Capítulo 5 Fibras y cables comerciales 5.1 Fibras En este capítulo intentaremos hacer un sumario de los tipos de fibras comerciales con los que nos podemos encontrar. Las características de cada fibra dependerán tanto de la disposición de los índices de refracción asícomo de los materiales, el proceso de fabricación y las técnicas finales de preparación. Los valores que se presentan son margenes de trabajo en lugar de la descripción para fibras particulares, por ello algunos de los datos que aparecen parecen bastante pobres respecto a los teóricos calculados en capítulos anteriores, de todas formas hay que hacer notar que hay fibras comerciales que se acercan a los valores teóricos aunque claro está hay que pagar por ellas, como siempre todo dependerá de la aplicación en la que vayan a participar los componentesutilizados. En este sumario se apreciará la gran variedad de fibras disponibles, en particular para las basadas en vidrios silicatados en las longitudes de onda de 0.8m a 0.9m, 1.3m y 1.5m. Aunque también podremos encontrar variedades más exóticas como fibras que mantienen la polarización, fibras de dispersión modificada. También hay fibras para transmisión a longitudes de onda entre 2 y 5m como las descritas en el apartado anterior. 5.1.1 Fibras multimodo de índice abrupto Estas podemos encontrarlas tanto de silice dopado como de otros vidrios, pero todas tienen grandes aperturas numéricas para permitir el fácil acoplamiento de luz desde led s. Las características funcionales de este tipo de fibras pueden ser muy amplias, los valores con los que podemos encontrarnos normalmente son: Diámetro del núcleo: 50 a 400m Diámetro de la envoltura:125 a 500m Diámetro de la camisa protectora:250 a 1000m Apertura numérica: 0.16 a 0.5 ( 9 a 30 0 ) 52
5.1. FIBRAS 53 Atenuación: Entre 2.6 y 50dB/Km a una longitud de onda de 0.87m. La atenuación está limitada por absorción o dispersión y las diferencias son tan enormes por que se refieren a fibras totalmente de silice (núcleo y envoltura) o fibras multicomponentes (núcleo de silice y envoltura de otros materiales). Para una longitud de onda de 1.3m la atenuación puede bajar a 0.4dB/Km. Ancho de banda: Entre 6 y 50 MHzKm Aplicaciones: Son adecuadas para distancias cortas de ancho debanda limitado y, por supuesto, aplicaciones de bajo costo. 5.1.2 Fibras multimodo de índice gradual Diámetro del núcleo: 30 a 100m Diámetro de la envoltura:100 a 150m Apertura numérica: 0.2 a 0.3 ( 11 a 17 0 ) Atenuación: Entre 2 y 10dB/Km a una longitud de onda de 0.85m limitado por dispersión espacial. Las perdidas medias para señales en 1.3m y 1.55m son de 0.4 y 0.25 db/km. Ancho de banda: Entre 300MHzKm y 3GHzKm. Aplicaciones: Son adecuadas para distancias medias de ancho de banda entre medio y alto para aplicaciones con emisores coherentes e incoherentes. 5.1.3 Fibras monomodo Diámetro del núcleo: 5 a 10m Diámetro de la envoltura: Típicamente 125m Apertura numérica: 0.08 a 0.15 ( 5 a 9 0 ) Atenuación: Entre 2 y 5dB/Km a una longitud de onda de 0.85m limitado por dispersión espacial. Las perdidas medias para señales en 1.3m y 1.55m son de 0.35 y 0.21 db/km. Ancho de banda: Mayor de 500MHzKm para 0.85m y mayor de 10GHzKm para 1.3$m. Aplicaciones: Son adecuadas para distancias largas de ancho debanda alto para aplicaciones con emisores coherentes monomodo.
5.1. FIBRAS 54 5.1.4 Fibras con envoltura de plástico En este apartado vamos a dar datos para las fibras con envoltura plástica para perfiles en el núcleo tanto abruptos como graduales, este tipo de fibras son más baratas que las que están libres de plástico aunque tienen peores características excepto cuando se refieren a condiciones especiales de uso como que son menos afectadas por la radiación. fibras abruptas Diámetro del núcleo: 100 a 500m Diámetro de la envoltura: 300 a 800m Diámetro de la camisa protectora: 500 a 1000m Apertura numérica: 0.2 a 0.5 ( 11 a 30 0 ) fibras graduales Diámetro del núcleo: 50 a 100m Diámetro de la envoltura: 125 a 150m Apertura numérica: 0.2 a 0.3 ( 11 a 17 o ) Atenuación: Entre 5 y 50dB/Km para las de índice abrupto y entre 4 y 15dB/Km para las de índice gradual. Ancho de banda: Entre 4 y 40MHzKm para las de índice abrupto y entre 50 y 200MHzKm para las de índice gradual. Aplicaciones: Son adecuadas para distancias cortas de ancho de banda bajo 5.1.5 Fibras totalmente plásticas Diámetro del núcleo: 200 a 600m Diámetro de la envoltura: 450 a 1000m Apertura numérica: 0.5 a 0.6 ( 30 a 37 o ) Atenuación: Entre 50 y 1000dB/Km a una longitud de onda de 0.65m Ancho de banda: No se suele especificar ya que las distancias usuales son de decenas de metros. Aplicaciones: Sólo pueden usarse en enlaces muy cortos y de muy bajo coste. Para este tipo de enlaces el acoplo entre fibras y las terminaciones son relativamente simples
5.2. CABLES DE FIBRA ÓPTICA 55 5.2 Cables de fibra óptica Ya se ha comentado que, para que la fibra óptica sea una alternativa a las líneas eléctricas, es necesario que puedan ser instaladas sin problemas en cualquier tipo de localización en la que normalmente se pueda colocar un cable de cobre. Asípues cuando se instale un enlace óptico serán de primordial importancia las propiedades mecánicas del cable, a este respecto cabe señalar que la fibra óptica de silice desnuda es muy ligera de peso y tiene una sección minúscula (como ya hemos visto en el capítulo anterior), es necesario, pues, cubrir la fibra óptica con algo para mejorar su resistencia a las tensiones y a las influencias externas. La protección de la fibra óptica se consigue mediante el recubrimiento con una serie de capas que se suelen denominar como coating y cabling, el coating es la primera capa, la que en el capítulo anterior se denomino como camisa protectora mientras quecabling es algo más complejo ya que no es simplemente una cobertura sino que puede acompañarse de cables paralelos de acero que den resistencia a la torsión. Las funciones del cable óptico pueden agruparse en cuatro áreas, estas son: 1. Protección de la fibra. La principal función del cable óptico es proteger a la fibra contra el dañado y la rotura tanto durante la instalación como durante la vida de la fibra. 2. Estabilidad de la características de transmisión. El cable debe tener unas características estables, aunque como contrapartida tenemos que los incrementos en atenuación de la señal debido al proceso de cabling son normales y son algo que debe tenderse a eliminar durante el proceso de diseño. 3. Resistencia de la fibra. Para dotar a los cables de fibra de propiedades mecánicas que los hagan aptos para su instalación, esto incluye mejorar la resistencia a la tensión, torsión, compresión, doblado y vibraciones. Para lograrlo el cable debe disponer de un componente que de rigidez y una gruesa capa externa protectora. 4. Identificación y conexionado de las fibras en el cable. Tipicamente un cable lleva más de una fibra. Estas tienen que estar identificadas para su conexión y además debe ser posible conectar las fibras en grupos en lugar de individualmente. 5.2.1 Resistencia de la fibra Las fibras utilizadas para telecomunicación (transmisión de grandes volumenes de datos a distancia) son casi exclusivamente a base de silice o vidrios compuestos. Ambos tipos de material son tremendamente elástico shasta llegado el punto de ruptura. Ahora bien en el caso en que se desarrolle una fisura tanto en el proceso de fabricación como en el manejo, la resistencia del material baja drásticamente aumentando la probabilidad de que la fibra se fracture. Hay toda una teoría (en la que no vamos a entrar) dedicada al estudio de las fracturas que nos indica que la probabilidad de aparición de fisuras en la superficie de la fibra, cuando ésta queda expuesta al medio ambiente, es elevada. La superficie de la fibra debe protegerse de la abrasión para asegurar su resistencia. Típicamente una camisa protectora plástica recubre a la fibra, esta se genera tras el proceso de fabricación de la fibra para que el contacto con el ambiente se minimice y asegurar una pequeña protección contra tensiones mecánicas. Otro de los agentes dañinos que atacan la fibra es el agua, si la fibra entra en contacto con el agua se favorece la oxidación y la corrosión, lo que degenera en fisuras. Las fibras suelen llevar también una capa protectora que actue como aislante contra el agua.
5.2. CABLES DE FIBRA ÓPTICA 56 5.2.2 Estabilidad de las caracterísiticas de transmisión Los cables de fibra óptica deben diseñarse, como comentamos previamente, para que las características de transmisión se mantengan tanto durante el proceso decabling como durante el tendido del cable. La idea es evitar que se produzcan incrementos en la atenuación de la fibra tras su fabricación. Hay varios problemas que pueden aparecer durante los procesos mencionados, uno de ellos es las curvaturas a nivel microscópico que pueden aparecer cuando se está recubriendo la fibra para generar un cable, este fenomeno que conocemos como microcurvatura (microbending) es debido a las fuerzas que se ejercen sobre la fibra cuando se la recubre y pueden causar atenuaciones acentuadas. Otro problema son las curvaturas a nivel ya macroscópico que ocurren durante la instalación cuando se dobla el cable con un radio de curvatura pequeño. En este caso sólo se producen pérdidas significativas cuando el radio de curvatura está por debajo de un radio crítico (dependiente del tipo de fibra y de la longitud de onda de trabajo). Por último tenemos pérdidas ya no debidas a la fabricación o colocación sino a situaciones ambientales, estas son la absorción de hidrógeno por la fibra o la exposición a radiación ionizante. 5.2.3 Diseño de cables El diseño de cables de fibra óptica debe tener en cuenta lo comentado anteriormente. En particular debe evitarse que la tensión sobre la fibra supere el 0.2% y que este protegida contra el agua y la absorción de hidrógeno y que sea lo suficientemente rígido para que no se fuerze la fibra con radios de curvatura demasiado pequeños. Protección primaria de la fibra Como ya se ha indicado a la fibra tras su fabricación se le da un primer recubrimiento plástico para evitar fisuras por contacto con el ambiente. Sobre esta primera capa de protección se coloca una nueva camisa para proteger contra influencias externas tanto mecánicas como ambientales, esta segunda capa debe proteger contra las microcurvaturas y puede ser de tres tipos: Una camisa rígida que suele consistir en un plástico duro que está en contacto con la primera camisa protectora, suele tener entre 0.25 y 1mm de diámetro. Añade rigidez a la estructura para evitar curvaturas aunque es un proceso que puede generar microcurvaturas en el interior de la camisa exterior. Una alternativa es una camisa rígida pero cuyo diámetro interno sea mayor que es diámetro externo de la fibra, de forma que ésta está suelta en el interior de la camisa. Este tipo de protección evita las curvaturas excesivas pero no las genera internamente. Una última posibilidad es una conjunción entre las dos. Inicialmente se coloca una camisa externa de forma que la fibra quede suelta. La camisa externa será menos rígida pero a cambio se rellenará posteriormente con un material blando que ofrecerá sujeccióna la fibra. Componentes estructurales y de rigidez Una vez la fibra ya lleva la protección primaria y para formar el cable se suelen colocar uno o varios componentes que hagan la labor de núcleo duro alrededor del cual las fibras protegidas puedan situarse. Estos componente suelen ser cables de acero, de Kevlar MR (en lugar de cables pueden ser mallas) o de fibra de vidrio. Deben cumplir las siguiente características: tener un gran modulo de Young (elongación/tensión), aguantar fácilmente tracciones grandes, ser flexibles y de bajo peso por unidad de longitud.
5.2. CABLES DE FIBRA ÓPTICA 57 Recubrimientos externos y barreras hidrófobas Finalmente el cable se acaba cubriendo de una gruesa capa de plástico para reducir la abrasión y para proteger contra agresiones mecánicas externas como el aplastamiento. Esta cubierta de plástico puede variar en complejidad desde una simple capa hasta multicapas. De todas formas esta protección no suele proteger adecuadamente a la fibra contra el agua y se suele añadir una capa adicional como barrera hidrofoba. Puede ser una capa o un relleno interno con compuestos resistentes a la humedad como pasta de silicona o compuestos basados en petróleo. Estas capas son fácilmente eliminables y además protegen de corrosión a los cables metálicos que pueda haber como componentes para añadir rigidez.