FIBRAS OPTICAS INTRODUCCIÓN Los sistemas clásicos de comunicación utilizan señales eléctricas soportadas por cable coaxial, radio, etc., según el tipo de aplicación. Estos sistemas presentan algunos inconvenientes que hacen necesario buscar otras vías para la transmisión de información. Un sistema alternativo puede ser el uso de señales luminosas. Ya desde la antigüedad se han utilizado las señales luminosas a través de la atmósfera como un sistema de comunicación, ya sea en forma de señales de humo, o bien el reflejo del sol en una superficie pulida. La transmisión directa de información a través de la atmósfera viene limitada por las condiciones atmosféricas que determinan la transparencia del medio y, por tanto, la atenuación. De todas formas, la atenuación a través de la atmósfera es elevada. Por ello es preferible evitar estas restricciones obligando a la luz a propagarse por el interior de un canal limitado perfectamente, de forma que sus características de propagación sean conocidas y estables. Esto conlleva a la evolución hacia los sistemas de comunicación por fibra óptica. Aunque ya se había considerado a finales del siglo XIX la posibilidad de utilizar una guía para la señal luminosa (con dispositivos muy primarios y guías con un nivel de atenuación muy alto), no fue hasta la década de 1960 cuando realmente se inició el desarrollo de los sistemas de comunicación por fibra óptica. Hacia el año 1966 se observó que la elevada atenuación de las guías utilizadas hasta aquel momento se debía, principalmente, a la existencia de impurezas y que, Por tanto, una mejora de los procesos de fabricación, evitando estas impurezas, disminuiría considerablemente la atenuación. El año 1970 constituye una fecha fundamental, dado que Corning Glass Works (fabricante de fibras ópticas de U.S.A.) obtiene una fibra con una atenuación inferior a los 20 db/km. A partir de este año se ha ido reduciendo la atenuación progresivamente. Los sistemas de fibra óptica, también, se prestan en otros aspectos distintos a las comunicaciones, por ejemplo en aplicaciones de captación (biología, óptica, química, control de procesos, vibración, temperatura, humedad, etc.), utilizándose como un sensor o con sensores. Ventajas. Los sistemas de comunicación por fibra óptica utilizan la energía luminosa como vehículo. Presentan un conjunto importante de ventajas sobre otros soportes utilizados en la transmisión de señales analógicas y digitales. Entre ellas destacan: - Gran ancho de banda, lo que permite la transmisión de un gran volumen de información. Prácticamente el ancho de banda y la capacidad de transmisión están sólo limitados por la tecnología de fabricación de emisores y receptores. U7-T1 - Introducción - 1
- Atenuación baja. Permite realizar enlaces de mayor longitud sin necesidad de repetidores. La atenuación depende del tipo de fibra óptica y de la longitud de onda (λ) utilizada. - Inmunidad a interferencias electromagnéticas. La fibra óptica es absolutamente inmune a las radiointerferencias e impulsos electromagnéticos. Dada su naturaleza no conductora, presentando un menor índice de errores en la transmisión de señales digitales. Esto es de gran importancia en aplicaciones de control industrial donde se genera gran cantidad de ruido. - Seguridad y aislamiento eléctrico. En determinadas aplicaciones para ambientes peligrosos (ambientes explosivos o inflamables) o en electromedicina, las fibras ópticas son imprescindibles debido ala imposibilidad de producir descargas eléctricas o chispas. - Menor peso y volumen. Comparando las fibras ópticas y los cables coaxiales necesarios para obtener las mismas prestaciones, las primeras ocupan un volumen muy inferior y tienen menor peso, siendo adecuadas para aplicaciones aerospaciales. - Seguridad frente a posibles intervenciones de la línea. Aunque no es imposible interceptar una fibra óptica, esto es más difícil que en otros soportes y normalmente se puede detectar la intervención. Inconvenientes La fibra óptica también presenta algunos inconvenientes que no hay que olvidar. Por ejemplo: - No hay una estandarización de los productos, lo que plantea problemas de compatibilidad. - Las técnicas de empalme son complejas, y necesitan de equipos costosos y personal cualificado. - Baja robustez mecánica, por ello la fibra óptica puede ser dañada fácilmente. Al igual que el cable de cobre, la fibra óptica puede ser deteriorada por excavaciones, corrimiento de tierras, vandalismo y accidentes. Conviene destacar que las fibras pueden envejecer prematuramente por humedad, migración axial, fatiga mecánica y en algunos casos por roedores. Estructura de un sistema de comunicaciones con fibra óptica. Antes de examinar lo que es propiamente una fibra óptica, definiremos, sin entrar en detalle, la estructura de un sistema de comunicaciones ópticas. U7-T1 - Introducción - 2
Figura 1.- Sistema de comunicaciones Como en todo sistema de comunicaciones, distinguimos un transmisor. Un canal y un receptor. El transmisor estará formado por el bloque que transforma la señal a transmitir en la señal que atacará al transductor electro-óptico (diodo LED, láser, etc.) que transformará una señal eléctrica en señal óptica. La fibra óptica constituirá el canal. El receptor hará el proceso inverso al transmisor. Conversión de la señal óptica en la señal eléctrica inicial y posterior tratamiento de esta señal. Este esquema también sirve para representar los "repetidores". La necesidad de una linealidad entre la señal óptica de entrada y la señal óptica. Para la transmisión de señales analógicas constituye una restricción muy importante que motiva la predisposición de los sistemas ópticos a la transmisión digital. ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO A continuación se muestra el espectro electromagnético: Figura 2.- Espectro electromagnético. U7-T1 - Introducción - 3
La mayoría de mecanismos ópticos están más relacionados con la longitud de onda que con la frecuencia, Así es mucho más conveniente, y práctico utilizar la longitud de onda cuando se trabaja con luz a altas frecuencias, en elementos como antenas, líneas de transmisión y cavidades resonantes tienen sus dimensiones físicas relacionadas directamente con la λ, siendo más pronunciada esta relación en el caso de las ondas luminosas. La figura siguiente muestra el espectro electromagnético dividido en regiones dadas en términos de λ y frecuencia. Figura 3.- Espectro electromagnético. Dentro de este espectro. Las bandas de frecuencia donde las ondas tienen características comunes son referidas en términos genéricos como audioespectro, Radioespectro, etc. También se utiliza un término similar, el "espectro óptico" o "banda óptica" mostrado en la figura siguiente, el cual también identifica al espectro visible. U7-T1 - Introducción - 4
Figura 4.- Espectro visible. Hay que tener en cuenta que no todas las radiaciones utilizadas en los sistemas de transmisión de ondas luminosas se encuentran en el rango visible, solo es visible una parte muy pequeña del espectro electromagnético. Los colores individuales son determinados por la frecuencia de la onda luminosa. Las radiaciones infrarrojas y ultravioletas frecuentemente se refieren como luz, aunque se encuentran fuera del rango de detección del ojo humano. Los dispositivos empleados en aplicaciones optoelectrónicas funcionan en la banda óptica del espectro electromagnético. La banda del espectro óptico se divide en: - Ultravioleta, con longitudes de onda entre 0.6 y 380 nm (nanómetros). - Espectro Visible. Es banda estrecha del espectro electromagnético formada por las longitudes de onda a las que es sensible el ojo humano. Corresponde al margen de longitudes de onda entre 350 y 750 nm. - Infrarrojo con longitudes de onda entre 750 nm y 1600 nm. Atenuación en función de la λ. Los sistemas de comunicación óptica utilizan la parte de la banda infrarroja más cercana al espectro visible. La selección de la longitud de onda se realiza teniendo en cuenta la disponibilidad de dispositivos adecuados (emisores, receptores,..) y fibras ópticas con bajas pérdidas. La atenuación sufrida por una señal luminosa (en función de la longitud de onda) en el interior de una fibra óptica corresponde ala de la figura siguiente. U7-T1 - Introducción - 5
Figura 5.- Diagrama de atenuación. Ventanas Actualmente se trabaja en las tres bandas de frecuencia marcadas en la figura anterior, y que se conocen con el nombre de ventanas: - 1 a ventana: 850 nm - 2 a ventana: 1300 nm - 3 a ventana: 1550 nm La primera ventana corresponde a la primera generación, esta fue a 850 nm. Posteriormente se utilizó una segunda ventana, a 1300 nm, donde se obtenían atenuaciones más bajas (pero con otra tecnología y más cara). Después se evoluciona hacia la tercera ventana, 1550 nm, con atenuaciones más bajas y anchos de banda mayores. Podemos comprobar que estas longitudes de onda no corresponden al espectro visible. En algunas aplicaciones sencillas de control industrial se utilizan señales dentro del espectro visible, ya que si bien las fibras presentan mayor atenuación, el hecho de poder detectar posibles fallos por inspección visual es muy útil para usuarios carentes de instrumentación. U7-T1 - Introducción - 6