conductores de fibras ópticas (los cables por grupo no contienen, necesariamente, conductores por grupos)- Para incrementar el número de los conductores de fibra óptica por cada cable se pueden juntar entre sí mediante trenzado por capas los distintos elementos del cable ranurado dentro de un recubrimiento exterior común. En casos de cables con un alto número de fibras ópticas (> 100), en lo concerniente a la técnica de bandas, la ventaja de esta construcción consiste, por una parte, en la alta densidad de alojamiento y por otra, en la técnica de conexión más simple debido al alojamiento ordenado de las fibras ópticas. Otro caso especial de los cables de conductores de fibras ópticas lo constituye el cable de tubo central, el cual no posee elementos trenzados en torno de un elemento central; en cambio, se trenzan los propios conductores de fibras ópticas dentro de un grupo mayor. Este maxigrupo forma el elemento central del cable. Una construcción de este tipo se caracteriza por lo simple y compacto de su configuración. Se utiliza p. ej. en cables de tierra aéreos. Existen dos formas de cableado: el trenzado de paso constante y el trenzado S-Z 17

18 En el trenzado de paso constante, los elementos se trenzan en una dirección y con ángulo constante respecto al eje longitudinal del cable. En el trenzado S-Z se cambia la dirección de trenzado de una determinada cantidad de vueltas. Así, los elementos que se trenzan a lo largo del eje del cable describen primero la forma de S y, tras el cambio, la de Z. En los lugares donde se producen los cambios estos elementos se encuentran paralelos al eje del cable. A causa de la rigidez de los elementos trenzados es necesario, para sostenerlos en su lugar, practicar, en el caso del trenzado S-Z, una hilada en espiral como sostén en torno de esos elementos. En el caso del trenzado de paso constante los elementos describen una trayectoria helicoidal comparable con una escalera de caracol cuya altura de paso tras una vuelta completa de 360 C se denomina paso S del trenzado. El ángulo entre los elementos trenzados y la sección transversal del cable se designa como ángulo de trenzado α. La distancia entre el eje del cable y el centro de un elemento trenzado se denomina radio del trenzado R. De esta manera se obtiene para la longitud L de un elemento trenzado y para el ángulo de trenzado α: Cables interiores-exteriores En caso de aplicaciones dentro y fuera de edificios, en su curso longitudinal, los cables interiores-exteriores son completamente resistentes al agua. Estos tipos de cables, al pasar del exterior al edificio no precisan empalmes adicionales o fijaciones de cables, pudiendo conducirlos sin interrupción del interior de algún 18

19 edificio hasta el primer punto de empalme en la zona exterior. Se los puede emplear también como cable de múltiples fibras en la zona ascendente dentro del edificio, particularmente en zonas con espacio reducido o pozos. La cantidad de fibras ópticas en el cable interior-exterior puede llegar a 288 o más: Cable interior-exterior de 264 fibras ópticas Estos deben cumplir las normas de incendios especiales en los diversos países donde son usados. Con el fin de disminuir el riesgo de incendio se emplean materiales resistentes al fuego para el recubrimiento y la banda. Las fibras ópticas junto con la masa de relleno son colocadas en los conductores por grupos normales (p. ej. por cada grupo 12 fibras). Los conductores por grupos son trenzados sobre un elemento central dieléctrico y envueltos por una cinta hinchable para realizar la impermeabilidad longitudinal del agua. En los vacíos del alma de cable se agregan hilos hinchables adicionales. Una aplicación importante de los cables interiores-exteriores consiste en el enlace directo proveniente del exterior con un armario distribuidor en el sótano de un edificio. En virtud de ello, un empalme de transición entre la instalación exterior del cable y el armario distribuidor en el edificio no es necesario. Cables aéreos La demanda internacional por cables aéreos de fibras ópticas está creciendo. Esto es válido tanto para aplicaciones en instalaciones de conductores aéreos de alta tensión como para las redes de las compañías ferrocarriles. Dado el hecho que la transmisión óptica de señales es insensible con respecto a interferencias eléctricas y magnéticas, los cables aéreos de fibras ópticas representan un medio de transmisión ideal en las telecomunicaciones y para la transmisión de señales de control y de medida. Siempre que el peso del cable lo permita y no exista necesidad alguna para instalar el cable en tierra, se tiende a fijar los más diversos tipos de cables en postes o bien postes de línea de alta tensión. Esto implica ciertos riesgos. Por ejemplo, se debe tener en cuenta elegir la resistencia a la tracción de modo que pueda soportar en estado pendiente tanto su propio peso como las cargas adicionales, producidas por el viento e hielo. Con la aplicación de medidas constructivas se debe contrarrestar correspondientemente a daños físicos que se podrían producir a raíz de árboles derrumbados. En casi todos los países están funcionando líneas aéreas con cables de muy alta tensión así como vías de ferrocarriles con los cables correspondientes. Esta infraestructura existente ofrece la posibilidad de substituir, por ejemplo, un cable enterrado por un cable de guarda con fibras ópticas integradas (optical ground wire, OPGW) o instalar adicionalmente un cable aéreo autosoportable totalmente dieléctrico (all dielectric self supporting cable, ADSS) en un tramo de transmisión de alta tensión 19

20 Cables de guarda (OPGW) Las compañías de suministro de energía están empleando los cables de guarda autosoportables con conductores de fibras ópticas integradas desde hace tiempo, reemplazando los cables enterrados convencionales. Con el fin de mantener igual la carga en los postes, el cable enterrado convencional en comparación con el cable de guarda no debe diferir mucho ni en peso ni en diámetro. Existen dos construcciones fundamentales de cables de guarda: los conductores de fibra óptica o bien se encuentran en un conductor en maxigrupos central de metal o plástico o bien se encuentran en un conductor por grupos trenzado metálico. En el caso del conductor en maxigrupos son posibles construcciones de armaduras de dos capas, así como de una capa. En las configuraciones trenzadas uno o varios hilos de armadura de la capa central es (son) reemplazado(s) por un conductor en maxigrupos. El alma de un cable de armadura de dos capas suele componerse de un conductor por grupos plástico o metálico (acero de alta potencia). La capa de la armadura central, normalmente, se compone de hilos de acero galvanizados o de aluminio (AW- Alumowed, Stalum). En la mayoría de los casos, la capa de armadura exterior está producida por hilos Aldrey (AY). Aldrey es una aleación térmica altamente conductible de aluminio, magnesio y de silicona y posee una resistencia a tracción dos veces mayor que aluminio puro. Dependiendo de la cantidad de las fibras ópticas, el diámetro exterior de los conductores por grupos de plástico oscila en el rango de 3,5 mm a 8 mm, mientras que el diámetro de los conductores por grupos metálicos puede ascender a 6 mm. La filosofía fundamental en cuanto a la construcción de las fibras ópticas es su protección de toda clase de sobrecargas. Por lo tanto, la superficie transversal de los hilos, su calidad y la relación de las superficies transversales de los dos tipos de hilos son seleccionados en vista a la resistencia de tracción y a la característica de conductibilidad de la corriente. Las fibras ópticas están posicionadas de forma de hélice en el conductor por grupos, de manera que éstas no están expuestas a ningún tipo de sobrecargas por viento y hielo. Por regla general, la longitud excesiva es de 0,5% (cap ). Para contrarrestar las condiciones térmicas que se producen bajo un corto circuito, los componentes constructivos del cable deben estar posicionados muy estrechos uno al otro. Por este motivo, la capa exterior de armadura debe componerse principalmente de hilos de Aldrey, los cuales poseen una muy alta conductibilidad térmica. En virtud de ello, es posible mantener la temperatura de la capa de armadura interior tan baja que no se produzcan daños algunos en el conductor (material del conductor, masa de relleno, espesamiento de polietileno). La corriente nominal específica a corto plazo (duración 1 s) es fijada por el incremento de la temperatura máxima admisible (140 C) de la capa de armadura exterior. Llegando a este límite superior de temperatura, el aluminio y el Aldrey pierden su resistencia a la tracción. Por ejemplo, al producirse una corriente por corto circuito de 11,4 ka, el aumento de temperatura de un cable con hilos Aldrey de 112 mm 2 y de hilos revestidos de aluminio de 32 mm 2 es de 123 C durante un segundo en la capa exterior de armadura Aldrey y solamente 73 C en el caso del conductor por grupos de plástico. Aunque en el caso de que se produzca una sobrecarga eléctrica con un valor doblemente especificado, esto no causaría problemas en las características ópticas de transmisión. En estudios a largo plazo se examinó la influencia que tienen vibraciones originadas por viento combinadas con una atmósfera sal/niebla en las características de los cables. Al cabo de un tiempo de ensayo de aprox. 3 meses no se pudo comprobar ninguna rotura y tampoco variaciones en la atenuación. En los conductores de acero tampoco sé pudieron observar fenómenos de corrosión; en cambio, en la superficie de los conductores, se manifestaron pequeñas marcas de fricción. Las características mecánicas de los conductores por grupos de plástico no fueron influenciadas por este ensayo. 20

21 Cable de figura 8 y cable multiuso Además de los cables aéreos para aplicaciones en instalaciones de líneas aéreas de alta tensión indicados anteriormente, también están a disposición cables aéreos para aplicaciones generales. La figura anterior representa la imagen de la sección transversal de un denominado cable de figura 8, que se compone de dos partes: en la mitad superior se halla el cable de tracción (messenger wire), fabricado por hilos de aramida o cable de acero. La parte inferior contiene el alma de cable, el cual o consiste en un conductor en maxigrupos central o en una configuración trenzada. Estas dos mitades son encajadas en un recubrimiento de PE. Esta clase de construcción se aplica principalmente en casos de vanos cortos de aprox. 50 m. Medición de potencia óptica Los niveles de potencia en comunicaciones ópticas son demasiado amplios para ser expresados en una escala lineal El amplio rango de valores de potencia hace al decibel una unidad conveniente para expresar niveles de potencia asociados a un sistema óptico. La ganancia de un amplificador o la atenuación de una fibra se expresa en decibeles. El decibel no da una magnitud de potencia, es una relación de potencia de salida a potencia de entrada. Pérdida o ganancia = 10 log 10 (P salida / P entrada ) El decible miliwatt (dbm) es el nivel de potencia relacionado a 1 mw. Los rangos dinámicos de potencia del transmisor y del receptor son medidos en dbm. Una señal de 1 mw tiene un nivel de 0 dbm. Las señales más débiles que 1 mw tienen valores negativos, mientras que las señales de más de 1 mw tienen valores positivos expresados en dbm. dbm = 10 log 10 (Potencia [mw] / 1 mw) 21

22 Tipos de Fibras Fibra Multimodo con núcleo de 50-Micrones (ITU-T G.651) La ITU-T G.651 es una fibra con diámetro del núcleo de 50 µm, y 125 µm de diámetro del recubrimiento (cladding), con un índice refractivo gradual. La atenuación típica es de 0.8 db/km a 1310 nm. La principal aplicación de este tipo de fibras es para sistemas de transmisión ópticos de corto alcance. Esta fibra está optimizada para trabajar en la banda de 1300 nm. También puede operar en la banda de 850 nm. Nondispersion-Shifted Fiber (ITU-T G.652) La fibra ITU-T G.652 es también conocida como standard SMF y es la más desplegada. Esta fibra tiene una estructura con un índice tipo escalón y está optimizada para trabajar en la banda de 1310 nm, tiene dispersión igual a cero en esa banda y puede operar también en la banda de 1550 nm, pero no está diseñada para operar en esa región, pero no en forma óptima. La dispersión cromática típica a 1550 nm es de 17 ps/nm-km. Se debe emplear compensación de dispersion para aplicaciones de altas velocidades. La atenuación para las fibras G.652 es de 0,2 db/km a 1550 nm, y el parámetro PMD es menor que 0,1 ps/km. Un ejemplo de este tipo de fibras es Corning SMF- 28. Low Water Peak Nondispersion-Shifted Fiber (ITU-T G.652.C) Las fibras SM que responden a la norma ITU-T G.652 no están optimizadas para aplicaciones WDM debido a la alta atenuación alrededor de la región del pico de agua. Las fibras que cumplen la norma ITU-T G.652C están preparadas para redes con transmisión en un amplio margen de longitudes de onda, desde 1285 a 1625 nm. Aunque las fibras según G.652.C ofrecen excelentes características para redes de acceso y metropolitanas no amplificadas, no cumplen con el requerimiento de transmitir en la banda de 1550 nm, y el parámetro PMD es menor que 0,1 ps/km. Una fibra que cumple con esta norma es Corning SMF-28e. Dispersion-Shifter Fiber (ITU-T G.653) Las fibras SMF convencionales tiene dispersión de longitud de onda cero cerca de la ventana de 1310nm, pero tienen altos valores de dispersión entre 1500 y 1600 nm (banda de la tercera ventana). La tendencia a desplazar las longitudes de onda de 1310 a 1550 nm inició el desarrollo de una fibra llamada dispersion-shifted-fiber (DSF). DSF tiene valores de dispersión igual a cero en el rango de 1550 nm, donde la atenuación es mínima. DSF está optimizada para trabajar entre 1500 a 1600 nm. Con la introducción de sistemas WDM, sin embargo, los canales ubicados cerca de 1550 nm en DSF son seriamente afectados por ruido inducido como el resultado de efectos no lineales causados por FWM. Esto inició el desarrollo de NZDSF. En la figura que sigue a continuación ilustra la pendiente de dispersión de DSF con respecto a SMF y NZDF. Actualmente ya no se emplea G.653, y ha sido reemplazada por G.655. Fiber Dispersion Slopes 22

23 1550-nm Loss-Minimized Fiber (ITU-T G.654) Las fibras ITU-T G.654 están optimizadas para operar en la región de 1500 a 1600 nm. Estas fibras tienen bajas pérdidas en la banda de 1550 nm. Las bajas pérdidas son obtenidas usando un núcleo de silicio puro. ITU-T G.654 puede manejar altos niveles de potencia y tienen un área de núcleo más grande. Estas fibras tienen alta dispersión cromática a 1550 nm. Las fibras ITU-T G.654 han sido diseñadas para aplicaciones de muy largo alcance en aplicaciones submarinas. Nonzero Dispersion Shifted Fiber (ITU-T G.655) El uso de fibras nonzero dispersion-shifted fiber (NZDSF) puede mitigar las características de alinealidad. NZDSF supera esos efectos moviendo la longitud de onda de dispersión cero fuera de la ventana de operación de 1550 nm, lo que minimiza los efectos no lineales, tales como FWM, SPM y XPM, los que se presentan en sistemas DWDM (Dense Wavelenght Division Muliplexing), sin la necesidad de costosas compensaciones de dispersión. Hay dos familias llamadas non zero dispersion (NZD+ y NZD-), en las cuales el valor de dispersión cero cae antes y después de la longitud de onda de 1550 nm, respectivamente. La dispersión cromática típica para las fibras G.655 es 0,2 db/km a 1550 nm, y el parámetro PMD es menor a 0,1 ps/km. La fibra Corning LEAF es un ejemplo de una fibra G.655 mejorada, con un 32% adicional de área efectiva. En la figura anterior puede verse la pendiente de dispersión de NZDSF con respecto a SMF y DSF. Atenuación Varios factores pueden causar la atenuación, pero por lo general se denominan cono intrínseca o extrínseca. La atenuación intrínseca es causada por sustancias presentes en la fibra, mientras que la extrínseca es causada por factores externos tales como la curvatura de la fibra. El coeficiente de atenuación está expresado en db/km, y representa las pérdidas en en decibeles por Kilómetro de fibra. Atenuación Intrínseca Es causada por la presencia de impurezas en el vidrio ingresadas en el proceso de fabricación. Una vez concluído el proceso de fabricación no hay forma de eliminar dichas impurezas. Cuando una señal de luz choca con dichas impurezas en la fibra ocurre una de estas dos cosas: es dispersada o es absorbida. Las pérdidas intrínsecas se pueden clasificar según dos componentes: Absorción del material Dispersión Rayleigh Absorción del material Ocurre debido a las impurezas y la imperfección de la fibra. La impureza más común es la molécula oxidrilo (OH-), que permanece como un residuo a pesar de las rigurosas técnicas de fabricación. En la figura mostrada a continuación se puede observar la variación de la atenuación en función de la longitud de onda (λ). Las tres ventanas principales de operación son las bandas de 850 nm, 1310 nm y 1550 nm. Estas tres regiones corresponden a regiones de longitudes de onda en las cuales la atenuación es baja y coinciden con la capacidad de los transmisores ópticos para generar luz de un modo eficiente y de los receptores para producir la detección. Los símbolos OH- indican que a 950 nm, 1380 nm y 2730 nm de longitud de onda la presencia de radicales oxidrilo en el material constitutivo del cable provoca un incremento de la atenuación. Estos radicales son el resultado de la presencia residuos de agua que ingresan al material del cable de fibra óptica a través de una reacción química en el proceso de fabricación o como humedad en el medio ambiente. 23

24 La variación de la atenuación con la longitud de onda debido al pico de agua (water peak) para fibra óptica estándar monomodo (SM) ocurre en torno a los 1380 nm. Existen fibras denominadas zero-water-peak fiber (ZWPF) que solucionan el pico de agua a los 1380 nm. Como ejemplos de este tipo de fibras son las SMF-28e de Corning y la AllWave de Furukawa. La absorción produce una atenuación del 3 al 5% de la atenuación de la fibra. Este fenómeno hace que la señal luminosa sea absorbida por las impurezas naturales en el vidrio y convertidas en energía de vibración o alguna otra forma de energía como calor. El proceso de absorción puede ser limitado controlando la cantidad de impurezas durante el proceso de fabricación de la fibra. Debido a que la mayoría de las fibras son sumamente puras, la fibra no eleva su temperatura debido a la absorción. Dispersión Rayleigh Mientras la luz se desplaza por la fibra, interactúa con las moléculas de silicio en el núcleo. La dispersión Rayleigh es el resultado de esas colisiones elásticas entre la onda de luz y las moléculas de silicio en la fibra. Este efecto causa alrededor del 96% de la atenuación en la fibra óptica. Si la luz dispersada mantiene un ángulo que le permite continuar su viaje a través de la fibra no se producirá atenuación, pero si la luz es dispersada en un ángulo tal que no pueda seguir trasladarse a través de la fibra, la luz será desviada afuera del núcleo y se producirá atenuación. Dependiendo del ángulo de incidencia una parte de la luz se propagará hacia adelante y otra parte se desviará fuera de la trayectoria de propagación y saldrá afuera del núcleo de la fibra. Parte de la luz dispersada es reflejada hacia atrás hacia la fuente luminosa. Esta es una propiedad que es usada en equipos de reflectometría en el dominio del tiempo (OTDR: Optical Time Domain Refelctometer) para efectuar mediciones de fibras. El mismo principio se aplica para analizar pérdidas asociadas a otras causas, como por ejemplo empalmes por fusión. 24

25 Las longitudes de onda bajas son dispersadas más que las altas. Cualquier longitud de onda debajo de 800 nm no es utilizable para comunicaciones ópticas debido a que la atenuación por dispersión Rayleigh es alta. Además, la propagación por encima de 1700 nm no es posible debido a las altas pérdidas producidas por absorción infra roja. Pérdidas Ópticas: Atenuación Extrínseca Puede producirse por dos mecanismos externos: macro o microcurvaturas. Ambas causan una reducción de la potencia óptica. Si la fibra óptica se curva, se deformará la zona de la fibra en la zona que estará doblada. Es esfuerzo de curvatura afecta al índice de refracción de la fibra y al ángulo crítico del rayo de luz en esa área específica, por lo que la luz que está viajando por el núcleo puede ser reflejada hacia afuera y producir pérdidas. Una macrocurvatura es un doblez visible, y este tipo de pérdida es reversible después que la curvatura es corregida. Para prevenir macrocurvaturas todas las fibras ópticas tienen una especificación de radio de curvatura mínimo que no debería ser excedida. Este es una restricción sobre qué radio de giro una fibra puede admitir antes de tener problemas en performance óptica o confiabilidad mecánica. La segunda causa de atenuación extrínseca es una microcurvatura, que la provocan las imperfecciones en la geometría cilíndrica del núcleo producidas durante el proceso de fabricación. Las micorcurvaturas podrían estar relacionadas con la temperatura, esfuerzos de tracción u fuerza de aplastamiento. Como la macrocurvatura, la microcurvatura causa una reducción de la potencia óptica en el vidrio. La microcurvatura es muy localizada, y puede ser difícil de localizar, porque no es claramente visible en una inspección. Con fibras desnudas el efecto de microcurvaturas puede ser reversible. 25

26 Pérdidas en la interconexión: 26

27 Geometría de una fibra óptica Terminación de la superficie frontal del conector Pulido plano (PC) 27

28 Pulido Angular (APC: Angled Physical Contact) Efecto en el frente: 28

29 Dispersión Cromática Es la diseminación de un pulso de luz mientras viaja por la red. La luz tiene una naturaleza dual y puede ser considerada tanto como una onda electromagnética como una partícula cuántica. Durante la propagación de la luz, todos sus componentes espectrales se propagan al mismo tiempo. Estos componentes espectrales viajan a diferentes velocidades de grupo, que llevan a un modo de dispersión denominada velocidad de dispersión de grupo (GVD: Group Velocity Dispersion). La dispersión resultante de GVD es denominada dispersión cromática, debido a su dependencia de la longitud de onda. El efecto de la dispersión cromática es el ensanchamiento del pulso. Cuanto mayores sean las longitudes de onda (λ) tanto más se incrementa la penetración desde el núcleo hacia el recubrimiento del modo fundamental de propagación. Por esto una parte de la onda luminosa se propaga por el recubrimiento que tiene un índice de refracción menor, lo que significa que se propaga a mayor velocidad por ese medio, resultando mayor la velocidad total. Como los pulsos se extienden o ensanchan, tienden a superponerse y no son distinguibles por el receptor como ceros o unos. A altas velocidades de transmisión los pulsos son lanzados cerca uno del otro, y si tienden a superponerse demasiado pueden dar lugar a errores y pérdida de información. La dispersión cromática ocurre como el resultado del rango de longitudes de onda presentes en la fuente de luz. La luz generada por lasers y LEDs contienen un rango de longitudes de onda, cada uno de los cuales viaja a velocidades ligeramente diferentes. A la distancia, la variación de la velocidad de propagación hace que el pulso de luz se extienda en el tiempo. Esto es de suma importancia en aplicaciones monomodo (SM). La dispersión modal es significativa en aplicaciones con fibras multimodo (MM), en las cuales hay varios modos de luz viajando a través de la fibra y llegan al receptor a tiempos diferentes, causando el efecto de ensanchamiento. La dispersión cromática es común a todas las velocidades de transmisión, y puede ser compensada o mitigada mediante el uso de fibras tipo dispersión shifted fiber (DSF), que son fibras dopadas con impurezas que tienen características de dispersión negativas. La dispersión cromática es medida en ps/nm-km. En forma típica se reserva un margen de potencia de 1 db en el cálculo de potencias en el enlace óptico para cubrir el efecto de dispersión cromática. 29

30 La dispersión obliga a reducir la velocidad de transmisión Modos de polarización La onda electromagnética y la luminosa son ondas transversales en un medio sin pérdidas e infinitamente extendido. Sus campos eléctricos y magnéticos oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación. Si el campo eléctrico o el campo magnético oscilan en un plano, el extremo del vector de intensidad de campo eléctrico o magnético describe una línea recta. Una onda de este tipo se dice que está polarizada linealmente. Si el extremo del vector describe una circunferencia o, en general una elipse, se hable de luz con polarización circular o elíptica. En la figura anterior se ilustran las diferentes clases de polarización para una onda luminosa que se propaga a lo largo del eje z. Dispersión de modos polarizados - Polarization Mode Dispersion (PMD) Es causada por distorsiones asimétricas de la fibra respecto a un cilindro perfecto. La fibra no es una guía de ondas perfectamente cilíndrica, pero puede ser considerada como un cilindro imperfecto con dimensiones físicas que no son completamente constantes. 30