fibras opticas - Instituto Tecnólogico de La Laguna

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.
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-
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.
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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.
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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.
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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.
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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:
- 1a ventana: 850 nm
- 2a ventana: 1300 nm
- 3a 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.
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