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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: Desventajas

Muy fina. Muy cara

Muy rápida Muy débil

Excepcional para comunicaciones a larga distancia.

Tipos de fibra óptica

• 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

descritos

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

65 MHz 100 m

67 MHz 500

(Ethernet) 2 km (Multi.)

100 km (Mono.) Inmunidad

Electromagnética Limitada Media Media Alta

Seguridad Baja Baja Media Alta

Coste Bajo Medio Medio Alto

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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

40-80 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.

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n2 < n1

θ1: ángulo de incidencia

θ2: 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).

n = c

vp

c = 300.000 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”

“ng” > “nm” (1,4466 frente a 1,4616-1300)

Características de la fibra óptica

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 nn > nr

– Diámetro del revestimiento o cubierta (cladding): Capa central concéntrica con el

núcleo.

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– 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: nc 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: nc se mantiene constante, presenta una sección recta � n es

máximo en toda la sección del núcleo. (SM/MM)

nr 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 θNA

– 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

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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 0.5-0.7 dB/km

Monomodo SM 0.3-0.4 dB/km 0.2-0.3 dB/km

Se calcula con el cociente de las potencias recibidas y enviadas en una distancia

determinada:

A = 10 lg Pr

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.

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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

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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. 1310 nm es la λ con

cero de Dispersión cromática (en FO de tipo SM)

FIBRA ÓPTICA

VENTAJAS DESVENTAJAS

El silicio es uno de los materiales más abundantes de la tierra

Tecnología compleja: fabricación, instalación, medidas

Baja atenuación-larga distancia Coste de los equipos terminales

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

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.

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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 micro-

roturas

La FO rompe por tracción a aproximadamente a 65 N = 6.5 Kg

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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.

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– 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.

Monomodo

10/125 Multimodo

50/125 Multimodo

62,5/125

Diámetro del núcleo

9,2 ± 0,4 50 ± 0,3 62,5 ± 0,3

Diámetro del revestimiento

125 +/-1 125 +/-2 125 +/-2

Diámetro del recubrimiento

245 ± 10 245 ± 10 245 ± 10

Error concentricidad núcleo-revest.

1 um 1,5 um 1,5 um

Error circularidad núcleo

<= 6% <= 6% <= 6%

Error circularidad revestimiento

<= 2% <= 2% <= 2%

Atenuación (dB/Km)

1310 nm <= 0,40 1550 nm <= 0,30

850 nm <= 3 1310 nm <= 1

850 nm <= 3,2 1310 nm <= 1

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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

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� 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

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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)

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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