Fundamentos de las Fibras Ópticas

1.- Fundamentos de las fibras ópticas

Las fibras ópticas basan su funcionamiento en las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz. Para ello se debe de tener en cuenta que cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de separación de dos medios transparentes distintos, parte de la luz resulta reflejada permaneciendo en el primer medio y parte de la luz resulta refractada, penetrando en el segundo medio.

Las leyes de la reflexión y de la refracción son distintas, y se enuncian a continuación:

La ley de la reflexión de la luz establece que todo rayo de luz que incide en una superficie reflectante, saldrá reflejado con un ángulo igual al ángulo de incidencia y de tal forma que tanto el rayo incidente como el reflejado y la perpendicular a la superficie reflectante en el punto de incidencia están en el mismo plano.

La ley de la refracción o ley de Snell es la indicada a continuación:

Como se puede ver en el dibujo, se supone que el rayo de luz viene desde una sustancia o medio con índice de refracción n₁  y entra en otra sustancia o medio con índice de refracción n_2. Se ve claramente que  si n₂ > n₁ entonces sen θ₂ < sen θ₁, y por lo tanto cuanto menor es el seno, menor es el ángulo.  Por eso, el ángulo θ₂  es menor que el ángulo θ₁. Veamos un ejemplo numérico. Si imaginamos un rayo de luz que pasa desde el vidrio al agua, y cuyos índices de refracción son los indicados en la figura y  calculamos cual es el ángulo de refracción,  suponiendo que el ángulo de incidencia son 30º.

 Aplicando la ley de Snell tenemos que:

 n1 x sen Φ1 = n2 x sen Φ2

y sustituyendo los valores indicados en la figura

 1,46 sen  30 = 1,33 sen Φ2   y como sen 30 = 0,5 entonces

  0,73 = 1,33 sen Φ2

de donde sen Φ2= 0,73 / 1,33 = 0,5488  

Finalmente utilizando la función arc sen calculamos el ángulo Φ2 también llamado ángulo de refracción

            Φ2 = arc sen 0,5488 = 33,28º

Si realizamos los cálculos para otro ángulo distinto de incidencia, por ejemplo, si en lugar de valer 30 º el ángulo de incidencia, pasa a valer 66º, entonces el ángulo de refracción valdrá:

             n1 x sen Φ1 = n2 x sen Φ2

y sustituyendo valores

1,46 sen 66 = 1,33 sen Φ2         y como sen 66 = 0,9135 tenemos que:

        1,33 = 1,33 sen Φ2

de donde se obtiene   Φ2 = arc sen (1,33 /1,33) = arc sen 1 = 90 º. En la siguiente figura se puede ver lo que pasa cuando el ángulo de refracción es de 90º

 Para cualquier ángulo de incidencia mayor que el ángulo crítico, es decir, en el ejemplo anterior del vidrio y del agua, para cualquier ángulo de incidencia mayor que 66 º, se produce un ángulo de refracción mayor que 90º, o lo que es lo mismo, la denominada reflexión total

Esto último es en lo que está basada la fibra óptica. La luz que va por el interior de la fibra óptica va sufriendo una reflexión total cada vez que intenta salir del núcleo y entrar en la cubierta. Como la reflexión total sigue la ley de la reflexión, el ángulo de entrada es igual al de salida, y por lo tanto en las siguientes reflexiones a lo largo de la fibra se mantiene el ángulo

Por lo tanto la fibra óptica por dentro no tiene nada parecido a un espejo, de tal manera que la luz va rebotando en ese espejo. Realmente no hace falta que haya espejos ni nada por el estilo. Simplemente con que el núcleo de vidrio y la cubierta, también de vidrio, tengan índices de refracción distintos, ya es suficiente para que la luz vaya rebotando sin salirse del núcleo, siempre y cuando el ángulo con el que entran los rayos de luz del núcleo a la cubierta sea mayor que el ángulo crítico.

Para ver este fenómeno de forma experimental, solo hace falta un vaso de agua y un puntero láser. Se observa que a partir del ángulo crítico el rayo láser directamente se refleja en la superficie del agua, produciéndose el fenómeno de reflexión total.Se debe de tener en cuenta que cada sustancia transparente tiene un índice de refracción distinto, y que además dicho índice varía con la longitud de onda. Esto último tiene una importancia fundamental ya que si la luz utilizada para la transmisión por fibra óptica está compuesta de diferentes longitudes de onda, cada longitud de onda circulará a una velocidad distinta por la fibra, produciéndose una dispersión de la señal (los pulsos de luz en la entrada aparecen de forma redondeada en la salida)

Nota: Todos los índices de refracción de las tablas anteriores están medidos con luz de sodio de longitud de onda de 589 nm.

Como curiosidad técnica, las leyes de la reflexión y de la refracción aunque se pueden comprobar de forma experimental también tienen una demostración matemática relativamente sencilla. En el caso de la Ley de la Refracción  o Ley de Snell la demostración se basa en considerar al rayo de luz como un frente de ondas que avanza con un cierto ángulo por un medio y penetra en otro medio de distinto índice de refracción, tal y como se muestra en la siguiente figura:

El frente de ondas que atraviesa el medio 1, lo hace con un ángulo Φ₁ de tal manera que la parte izquierda del frente de ondas alcanza al medio 2 en el punto A mientras que la parte derecha del frente de ondas alcanzará al medio 2 en el punto B después de un tiempo t, por tener que recorrer la distancia que hay entre P y B. Cuando esta parte derecha del frente de ondas alcanza el punto B, la parte izquierda del frente de ondas se encuentra ya en el punto B´. Puesto que la velocidad por el medio 2 es más pequeña que por el medio 1, la distancia recorrida AB´ será menor que la distancia PB y el nuevo frente de ondas no será paralelo al inicial. La luz resulta refractada.

Examinando el triángulo APB se deduce que:   

 

 

 

 

Examinando el triángulo inferior ABB´ deducimos que:

 

 

 

 

Y puesto que AB es igual en las dos expresiones, tenemos finalmente:

Que es la ley de Snell

Esta refracción de la luz al cambiar de medio puede ser tal que se produzca el fenómeno de reflexión total, que es el mecanismo por el cual la luz avanza por el núcleo de las fibras óptica multimodo con muy bajas pérdidas. Como curiosidad técnica, aprovechando que el índice de refracción típico del vidrio es de 1.50, el ángulo límite cuando la luz pasa del aire al vidrio es de aproximadamente 42º. Este ángulo, al ser menor que 45º, permite la construcción de muchos instrumentos de óptica que aprovechan el fenómeno de reflexión total, como por ejemplo los prismas de las cámaras fotográficas de tipo Reflex.

Los prismas de reflexión total tienen la ventaja de que reflejan la luz totalmente, mientras que ninguna superficie metálica refleja el 100% de la luz incidente. En segundo lugar, las propiedades reflectantes son permanentes y no se alteran por el deslustrado de las superficies, cosa que no sucede con los espejos. El único inconveniente que tienen es que no toda la luz que incide en el prisma entra en su interior, porque un poco siempre resulta reflejada.

2.- Atenuación en las fibras ópticas y ventanas de trabajo.

En la transmisión por fibras ópticas se utiliza luz de unas determinadas longitudes de onda. En la siguiente imagen se muestra el espectro completo de radiación electromagnética.

Cuando la luz atraviesa la fibra óptica resulta atenuada por dos causas diferentes:

• Causas intrínsecas: Se deben a causas que tienen que ver con el proceso de fabricación de las fibras ópticas y donde el instalador no puede hacer nada para corregirlas. Las pérdidas intrínsecas más importantes se deben a la  llamada Dispersión de Rayleigh y a la absorción. La dispersión de Rayleigh se produce por las no uniformidades microscópicas de las fibras y son causantes en las fibras actuales del 90% de las pérdidas. Las pérdidas por absorción se deben a impurezas y moléculas de agua que quedan en el interior de la fibra y que absorben parte de la luz transformándola en calor, atenuando por tanto la luz a medida que atraviesa la fibra óptica.

 

 

 

Al igual que sucede con la absorción, las pérdidas por dispersión de Rayleigh aumentan con la distancia recorrida por la luz en el interior de la fibra, y son mayores cuanto menor es la longitud de onda respecto del tamaño de las impurezas en la fibra. Estas pérdidas además no son lineales, sino que son inversamente proporcionales a la longitud de onda elevada a la cuarta potencia.  Las pérdidas por dispersión de Rayleigh también son distintas según el tipo de material utilizado para la fabricación de la fibra óptica, por lo que existen diferentes tipos de fibras con diferentes coeficientes de atenuación total (db/km).

• Causas extrínsecas: Se deben a procedimientos defectuosos de instalación y son por tanto un tipo de pérdidas que el instalador puede reducir si instala la fibra óptica de forma adecuada. Las pérdidas más importantes por causas extrínsecas son la pérdidas por radios de curvatura demasiado pequeños y por suciedad en los conectores. También por tensiones excesivas durante la instalación y por torsiones de la fibra óptica se pueden producir las denominadas microcurvaturas, las cuales también producen atenuación en la luz transmitida.

 Las pérdidas de tipo intrínseco varían en función de la longitud de onda utilizada. Las pérdidas de Rayleigh son mayores cuanto menor es la longitud de onda respecto del tamaño de las impurezas de la fibra. Por lo tanto,  las pérdidas de Rayleigh son menores para longitudes de onda mayores. Las pérdidas por absorción tienen un mínimo sobre los 1550 nm, aumentando hacia la zona del ultravioleta y también hacia la zona del infrarrojo. Las pérdidas por imperfecciones de la guía (microcurvaturas producidas en el propio proceso de fabricación) son prácticamente constantes para cualquier longitud de onda. Juntando todos los efectos, se obtiene la gráfica mostrada a continuación:

Se observa que hay unas zonas donde la atenuación es mínima, que corresponden a las denominadas ventanas de 1330 nm y de 1550 nm. También se observa que hay una zona sobre los 850 nm donde las pérdidas no son mínimas pero si que son constantes, lo cual es un requisito fundamental en el trabajo con fibras ópticas. Esta última ventana, denominada 1ª ventana, corresponde a una zona muy habitual de trabajo con fibras ópticas de tipo multimodo.  

3.- Fibras ópticas multimodo y fibras ópticas monomodo

Atendiendo al tamaño del núcleo y del revestimiento de la fibra óptica, las fibras son de tipo multimodo o de tipo monomodo:

Las fibras ópticas multimodo tienen la ventaja de exigir un acople de la luz menos preciso, al permitir el trabajo tanto con fuente de luz Láser como con fuente de luz Led. Las fibras de tipo monomodo trabajan únicamente con fuente de luz Láser. Pero las fibras ópticas multimodo tienen el inconveniente de que poseen un ancho de banda menor que las fibras monomodo. Un ancho de banda menor significa que por una fibra multimodo la velocidad máxima en bits por segundo va a ser menor que en una fibra monomodo. Esta menor velocidad se produce por la denominada dispersión modal de las fibras ópticas.

La dispersión modal es la principal causa de la limitación del ancho de banda en las fibras ópticas. Esta dispersión modal provoca que pulsos estrechos de luz en la entrada se conviertan en pulsos redondeados y de mayor duración:

Si se introduce un solo impulso de luz, debido a la dispersión modal éste resulta “redondeado” en la salida. Si se introducen muchos pulsos de luz seguidos, es decir, muchos bits seguidos, entonces los pulsos de luz se solapan en la salida, impidiendo al receptor reconocer los pulsos de luz emitidos.

 Es decir, las fibras ópticas al igual que todos los medios de transmisión, también tienen un límite físico de velocidad máxima de transmisión en bps (Teorema de Shannon). En las fibras ópticas multimodo está limitación de velocidad se produce, fundamentalmente, por la dispersión modal. En cambio, en las fibras monomodo, al haber solo un “modo” o rayo de luz, no se produce dispersión modal, pero si que se produce la denominada dispersión cromática, que es debida a la diferente velocidad por la fibra de las diferentes longitudes de onda de la luz transmitida. Aun utilizando una fuente de luz muy pura, como es la luz láser, siempre existen varias longitudes de onda y por lo tanto siempre se producirá un poco de dispersión cromática.

La dispersión cromática se mide en ps/nm x km  y este valor interesa que sea lo más pequeño posible. Al igual que con la dispersión modal, una dispersión cromática excesiva produce ensanchamiento de los pulsos y disminución de la velocidad máxima en bps.

4.- Fibras ópticas multimodo de índice gradual

Hoy en día la mayoría de las fibras ópticas de tipo multimodo son de índice gradual. En estas fibras el índice de refracción del núcleo no es constante, sino que va variando de forma progresiva mediante una ley matemática calculada al efecto. De esta manera los rayos de luz que van por el centro del núcleo de la fibra y que recorren un camino más corto van más lentos (índice de refracción mayor) que los rayos de luz que recorren un camino más largo. Con esto se consigue reducir la dispersión modal y aumentar en consecuencia el ancho de banda de la fibra óptica:

 5.- Fibras ópticas multimodo y sus especificaciones básicas

Las fibras ópticas multimodo se dividen actualmente en cuatro tipos: OM1, OM2, OM3 y OM4.  Las fibras de tipo OM1 son de 62,5/125 y las OM2, OM3 y OM4 son de 50/125, y todas ellas son de índice gradual. En la siguiente tabla, obtenida de la documentación técnica de Corning (www.corning.com) se muestran dichas características:  Se observa que la diferencia entre las fibras OM2 y las OM3/OM4 es que estas últimas están optimizadas para su funcionamiento con láser. Se debe de tener en cuenta que la denominación de las fibras multimodo según los diferentes estándares es la mostrada a continuación:

Si consultamos la página web de un distribuidor de fibras ópticas como es Optral (www.optral.es) encontraremos la siguiente información respecto de las fibras ópticas multimodo:

Se observa que dentro de las fibras multimodo también están las fibras de tipo PCF y las fibras plásticas. Este tipo de fibras, como se verá posteriormente, solo se utilizan para aplicaciones de baja velocidad o en aplicaciones de poca longitud.

 

Las fibras ópticas multimodo de 62,5/125 durante muchos años han sido las más utilizadas, dada la dificultad mayor de acoplar la luz a las fibras multimodo de 50/125. Hoy en día, con los nuevos láseres de tipo VSCEL, los transceiveres ópticos por láser tienen un coste muy asequible y permiten el uso sin dificultad con fibras de tipo 50/125, las cuales al tener un núcleo más estrecho tienen menor dispersión modal y por lo tanto tienen un ancho de banda mayor, permitiendo una mayor velocidad en bps.

 En la tabla anterior se muestran las características de las fibras OM2, OM3 y OM4 (de 50/125) junto con las OM1 (62,5/125).  Se observa que cada tipo tiene un ancho de banda distinto, y que con longitud de onda de 850nm, la dispersión modal es menor y por tanto es mayor su ancho de banda, aunque a 850nm también aumentan las pérdidas debido a la dispersión de Rayleigh y por lo tanto aumenta la atenuación en dB/Km.  

Se debe de tener en cuenta que la atenuación total se calcula multiplicando la atenuación en dB/Km por los kilómetros de fibra óptica instalada, pero el ancho de banda medido en Mhz x Km permite calcular solo de forma aproximada el ancho de banda efectivo para una determinada longitud total de instalación de fibra óptica. En realidad, cuando se dobla la longitud de un determinado enlace de fibra óptica no se verifica que el ancho de banda se reduce a la mitad.

Como se indicó anteriormente, la atenuación de las fibras ópticas en la primera ventana, a una longitud de onda de 850 nm, es mayor que en segunda ventana. Eso puede dar lugar a pensar que siempre es mejor trabajar en esta segunda ventana. Pero si se observan los datos de ancho de banda de las fibras ópticas de tipo multimodo, fácilmente se aprecia que en algunos tipos de fibra (OM3 y OM4),  el ancho de banda es mayor en primera ventana que en segunda ventana. Esto es debido a que cuanto menor es la longitud de onda (primera ventana), menos “modos” o rayos de luz se producen en el interior de la fibra óptica, produciéndose por tanto menor dispersión modal.

Por eso, para aplicaciones de alta velocidad y corta distancia, como es el caso de 10 Gbps en troncales de edificio o en un Data Center, se utiliza obligatoriamente fibra óptica multimodo de tipo OM3 o OM4 a 850 nm. Si utilizamos fibras ópticas multimodo a 1300nm (segunda ventana) no es posible alcanzar velocidades de 10Gbps. Cuando las distancias a cubrir son muy grandes, es imprescindible que la atenuación no sea excesiva y entonces solo cabe la posibilidad de trabajar en segunda o tercer ventana, y la única manera de tener un ancho de banda suficiente en estas ventanas es el utilizar fibras ópticas monomodo.

Las fibras ópticas monomodo tienen un coeficiente de atenuación mucho más pequeño que las fibras multimodo, por el hecho de trabajar en longitudes de onda mayor (3ª, 4ª e incluso 5ª ventana en las nuevas fibras ópticas monomodo). Además, al no existir dispersión modal sino tan solo la denominada dispersión cromática, la cual es muy pequeña con fuentes de luz láser, ya no se suministra el ancho de banda en Mhz x Km sino que en su lugar se indica el valor de dispersión cromática en ps/nm x km.

Como curiosidad técnica, si a una fibra monomodo le introducimos luz de una longitud de onda muy pequeña respecto del diámetro del núcleo, entonces se produce el efecto de longitud de onda de corte del cable y la fibra pasa a comportarse como una fibra multimodo.

6.- Fibras ópticas plásticas: Características básicas.

Las fibras ópticas plásticas (POF) no están construidas con vidrio sino con materiales plásticos. El diámetro del núcleo es mucho mayor que el de las fibras multimodo construidas con vídrio, tienen una mayor dispersión modal y por lo tanto tienen un ancho de banda muy pequeño. Además debido a que el material plástico es mucho menos “transparente” que el núcleo de vidrio de las fibras ópticas monomodo y multimodo, su atenuación es mucho mayor. En la tabla anterior se observa que la atenuación es de 0,20 dB ¡¡¡por metro!!!. Es decir, una atenuación de 200 dB/km. 

Las ventajas de este tipo de fibras es que permiten un fácil conectorizado, debido a que la tolerancia es muy amplia. Además, cuando se utilizan para muy cortas distancias (conexión de equipos de música digital, automatización del automóvil, etc) la atenuación es pequeña y aunque el ancho de banda en MHz x Km es bajo, igualmente cuando la distancia es corta, es un ancho de banda suficiente para muchas aplicaciones prácticas. Por último se debe de tener en cuenta que en esta clase de fibras al ser el material del núcleo distinto al de las fibras de vidrio, sus ventanas de trabajo son distintas. Las fibras plásticas anteriores tienen la ventana de trabajo en la longitud de onda de 650 nm, que entra dentro de la luz visible.

7.- Terminación de enlaces de fibra óptica mediante fusión con pigtail:

A la hora de terminar un enlace de fibra óptica mediante fusión o empalme mecánico con pigtail se debe de tener en cuenta que una fibra óptica de tipo OM2, OM3  u OM4 no se debe de fusionar o empalmar con un pigtail de tipo OM1, ya que en ese caso estariamos uniendo una fibra de 62,5/125 con otra de 50/125. Ese tipo de conexión, aun cuando puede funcionar correctamente en el sentido 50/125 >> 62,5/125, está totalmente desaconsejada por su alta atenuación en el sentido 62,5/125 >> 50/125. De la misma manera, si se presenta el caso de tener que terminar un enlace de fibra óptica de tipo OM1 mediante un pigtail, deberemos de utilizar obligatoriamente uno de tipo OM1.

Se debe de tener en cuenta también que no es estrictamente necesario que un enlace de fibra óptica de tipo OM2, OM3 u OM4 tenga que ser terminado mediante fusión o empalme mecánico con pigtail de tipos OM2, OM3 u OM4 respectivamente. En realidad, si por ejemplo en un enlace de tipo OM3, con un ancho de banda de 1500 MHz x Km a 850nm, utilizamos un pigtail de tipo OM2, con un ancho de banda de 500 MHz x Km no habrá ningún problema. En efecto, aunque el pigtail tiene “en teoría” un ancho de banda mucho menor que el del enlace de fibra óptica, no se debe de olvidar que si la longitud del pigtail es “menor que 1 Km” su ancho de banda efectivo será mucho mayor. Si el pigtail es de 2 metros de longitud, podemos suponer que aproximadamente el ancho de banda será de (500 MHz x 1 Km )/ 0,002 Km = 250.000 MHz y por lo tanto no limitará en absoluto el ancho de banda del enlace en conjunto.

Como curiosidad técnica, lo anterior no sucede en absoluto con instalaciones de cableado estructurado realizadas con cable de pares. Si en un enlace permanente de una determinada categoría, por ejemplo categoría 6, se termina con latiguillos de categoría inferior, por ejemplo latiguillos de categoría 5e, toda la instalación o enlace de canal  será de la categoría del elemento inferior, que en el ejemplo anterior corresponderá a la categoría 5e. La diferencia con la fibra óptica es clara: en el cable de pares factores como las diversas diafonías (Next, Power Sum Next, Elfext, Power Sum Elfext, Alien Next, etc) no dependen en absoluto de la longitud del cable, ya que se generan principalmente en los denominados extremos cercano (NE) y extremo lejano (FE).