En el siguiente cuadro se presenta una comparativa de los distintos tipos de cables. Par Trenzado Blindado. Par Trenzado No blindado

Transcripción

1 Fibra óptica Es un medio capaz de conducir transmisiones de luz modulada. No es susceptible de interferencias EMI ni RFI ya que a diferencia del resto de cables no usa pulsos eléctricos, sino de luz. El cable consta de dos fibras paralelas separadas, recubiertas de material protector. Básicamente el núcleo de la fibra está recubierto de un material con un índice de refracción muy bajo. Así la luz queda atrapada en el núcleo y la fibra actúa como un tubo. Ventajas: Muy fina. Muy rápida Desventajas Muy cara Muy débil Excepcional para comunicaciones a larga distancia. Tipos de fibra óptica descritos Monomodo o axial: En esta fibra la luz viaja por el eje del cable. Este modo es mucho más rápido, ya que el núcleo no permite la dispersión del haz. Al mismo tiempo es muy adecuada para enlaces de larga distancia. Multimodo: Las ondas de luz entran en la fibra con distintos ángulos y viajan rebotando entre las paredes del núcleo. Su precio es más barato pero las distancias en las que se puede utilizar son más reducidas. En el siguiente cuadro se presenta una comparativa de los distintos tipos de cables Par Trenzado No blindado Par Trenzado Blindado Coaxial Fibra Óptica Ancho de banda Medio Medio Alto Muy Alto Hasta 1 Mhz Si Si Si Si Hasta 10 Mhz Si Si Si Si Hasta 20 Mhz Si Si Si Si Hasta 100 Mhz Si (*) Si Si Si 27 Canales video No No Si Si Canal Full Duplex Si Si Si Si Distancias medias 100 m 100 m km (Multi.) 65 MHz 67 MHz (Ethernet) 100 km (Mono.) Inmunidad Electromagnética Limitada Media Media Alta Seguridad Baja Baja Media Alta Coste Bajo Medio Medio Alto 50

2 Frecuencias y Longitudes de Onda Las diferencias entre los LED y el LASER están en su longitud de onda: LED Diodo láser 850 nm 1300nm 1300 nm 1550 nm Así como en su ancho espectral: LED Diodo láser nm 1-2 nm Índice de Refracción REFRACCIÓN: Cambio de velocidad, dirección y sentido que sufre una onda de luz al incidir sobre otro medio. La propagación de la onda prosigue por el segundo medio (Rayo transmitido en la imagen). REFLEXIÓN: Cambio de dirección y sentido que sufre una onda de luz al incidir sobre otro medio con n menor. La propagación de la onda prosigue por el medio inicial. 51

3 n 2 < n 1 θ 1 : ángulo de incidencia θ 2 : ángulo de refracción El ángulo crítico θc es el que marca el límite de la refracción. Si sobrepasamos dicho ángulo, solamente habrá reflexión: θc = 1 sen (n2/n1) El índice de refracción teórico de un medio nm es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en el medio (vp). c n = vp c = Km/seg Vidrio de la fibra óptica comercial: n=1,44 El valor de n depende de la Longitud de Onda (λ) en el medio. Existen variaciones en la velocidad de propagación de la onda de luz a través de un mismo medio de propagación. Si la velocidad de propagación Vp no es constante, por problemas en la fibra, las ondas de luz emplean distintos tiempos en recorrer la misma distancia física. El tiempo que emplea el pulso lumínico en propagarse depende de un nuevo factor que es el Índice de refracción de grupo ng Características de la fibra óptica ng > nm (1,4466 frente a 1, ) Parámetros geométricos: La trayectoria descrita por la onda de luz en su propagación depende de la distribución de los índices de refracción a lo largo de las secciones del núcleo y revestimiento (Perfil de f.o.) Diámetro del núcleo (core): zona interior de la f.o., donde se produce la propagación de la onda de luz. Existe propagación porque n n > n r Diámetro del revestimiento o cubierta (cladding): Capa central concéntrica con el núcleo. 52

4 Diámetro del recubrimiento primario (coating o jacket): Capa exterior de la fibra óptica, concéntrica con las dos anteriores. Perfil de índice de refracción es la distribución del índice de refracción a lo largo de un diámetro de una fibra óptica. Perfil gradual: n c no se mantiene constante presentando una sección de forma acampanada n es máximo en el centro del núcleo y decrece a medida que nos aproximamos al revestimiento. (MM) Perfil escalonado: n c se mantiene constante, presenta una sección recta n es máximo en toda la sección del núcleo. (SM/MM) n r siempre se mantiene constante Parámetros estructurales Apertura numérica (NA): nos determina el ángulo máximo de luz incidente. Sólo la luz incidente bajo la NA se propaga por la fibra. Depende de los índices de refracción n1 y n2. Los valores típicos de NA son: 0.27 en multimodo (MM) y 0.11 en monomodo (SM). El valor de la Apertura numérica es: sen θ NA Tipo de fibra: Dependiendo el modo de circulación de la luz a través de la fibra, tendremos diferentes tipos de fibra: Multimodo de salto de índice Ancho de banda: 100MHz x Km Poco utilizadas Multimodo: índice gradual Perfil de índice parabólico: se reduce la dispersión. Ancho de banda 1000MHz x Km 62,5/125μm mayor atenuación que 50/125 μm Atenuación menor a 1300nm que a 850nm λ utilizadas: 850 y 1300nm Mayor ancho de banda a 1300nm 53

5 Monomodo: salto de índice El diámetro del núcleo solo permite el modo fundamental: No hay dispersión modal Ancho de banda 100GHz x Km Longitud de onda de corte: 1255nm Atenuación menor a 1550nm que a 1310nm λ utilizadas: 1310 y 1550nm Parámetros fundamentales de transmisión Coeficiente de atenuación: es la disminución o pérdida de potencia de luz inyectada en la fibra con la distancia. Tipo FO 850 nm 1310 nm 1550 nm MM salto índice 5-12 db/km MM índice gradual 3-5 db/km db/km Monomodo SM db/km db/km Se calcula con el cociente de las potencias recibidas y enviadas en una distancia determinada: Pr A = 10 lg Pe Se expresa en db (decibelios) para ajustar los resultados a valores fácilmente legibles. Factores que intervienen en la atenuación: Dispersión Rayleigh o Scattering Absorción de la luz Dióxido de Silicio (UV, IR) Iones oxhidrilo (OH) (950nm, 1230nm y 1450nm) Curvaturas: Radio de curvatura mínimo: máxima curvatura que puede soportar una fibra óptica, sin variar alguna de sus características de transmisión. De todas las ventanas de transmisión la de 1550 nm, es la ventana de transmisión de atenuación mínima. 54

6 Gráfica de atenuación espectral: Dispersión total / ancho de banda Ancho de Banda de f.o.: Frecuencia a la que la potencia óptica decae 3dB con respecto a la potencia a frecuencia cero. Dispersión: es el ensanchamiento del pulso de luz a lo largo de la fibra Dispersión modal. Sólo en multimodo (MM) Se produce porque la velocidad del haz de luz cuando se propaga por el núcleo de la f.o. no se mantiene constante. Dependencia de la dispersión modal con la anchura espectral del haz de luz inyectado. (Menor anchura espectral Mayor Ancho de Banda) Limitación ancho de banda FO Multimodo Dispersión modal. En FO MM, el resto de tipos de dispersión es despreciable Fibra multimodo de índice gradual: Menor Velocidad de propagación de los modos de orden inferior que los de orden superior. Modos de orden inferior: parte central del núcleo, mayor índice de refracción Fibra multimodo de salto de índice: Adelanto de los modos de orden inferior con respecto a los de orden superior. Los modos de orden inferior recorren menor camino y la Velocidad de propagación se mantiene constante ya que el índice de refracción es constante. Dispersión en el material: Variación del índice de refracción puntual del núcleo de fibra óptica. La Velocidad de propagación no se mantiene constante Dispersión en la Guiaonda: se produce por la falta de uniformidad en los fenómenos de reflexión del haz lumínico que se propaga en el núcleo de la 55

7 fibra. Es una dispersión característica de las fibras de salto de índice ya que la propagación se produce por reflexiones sucesivas. Polarización (PMD) en X e Y la luz viaja a diferentes velocidades, afecta sobre todo en monomodo (SM) La suma de los tipos de dispersión en el material y en la Guiaonda es lo que se llama Dispersión cromática o intramodal. Depende de λ nm es la λ con cero de Dispersión cromática (en FO de tipo SM) VENTAJAS El silicio es uno de los materiales más abundantes de la tierra Baja atenuación-larga distancia Ancho de banda muy elevado (GHz) Tamaño reducido Bajo peso Seguridad de la información Aislamiento eléctrico Rentabilidad No hay riesgo de chispas/explosión Inmunidad electromagnética DWDM FIBRA ÓPTICA DESVENTAJAS Tecnología compleja: fabricación, instalación, medidas Coste de los equipos terminales DWDM es un método de multiplexación muy similar a la multiplexación por división de frecuencia que se utiliza en medios de transmisión electromagnéticos. Varias señales portadoras (ópticas) se transmiten por una única fibra óptica utilizando distintas longitudes de onda de un haz láser cada una de ellas. Cada portadora óptica forma un canal óptico que podrá ser tratado independientemente del resto de canales que comparten el medio (fibra óptica) y contener diferente tipo de tráfico. De esta manera se puede multiplicar el ancho de banda efectivo de la fibra óptica, así como facilitar comunicaciones bidireccionales. Se trata de una técnica de transmisión muy atractiva para las operadoras de telecomunicaciones ya que les permite aumentar su capacidad sin tender más cables ni abrir zanjas. 56

8 Tipos de Fibras. Comparativa FIBRAS ÓPTICAS CONVENCIONALES SMF (G.652B) DSF (G.653) FIBRAS ÓPTICAS ESPECIALES Low Water Peak SMF (G.652D): PureBand NZ-DSF for CWDM & DWDM (G.655A): PureMetro Advanced NZ-DSF for DWDM (G.655B): PureGuide Ultimate Lowest Attenuation (G.654): Z Fiber Submarine Cables : PureCouple Dispersion Compensation Fiber : PureShaper Erbium doped fiber FIBRAS ÓPTICAS MULTIMODO GIGABIT ETHERNET Manejo de la FO. Tensiones mecánicas Toda la FO viene probada del fabricante mediante el PROOF TEST 100 Kpsi >1% elongación Esto equivale en FO de 125 µm a 8.5 N = 850 g. Garantiza la inexistencia de microroturas La FO rompe por tracción a aproximadamente a 65 N = 6.5 Kg 57

9 Cables de FIBRA OPTICA (FO) El material utilizado para la fabricación de las fibras ópticas es el dióxido de silicio, SiO2 (cuarzo o arena de sílice) El dióxido de silicio debe ser muy puro para garantizar su alta transparencia óptica Durante el proceso de fabricación se incorporan los aditivos de dopado necesarios para modificar los índices de refracción del núcleo y del revestimiento. El dopado del revestimiento se realiza con Boro y Flúor que reducen el índice de refracción. El dopado del núcleo se realiza con Germanio y Fósforo para aumentar el índice de refracción. El proceso de fabricación es como sigue: Realización de la preforma, que es el cilindro macizo de dióxido de silicio dopado que sirve como materia prima para la elaboración de la fibra óptica Sintetización del núcleo de la fibra óptica. Colapso del núcleo de la fibra óptica Extrusión o estirado de la fibra óptica Los métodos de fabricación más usuales de fabricación de fibra óptica son: MCVD: Modified Chemical Vapor Deposition Desarrollado inicialmente por Corning Glass y utilizada por Lucent y Alcatel. Se instala un tubo de cuarzo en un torno Se calienta el tubo entre 1400 y 1600 ºC. Se gira y se desplaza longitudinalmente el tubo de cuarzo. Se introducen dopantes que se depositan en el interior del tubo, formando sucesivas capas concéntricas. El tubo de cuarzo con el dióxido de silicio en su interior, convenientemente dopado, se convierte en un cilindro macizo que constituye la preforma, esta operación se realiza con un quemador entre 1700 y 1800ºC. El tamaño de la preforma es de 1m x 1cm de diámetro. VAD: Vapor Axial Deposition Desarrollado inicialmente por NTT con tecnología japonesa: Sumitomo, Fujikura. La técnica es la misma que en el MCVD, la diferencia radica en que en este método se deposita tanto el núcleo como su revestimiento. Se necesita un cilindro auxiliar sobre el que la preforma porosa va creciendo axialmente. Se tienen que controlar la deposición del silicio de Germanio para crear el núcleo y el revestimiento. Este proceso presenta las ventajas frente al MCVD de que permite obtener preformas con mayor diámetro y mayor longitud a la par que precisa un menor aporte energético. 58

10 OVD: Outside Vapor Deposition Desarrollada inicialmente por Corning Glass y utilizada por Corning, Siecor, Optical Fibres. Se parte de una varilla de substrato de cerámica y se depositan cientos de capas con dopantes que luego formarán el núcleo y el revestimiento. Se realiza un secado de la preforma porosa con cloro gaseoso. Se realiza el colapso de forma análoga al método VAD. Si se optimiza el proceso de secado, es posible fabricar fibras con bajas atenuaciones. Este método permite una alta calidad obteniéndose unos perfiles más homogéneos. PCVD: Plasma Chemical Vapor Deposition El proceso es muy similar al MCVD, pero en el tubo para la preforma se coloca una bola de plasma que va moviéndose a gran velocidad. La ventaja sobre el MCVD consiste en obtener fibras con un perfil más gradual para el índice de refracción, mientras que en el MCVD sigue habiendo ciertos escalones. Por lo demás, todo lo dicho para MCVD en cuanto a fabricación se aplica a PCVD. Diámetro del núcleo Diámetro del revestimiento Diámetro del recubrimiento Error concentricidad núcleo-revest. Error circularidad núcleo Error circularidad revestimiento Atenuación (db/km) Monomodo 10/125 Multimodo 50/125 Multimodo 62,5/125 9,2 ± 0,4 50 ± 0,3 62,5 ± 0, / / / ± ± ± 10 1 um 1,5 um 1,5 um <= 6% <= 6% <= 6% <= 2% <= 2% <= 2% 1310 nm <= 0, nm <= 0, nm <= nm <= nm <= 3, nm <= 1 59

11 Protecciones Los cables de fibra óptica tienen que salvaguardar las características mecánicas y ópticas inherentes a las fibras utilizadas. Protección mecánica: Resistencia mecánica durante la instalación y tendido del cable Resistencia a la fatiga estática ó envejecimiento Fuerzas mecánicas Tracciones Estiramientos Compresiones Aplastamientos Curvaturas Los elementos estructurales que conforman un cable de fibra óptica son: Fibras ópticas Protección primaria Colores de la protección primaria de la F.O.: Fibra nº 1 Verde Fibra nº 7 Marrón Fibra nº 2 Rojo Fibra nº 8 Naranja Fibra nº 3 Azul Fibra nº 9 Blanco Fibra nº 4 Amarillo Fibra nº 10 Negro Fibra nº 5 Gri Fibra nº 11 Rosa Fibra nº 6 Violeta Fibra nº 12 Turquesa Protecciones secundarias Protección ajustada: Consiste en aplicar una cubierta inicial de material plástico (Poliamida, PVC) directamente sobre el recubrimiento primario de la fibra óptica que recibe el nombre de protección secundaria 60

12 Protección holgada: Se crea una estructura holgada (tubo PBT) en el interior de la cual se alojan las fibras ópticas. Cada protección holgada aloja en su interior una o varias fibras ópticas que se guían describiendo una trayectoria helicoidal (exceso de fibra 0,05 % - 0,15 %). Se produce un incremento longitudinal de los tubos respecto del cable entre 1% y 4% en función del diámetro de la estructura holgada debido a su disposición en SZ. La movilidad axial de la fibra dentro de la protección absorbe, sin que se produzca esfuerzo alguno en la fibra óptica elongaciones y contracciones de hasta el 0,5% de la longitud total del cable. Presenta un comportamiento idóneo ante las vibraciones y absorbe las contracciones y dilataciones debidas a los cambios de temperatura Sustancias anti-agua: Se utilizan para garantizar la estanqueidad longitudinal del cable óptico, previniendo de la condensación de la humedad y la penetración de la humedad en su interior. Es una sustancia hidrófuga basada en aceite de parafina, que a temperaturas de entre 30ºC y 70ºC mantiene constante su grado de viscosidad, por lo que no se congela. Se limpia con disolventes específicos y no ataca a la fibra óptica, ni altera sus propiedades. Se utiliza un gel para el relleno de los tubos holgados y se puede usar otro para los huecos entre los tubos dentro del núcleo del cable bajo la primera cubierta. Cubiertas de protección: Son necesarias para proteger a las fibras ópticas de todos los esfuerzos mecánicos, cambios térmicos del exterior así como de los ataques químicos. Tipos de cubiertas: Cubierta de polietileno (P), de color negro, muy resistente a la radiación UV. PVC (V), protección contra agresiones químicas, problema de emisión de halógenos Plásticos fluorados, aguanta temperaturas superiores a los 100ºC, algo viscoso Cubiertas libres de halógenos (LSZH,TI) se construyen con vinilacetato de etileno Poliuretano (PU), que da gran flexibilidad al cable Elemento central 61

13 Las cubiertas tienen una serie de características: Baja emisión de humos (LS) Retardo de la llama (FR) No inflamables Auto extinguibles Emisión cero de halógenos (LSZH) Totalmente dieléctrico Antirroedores Resistente a ultravioletas Antihumedad Alta flexibilidad Estanco Elemento Central: Es la parte central del cable de fibra óptica sobre la que se cohesionan los diversos elementos estructurales. Los tubos holgados y varillas pasivas de relleno y cordones antihumedad están dispuestos en capas trenzadas en SZ sobre el elemento central. El elemento central tiene que tener un bajo coeficiente de dilatación lineal ya que es el elemento encargado de dar rigidez y soportar los esfuerzos de tracción y contracción del conjunto. Generalmente está compuesto por Fibra de vidrio (FV) 83 % y resina epoxy. Elementos de tracción: Soportan las cargas debidas a los esfuerzos mecánicos del cable. Son las cubiertas o armaduras adicionales que se utilizan para la protección del núcleo óptico. Son fibras de aramida (kevlar ) y cintas de acero. Para la protección contra roedores tenemos una envoltura longitudinal de cinta de acero copolímero corrugado, espesor 0,155 mm, además de Fibra de vidrio Tipos de Cables Cables de interior Monofibras, bifibras, multifibras Protección ajustada: permiten la conectorización directa (KV,KT) Protección holgada: se llevan hasta un armario donde se empalman con monofibras o bifibras para conectorizarlos (TKT, KT) Cubiertas PVC ignífugo y Termoplástico ignífugo, retardante de llama y de baja emisión de humos no tóxicos ni corrosivos (LSZH) 62

14 Cables de exterior: Cables para tendidos subterráneos (PKP), interior de conductos, galerías de servicio o enterrados, dieléctricos o con armadura metálica. Cables auto-portantes (ADSS), tendidos aéreos en postes o torres de tendido eléctrico Cables compuestos Tierra-Ópticos(OPGW) se utilizan en líneas aéreas de alta tensión y realizan las funciones de comunicaciones ópticas y cable de tierra o cable de fase Cables submarinos, sobre o enterrados en el lecho marino, soportan grandes presiones Estándar en España: Colores tubos holgados: Protección holgada nº 1 Blanco Protección holgada nº 2 Rojo Protección holgada nº 3 Azul Protección holgada nº 4 Verde Si tienen más de 4 protecciones holgadas, se repiten los colores y se diferencian mediante números: Estándar en España: Cubiertas: PKP Polietileno-Aramida-Polietileno PKCP Polietileno-Aramida-Cintas Antibalísticas - Polietileno PESP Polietileno-Estanca Acero-Polietileno PKESP Polietileno-Aramida-Estanca Acero-Polietileno PUKPU Poliuretano-Aramida-Poliuretano Otras nomenclaturas de las Cubiertas: PKP Polietileno - Kevlar - Polietileno PKCP Polietileno - Kevlar - Cintas Antibalísticas - Polietileno PESP Polietileno - Acero - Polietileno PKESP Polietileno - Kevlar - Acero Polietileno PFVP Polietileno Fibra Vidrio - Polietileno TKT Termoplástico ignífugo - Kevlar - Termoplástico ignífugo 63