FIBRAS OPTICAS CAPACITACIÓN SUPERIOR EN TECNOLOGÍAS ÓPTICAS CONCEPTOS BASICOS Introducción Definición Las fibras ópticas son un medio de transmisión ( o guía de onda) dieléctrico que permite la transmisión de información modulada en pulsos de luz. Se encuentran constituidas por un núcleo cilíndrico de vidrio (dióxido de silicio); encargado de “portar” la luz, rodeado por un revestimiento; encargado de “mantener” la luz dentro del núcleo (mediante el principio de reflexión total interna) y un recubrimiento plástico que protege a la fibra óptica de la abrasión. Introducción. Tipos de fibra óptica Los tipos de fibras ópticas se distinguen entre sí según la cantidad de modos de propagación de luz qué éstos admiten. Modos de propagación En la terminología de fibras ópticas, la palabra “modo” referencia a las trayectorias que toma la luz al propagarse a través de una fibra óptica de un tipo determinado. Si solamente existe una trayectoria posible, se la denomina modo único o MONOMODO, cuando existen más de una trayectoria se la denomina modo múltiple o MULTIMODO. Introducción. Tipos de fibra óptica Las fibras ópticas se dividen en tres categorías principales: Multimodo índice escalonado • Diámetro de núcleo/revestimiento: 62,5/125µm. • Coef. pérdida intrínseca : orden de 3,5 a 5,0 dB/Km *(según longitud de onda) • Limitaciones en distancia: aprox. 2Km (10/100Mbps) Multimodo índice gradual • Diámetro de núcleo/revestimiento: 50/125µm. • Coef. pérdida intrínseca : orden de 2 a 4 dB/Km *(según longitud de onda) • Limitaciones en distancia: aprox. 1Km (1000Mbps) Monomodo índice escalonado • Diámetro de núcleo/revestimiento :9/125µm. • Coef. pérdida intrínseca : orden de 0,22 a 0,35 dB/Km (según longitud de onda) • Limitaciones en distancia: dependiente de rango dinámico disponible, dispersiones NO lineales, principalmente. Introducción. Principio de funcionamiento Propagación La energía electromagnética, como la luz, recorre aproximadamente 300000000 m/s en el espacio libre. A su vez, la velocidad de propagación es igual para todas frecuencias de luz en el mismo espacio. No obstante, la velocidad de propagación se reduce al atravesar materiales más densos que el vacío. Cuando la velocidad de la onda electromagnética se reduce, al pasar de uno a otro medio más denso, el haz de luz es refractado hacia la normal. Refracción La refracción es el fenómeno de cambio de ángulo debido a una cambio de velocidad que la luz experimenta al atravesar de un medio a otro de características ópticas distintas. En la figura se puede observar cómo se refracta un haz de luz al pasar de un medio de determinada densidad a uno menos denso. Rayo no refractado Medio menos denso Rayo refractado Medio más denso Introducción. Principio de funcionamiento Índice de refracción La cantidad de desviación o refracción que sucede en la interfaz de dos medios de distintas densidades puede ser predicha, ya que depende del índice de refracción de los materiales. Éste no es más que una relación entre la velocidad de propagación de un haz de luz en el vacío y la velocidad de propagación del haz en un determinado material. La relación matemática correspondiente es la siguiente: En donde c = velocidad de la luz en el espacio libre. v = velocidad de la luz en determinado material. Reflexión La reflexión es el cambio en la dirección de un haz de luz ocasionado en la interfaz entre dos materiales transparentes de distinto índice de refracción. Al presentarse este fenómeno la luz retorna al medio de dónde proviene, ya que las leyes de reflexión indican que la luz se propaga con el mismo ángulo que el de incidencia, al ser reflejada. Introducción. Principio de funcionamiento Ángulo crítico •A medida que se inclina el ángulo de incidencia, la luz refractada tiende formar un ángulo recto con la normal (*o paralelo al medio). •El ángulo crítico es aquel ángulo cuya refracción forma un ángulo recto respecto de la normal. •A partir del ángulo crítico de incidencia, la luz no se refracta, solamente se refleja, lo cual permite que se produzca el fenómeno de reflexión total interna. La luz se propagará “rebotando” en las fronteras entre el núcleo y el recubrimiento formado una guía de onda a partir del ángulo crítico. Introducción. Principio de funcionamiento Reflexión total interna Es el fenómeno que permite que la luz se refleje continuamente hasta llegar al otro extremo. Para ello se deben cumplir las condiciones: •El índice de refracción del núcleo debe mayor que el del recubrimiento. •El ángulo de incidencia de la luz debe ser mayor que el ángulo crítico COMPONENTES ÓPTICOS PASIVOS Componentes ópticos pasivos Componentes pasivos Son aquellos componentes ópticos que trabajan sin necesidad de energía eléctrica. Operan sobre la capa física de la red. Entre ellos se encuentran conectores, fibras ópticas, acopladores, atenuadores mecánicos, divisores ópticos, empalmes mecánicos y filtros Brag. Las redes PON (redes ópticas pasivas) se construyen a partir de la concatenación de dichos componentes. A continuación se describen con más detalle: Componentes ópticos pasivos - Cables Cables de fibras ópticas Patchcord/pigtail - Son cables conectorizados en ambos (patchcord) o en un extremo (pigtail) - Se utilizan para interconexión entre equipos y la red o para empalme. - Son de uso interiores únicamente. - Comúnmente empleados para conexiones cortas entre equipos y/o distribuidores de FO Cables de fibras ópticas - Se proveen en bobinados de 2 a 4Km, comúnmente. - No disponen de conectores (se instalan luego) - Existen diversas arquitecturas según el método de tendido, el entorno donde será instalado y cantidad de fibras. Cables para tendido subterráneo CABLES SUBTERRÁNEOS Como su nombre sugiere, son cables para tendido bajo tierra. Son de los más instalados, ya que el método de tendido subterráneo prevalece por sobre el método aéreo en la mayoría de las instalaciones de fibras ópticas de grandes distancias (100Km o más). Se especifican para tendidos en ducto o enterrado directo según sus características Los elementos que proveen la protección necesaria al cable son ductos de acero o aluminio corrugado y múltiples vainas comúnmente. La siguiente imagen ilustra la arquitectura básica de un cable ADSS: CABLES AUTOSOPORTADOS CABLE AUTOSOPORTADO FIGURA 8 Cuentan con mensajero incorporado de acero Cable para la instalación aérea en un solo paso. Ofrece buena resistencia a la fuerza de tracción y a la corrosión. CABLES AUTOSOPORTADOS ADSS CABLE ADSS (Auto soportado dieléctrico) Es un tipo de cable para tendido aéreo, utilizado en instalaciones con vanos (la distancia exacta entre los centros de los postes) entre 70 y 100m. Es la mejor alternativa para cables que comparten instalación con líneas de baja/media tensión, ya que no requieren de portante metálico. Los elementos que componen al cable son totalmente dieléctricos (no conductores). La siguiente imagen ilustra la arquitectura básica de un cable ADSS: Conectores de fibras ópticas Los conectores de fibras ópticas proveen un método de acople entre dos fibras. El acople no es fijo ya que, pueden ser desconectados y reconectados. Se encuentran en los puntos de la red donde se requiere de flexibilidad en términos de acceso a la red. Son aplicables en todo tipo de redes, en la entrada y salida de los puertos de transmisión y recepción. También se emplean para interconectar instrumentos de medición o vincular distribuidores de fibras ópticas. Férula Revestimiento Núcleo Cuerpo de conector Adaptador/Acoplador A continuación se listan los distintos tipo de conectores en existencia en la actualidad. Componentes ópticos pasivos - Conectores Conector SC - - Conector de inserción directa. Creado por NTT, es uno de los conectores más populares en las actualidad. Disponible en SM y MM, con pulido PC, UPC y APC Ferrule de Ø2.5mm Conector ST - Desarrollado por AT&T, es uno de los conectores más antiguos aún en uso. Conector de tipo bayoneta, requiere un giro del conector para su inserción. Disponible en SM y MM, con pulido PC, UPC y APC Ferrule de Ø2.5mm Conector FC - Conector con rosca, para evitar desconexiones accidentales. Usado ampliamente en instrumentos de medición. Disponible en SM y MM, con pulido PC, UPC y APC Ferrule de Ø2.5mm Componentes ópticos pasivos - Conectores Conector E2000 - Dispone de un obturador mecánico, para evitar exponer el ferrule. Ferrule de Ø1.25 y Ø2.5mm. Disponible en SM y MM, con pulido PC, UPC y APC Suele utilizarse en redes CATV, para disminuir las reflexiones por suciedad en conectores Conector LC - Desarrollado por Lucent, es un conector para acometidas en de gran densidad por su reducido tamaño. Ferrule de Ø1.25mm Disponible en SM y MM, con pulido PC, UPC y APC Usado ampliamente en SFPs dúplex. Conector MTP / MPO - Conector de inserción directa para cable cinta (ribbon). Contiene 12 FO en un único conector. Presenta más pérdida que los conectores individuales, por la alineación de múltiples FO. Suele emplearse en acometidas de gran densidad. Componentes ópticos pasivos - Adaptadores Adaptador SC - Estructura hembra-hembra. Disponible en SM y MM, para pulidos PC, UPC y APC. Puede ser simplex o dúplex (para pathcords dobles) Adaptador ST - Estructura hembra-hembra. Disponible en SM y MM, para pulidos PC, UPC y APC. Puede ser simplex (para pathcords individuales) Adaptador FC - Estructura hembra-hembra. Disponible en SM y MM, para pulidos PC, UPC y APC. Puede ser simplex (para pathcords individuales) Componentes ópticos pasivos - Adaptadores Adaptador E2000 - Estructura hembra-hembra. Disponible en SM y MM, para pulidos PC, UPC y APC. Puede ser simplex Adaptador LC - Estructura hembra-hembra. Disponible en SM y MM, para pulidos PC, UPC y APC. Puede ser simplex, dúplex y doble dúplex Adaptador MTP/MPO - Estructura hembra-hembra. Disponible en SM y MM. Componentes ópticos pasivos - Atenuadores Son dispositivos ópticos pasivos diseñados para reducir en nivel de potencia óptica de la señal que lo atraviesa. Disponibles en distintos valores de atenuación, en un rango de 1 a 30dB. El valor de atenuación es fijo. Disponen de un estructura hembramacho. Se fabrican para todo tipo de conectores Componentes ópticos pasivos - Divisores Divide la señal entrante en la N cantidad de salidas que disponga. Cuentan con pérdidas de inserción que varían según el la cantidad de divisiones. (Ej.: IL divisor 1:2 3.6dB, IL divisor 1:64 22dB) Componente ópticos totalmente pasivo Idealmente, se consideran 3dB de pérdida por cada división 1:2. Tipo PLC: disponen de la misma relación de división de potencia en sus salidas. Tipo FBT: Anterior a los PLC, pueden presentar más IL y permite salidas con relación de división diferente. (Ej.: un divisor 1:2 con una salida con el 90% de la potencia de la señal y otra salida con el 10% restante) ELEMENTOS DE DISTRIBUCIÓN DE FIBRA OPTICA EMPALMES DE FIBRAS ÓPTICAS Empalmes de fibras ópticas Empalmes de fibras ópticas Para utilizar un cable de fibras ópticas es necesario instalar una interfaz de conexión que permita acoplar la luz proveniente del emisor al núcleo de la fibra óptica. A su vez, en ciertos casos es necesario prolongar o derivar una fibra óptica, lo cual consiste en empalmar tal fibra óptica con otra hasta llegar a la distancia necesaria. Los empalmes son puntos críticos en la instalación de cables de fibras ópticas, ya que estos condicionarán directamente la continuidad del enlace y, en parte, su vida útil. Por ello, los empalmes deben asegurar cierto grado de calidad, el cual debe contemplar: Baja pérdida. Resistencia a la tensión mecánica. Empalmes de fibras ópticas Empalme mecánico Los dispositivos de empalme mecánico poseen diversos factores de forma y estructuras, se pueden emplear tanto en la instalación de conectores, empalmado de pigtails y empalmado de cables, en menor medida. El principio básico de este método es el de adherir las fibras ópticas mediante un gel epóxico corrector de índice. Para ello se deben preparar las fibras cortando sus extremos con cortadoras de fibras ópticas (Cleavers). Este método de empalme se encuentra orientado a instalaciones en provisorias y conectorizado rápido y presenta las siguientes formas: Conectorización (Conector mecánico) • Pérdida aprox.: 0,3 a 0,5dB (variable según ciclos térmicos). •Pérdida de retorno aprox.: 40dB. •Tiempo de armado : 3 a 8 min (según experiencia). •Reutilización : 3 a 5 veces •Vida útil: menor a 10 años. •Método de alineación: Mecánica Empalme mecánico • Pérdida aprox.: 0,1 a 0,5dB (variable según ciclos térmicos). •Pérdida de retorno aprox.: 35dB. •Tiempo de armado : 3 a 8 min (según experiencia). •Reutilización : no es reutilizable •Vida útil: menor a 20 años. •Método de alineación: Mecánica Empalmes de fibras ópticas Empalme por fusión En la forma más básica, es el proceso en el cual dos fibras ópticas son soldadas hasta formar una junta. Tal soldadura es lograda al calentar, mediante arcos voltaicos, los extremos de las fibras hasta alcanzar la temperatura a la cual tales extremos se aglutinan formando una unión geométricamente continua. Un filamento continuo de fibra óptica. Esta tarea se logra mediante el uso de fusionadoras de fibras ópticas. Conectorización (SOC o Pigtail) •Pérdida aprox.: 0,01 a 0,04dB (fija). •Pérdida de retorno aprox.: mayor a 60dB. •Tiempo de fusión : 15 a 40s (proceso automatizado). •Reutilización : depende de longitud de fibra. •Vida útil: sin limite técnico •Método de alineación: por núcleo, mediante sistema de procesamiento de imágenes. Empalme por fusión •Pérdida aprox.: 0,01 a 0,04dB (fija). •Pérdida de retorno aprox.: mayor a 60dB. •Tiempo de fusión : 15 a 40s (proceso automatizado). •Reutilización : depende de longitud de fibra. •Método de alineación: por núcleo, mediante sistema de procesamiento de imágenes. Conceptos básicos de diseño de sistemas ópticos Alcance Introducción Esta sección describe los criterios de diseño de sistemas de línea óptica mono y multicanal aptos para señales de comunicación SDH, PDH y OTN en entornos de conectividad: Interna (puestos de trabajo, servidores, oficinas, etc.) Interconexión (entre edificios, centros de cómputos, etc.) Gran recorrido (enlaces terrestres de larga distancia) Se pueden aplicar en entornos de red de acceso, también. Conceptos básicos de diseño Presupuesto de potencia Es la sumatoria de las contribuciones de atenuación de cada elemento del enlace. Son operaciones algebraicas simples. Se basa en condiciones de capa física principalmente Se asume el “peor escenario” (la máxima atenuación admisible por componente, peores atributos de cable, peor rendimiento). Garantiza que el rendimiento es superior al mínimo requerido . Presupuesto de potencia Presupuesto de potencia Formulación de atenuación: A = αfL+ αeE + αcC + αdivDiv + MA Donde: αf : Coeficiente de pérdida de fibra (~0,35dB/Km en 1310nm) L : Longitud de fibra óptica αe : Pérdida de inserción empalme (~0,1dB) E : Cantidad de empalmes αc : Pérdida de inserción conexión (~0,3dB) C : Cantidad de conexiones αdiv :Pérdida de inserción divisor (depende de cantidad de divisiones) Div :Cantidad de divisores MA :Margen auxiliar (3 a 5dB) Conocemos la atenuación máxima estimada de nuestro enlace mediante este cálculo. Resta conocer el margen de atenuación admisible del sistema, el cual debe ser mayor que la atenuación calculada del enlace. Presupuesto de potencia Margen de atenuación admisible Potencia de salida min. (0dBm) Potencia de entrada máx. (-7dBm) Potencia de entrada min. (-22dBm) Sensibilidad min. receptor (-24dBm) Margen de atenuación máximo (22dB) Potencia de salida máx. (+5dBm) Margen de atenuación mínimo (12dB) Presupuesto de potencia Penalidad de variación (2dB) Conceptos básicos de diseño Presupuesto de potencia Ejemplo de red PON (red óptica pasiva) Transmisor (Tx) C 1Km E 2Km 1xn 1Km C 1Km E C CANTIDAD C PARÁMETRO VALOR P. FO (dB/Km) 0,35 5 1,75 PI Empalmes (dB) 0,1 2 0,2 PI Conexiones (dB) 0,3 4 1,2 PI Divisor 1x8 (dB) 11 1 11 Margen auxiliar (dB) 3 - 3 P. TOTAL (dB) - - 17,15 Receptor (Rx) TOTAL (dB) Margen de At. Máx. = 22dB >17,15dB Componentes de un Enlace MEDICIONES BASICAS Mediciones en fibras ópticas En la actualidad existen todo tipo de instrumentos y métodos que permiten la medición de diversos parámetros de la capa física de las fibras ópticas, pero todos se basan en el monitoreo de alguno de los siguientes parámetros comunes: nivel de potencia, pérdida de inserción (IL), pérdida de retorno (ORL), nivel de retroesparcimiento y reflectancia. Nivel de potencia: • Se mide empleando medidores de potencia óptica. • La magnitud se cuantifica empleando la unidad decibel mili (dBm), principalmente. •Permite conocer la potencia óptica emitida y recibida, con el fin de conocer la pérdida que experimenta la luz en un tendido de FO determinado. Pérdida de inserción (IL): • Se cuantifica empleando un medidor de potencia óptica y una fuente laser de potencia de salida conocida. • La magnitud se cuantifica empleando la unidad decibel (dB). •Corresponde a la perdida óptica total experimenta la luz al propagarse a través de componente óptico. • Los medidores de potencia deben ser referenciados previo a efectuar la medición (debido al error que agregan componentes ópticos del propio instrumento) Mediciones en fibras ópticas Pérdida de retorno (ORL): • Se cuantifica empleando un medidor de potencia óptica, una fuente laser de potencia de salida conocida, un acoplador direccional y un patchcord de referencia o mediante mediciones con OTDR. • La magnitud se cuantifica empleando la unidad decibel (dB) • Es la relación entre la potencia de la luz incidente y la potencia de la luz reflejada. La luz reflejada se propaga hacia la fuente emisora y se compone de retroesparcimiento y reflexiones originadas en cambios de interfaz (conectores, empalmes mecánicos, cortes, etc.) • Contempla todos los componentes de la red, incluyendo la fibra óptica en sí. Reflectancia: •Se cuantifica empleando reflectómetros ópticos (OTDR) •Es la relación entre la potencia de la luz reflejada y la potencia incidente en un punto o componente específico en un enlace. •La magnitud se cuantifica empleando la unidad decibel (dB) y se expresa en valores negativos, por convención. GRACIAS! La fibra óptica une a los pueblos. Hablamos su idioma.
