INSTITUTO PROFESIONAL DUOC-UC
ESCUELA DE INFORMATICA Y TELECOMUNICACIONES SEDE ANTONIO VARAS
GUIA Y MATERIAL
DE APOYO PARA
REDES DE FIBRA OPTICA
El material fue preparado por el Ingeniero Civil Eléctrico: Eduardo Morales Cabello.
PROLOGO
Desde mediados de los años 70, los sistemas de comunicaciones que emplean Las fibras ópticas como medio de transmisión se han desarrollado considerablemente. Las atenuaciones introducidas por las fibras ópticas para sistemas de comunicación, están dentro del intervalo de 0.2 dB/Km a 5 dB/Km, y las fuentes ópticas pueden acoplar niveles de luz a las fibras ópticas desde varios microwatts a varios miliwatts, y sensibilidades típicas de los receptores ópticos están en el intervalo de -20 dBm a -60 dBm. Los enlaces por fibra óptica hoy en día se encuentran en aplicaciones de corta distancia y de larga distancia, tanto para rutas punto a punto como punto a multipunto y multipunto a multipunto.
Un entendimiento amplio del funcionamiento de cada uno de los elementos que entran a formara parte de los enlaces por fibra óptica es una condición indispensable para realizar eficientemente el diseño, dimensionamiento y mantenimiento de estos enlaces. Uno de los objetivos de esta guía y material de apoyo es tender un puente entre estudiantes y técnicos e ingenieros en telecomunicaciones. El texto también fue escrito pensando que pudiese servir como una introducción al estudio de tópicos más profundos de diferentes aspectos y aplicaciones de los sistemas de comunicaciones que emplean como medio de transmisión a las fibras ópticas.
Esta guía se inicia con el Capitulo I, que permite al estudiante comprender los principios fundamentales que rigen la transmisión de las ondas electromagnéticas en la fibra óptica. Además, se definen los principales características físicas y parámetros de diseño que el estudiante debe conocer para poder analizar un sistema de transmisión óptico.
En el Capitulo II, se presentan los tipos de estructuras básicas de un cable de fibra óptica, tanto para planta externa como al interior de un edificio. También, se conocerán los principales tipos de cables comercializados en el mercado nacional por empresas del rubro.
En el Capitulo III, se dan a conocer los principales equipamientos activos o pasivos y accesorios ópticos que pueden intervenir en un enlace óptico, ya sea en un empalme, conectorización y medición.
En el Capitulo IV y V, fijaremos las principales normas para planta externa como interna, que rigen las transmisiones ópticas, siguiendo las recomendaciones de la ITU, como también rescatando los criterios de instalación obtenido de la experiencia de los profesionales en telecomunicaciones con los cuáles hemos trabajado.
En el Capitulo VI, se muestra el procedimiento básico para la certificación de enlaces de fibra óptica y el análisis de las curvas que arroja el OTDR.
Finalmente, el Capitulo VII aborda los cálculos de las pérdidas ópticas y ancho de banda, que nos permiten fijar los criterios necesarios para el diseño y dimensionamiento de un enlace de fibra óptica.
INDICE GENERAL
Pág.
PROLOGO ... 3
I. FUNDAMENTOS DE LA FIBRA OPTICA ... 7
1.1 Historia de la Fibra Óptica... 7
1.2 ¿Qué es una Comunicación Optica? ... 9
1.3 Propiedades de la Fibra Optica ... 10
1.4 Tipos de Fibras Ópticas ... 14
1.5 Ventajas y Desventajas de la Fibra Optica ... 19
1.6 Pérdidas Opticas ... 21
1.7 ¿Qué es la Dispersión? ... 23
1.8 Criterios Básicos de Seguridad ... 26
1.9 Recomendaciones de la ITU para Fibras Opticas ... 27
II. COMPOSICIÓN Y TIPOS DE CABLES DE F.O ... 28
2.1 Fabricación de la Fibra Optica... 28
2.2 Tipos de Diámetros de la Fibra Optica ... 29
2.3 Tipos de Estructuras de Cables de Fibra Optica ... 31
2.4 Composición del Cable de Fibra Optica ... 37
2.5 Factores Externos que influyen en el Deterioro de los Cables de Fibra Optica ... 42
III. EQUIPAMIENTO Y ACCESORIOS OPTICOS teoría... 43
3.1 Principales Tipos de Conectores para Fibra optica ... 43
3.2 Normas para el Hardware utilizado en el Cableado por Fibra Optica (Anexo ANSI/TIA/EIA – 568 A) ... 44
3.3 Tipos de Empalmes Mecánicos para Fibra Optica ... 45
3.4 Empalmes por Fusión ... 45
3.5 Tipos de Mufas ... 46
IV. NORMAS Y CRITERIOS DE INSTALACIÓN DE CABLES DE F.O.
EN INTERIORES ... 51
4.1 Procedimiento de Instalación de Cables en Interiores ... 51
4.2 Empalmes y Terminaciones en Interiores ... 55
4.3 Normas para el Sistema de Cableado por Fibra Optica (Anexo ANSI/TIA/EIA – 568A)... 59
V. NORMAS Y CRITERIOS DE INSTALACIÓN DE CABLES DE F.O. EN EXTERIORES ... 63
5.1 Tipos de Instalación de Fibra Optica en Planta Externa ... 63
5.2 Procedimiento de Instalación en Exteriores de Cables Subterráneos ... 64
5.3 Procedimiento de Instalación en Exteriores de Cables Aéreos ... 71
5.4 Reparaciones de Cables en Exteriores ... 75
VI. CERTIFICACIÓN DE ENLACES DE F.O. MEDIANTE OTDR ... 78
6.1 Equipamiento ... 78
6.2 Determinación de la Localización física de las Anomalías 79 VII. DISEÑO DE ENLACES DE FIBRA OPTICA ... 80
7.1 Criterios de Diseño de Enlaces de Fibra Optica ... 80
7.2 Cálculo de Atenuaciones ... 82
7.3 Cálculo de Ancho de Banda ... 85
GLOSARIO ... 88
BIBLIOGRAFÍA ... 94
ANEXO A (LABORATORIO DE CONECTORIZACIÓN) ... 95
ANEXO B (LABORATORIO DE EMPALME) ... 99
I. FUNDAMENTOS DE LA FIBRA OPTICA
1.1 Historia de la Fibra Óptica
1790: Claude Chappe, construyó en Francia un sistema de telégrafo óptico que consistía
en una cadena de torres con sistema de señalización, logrando transmitir información a una distancia de 200 Km en 15 minutos.
1870: John Tyndall demostró con su experimento que un chorro de agua era capaz de
conducir la luz, basándose en el principio de reflexión interna total.
1889: Alex Graham Bell, desarrolló el fotofón con el cuál se podía transmitir señales de
altavoz con ayuda de la luz, pero sujeto a condiciones atmosféricas.
1958: Invención del Rayo Láser y Fotodiodos Semiconductores.
1970: Desarrollo de la primera fibra óptica de baja pérdida, con una atenuación de 20
dB/Km, desarrollada por la empresa norteamericana CORNING.
1980: 1º Generación de Sistemas de Comunicaciones de Fibra Optica.
Longitud de Onda : 800 nm
Ancho de Banda : 45 Mb/s a 10 Km, sin uso de amplificadores.
1987: 2º Generación de Sistemas de Comunicaciones de Fibra Optica.
Longitud de Onda : 1300 nm
Ancho de Banda : 1.7 Gb/s a 50 Km, sin uso de amplificadores.
1990: 3º Generación de Sistemas de Comunicaciones de Fibra Optica.
Longitud de Onda : 1550 nm
1996: 4º Generación de Sistemas de Comunicaciones de Fibra Optica.
Uso de:
Amplificadores Opticos dopados con Erbium (incrementa el espacio entre repetidores).
Multiplexores de División de Longitud de Onda (WDM, incrementa la tasa de bits).
2000: 5º Generación de Sistemas de Comunicaciones de Fibra Optica.
Investigaciones para:
- Encontrar una solución al problema de la dispersión (Técnicas de compensación de dispersión por medio de solitones ópticos).
- Disminución de la Dispersión por Modo de Polarización (PMD).
- Uso de otras ventanas de longitud de onda o las mismas pero con menor atenuación (Ej: Fibra óptica All Wave)
- Mejorar las Técnicas de Fabricación de la fibra óptica.
Desarrollo de:
- Sistemas DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexer). - Sistemas CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexer). - Redes totalmente Opticas.
- Equipos ópticos de menor costo y mayor rendimiento. - Fibra óptica al Escritorio.
1.2 ¿Qué es una Comunicación Optica?
Las Comunicaciones Opticas representan una forma distinta de comunicación, convirtiendo una señal eléctrica en una señal luminosa que viaja por medio de una guía de onda cilíndrica de vidrio denominada fibra óptica.
De acuerdo al ejemplo de la Figura 1.1, para convertir una señal eléctrica en señal de luz, necesitamos los siguientes pasos:
1.- Conversión de la señal eléctrica análoga a digital por medio de un codificador (Coder), para luego aplicar algún método de modulación (NRZ, RZ, Manchester, etc.), que permite entregar una secuencia de pulsos eléctricos entre 0-5 Volt, denominados bits.
2.- Conversión de la señal eléctrica digital a señal óptica digital por medio de una fuente de luz (Transceiver, Conversor de Medio ó Módem Optico), transformando los bits en pulsos de luz para transmitirlos, a través de la fibra óptica, a una longitud de onda especificada por el fabricante del equipo óptico.
Una vez que los pulsos llegan al detector o receptor óptico debemos realizar la operación inversa:
1.- Convertir la señal óptica a una secuencia de pulsos eléctricos.
2.- Decodificación de los pulsos eléctricos digitales a una señal eléctrica analógica, a través de un decodificador (Decoder)
1.3 Propiedades de la Fibra Optica
La Fibra Optica es un medio de transmisión, compuesto de fibra de vidrio (cuarzo ó dióxido de silicio SiO2) que permite transmitir señales luminosas, a través de esta guía de onda óptica.
El rango de longitud de onda () para transmitir por una fibra óptica es de 800 [nm] a 1600 [nm], usando preferentemente las longitudes centradas en las siguientes ventanas 850, 1310 y 1550 [nm] por motivos de baja atenuación. (Ver Figura 1.2)
Figura 1.2: Espectro Electromagnético.
La velocidad de propagación de la luz en un medio distinto del vacío, se encuentra afectada por el índice de refracción del medio y está dada por la siguiente ecuación:
v = c / n
v = velocidad de propagación
c = velocidad de la luz = 300.000 Km / seg. n = índice de refracción
Ley de Snell
Es la propiedad física elemental, con la cuál se realiza la transmisión de los rayos de luz, a través de una fibra óptica.
Cuando los rayos de luz inciden en la frontera de ambos medios con índices de refracción distintos (n1 > n2), existe un rayo que pasa al otro medio que se denomina rayo refractado (refracción) y otro rayo que sigue en el mismo medio que se denomina rayo reflejado (reflexión). Pero a partir de un cierto ángulo crítico c, que depende de los índices de refracción de ambos medios, los rayos que inciden en la frontera se reflejan completamente, permitiendo con ello que se produzca el principio de reflexión interna total. (Ver Figura 1.3)
Figura 1.3: Ley de Snell. Fórmula de la Ley de Snell: n1 sin 1 = n2 sin 2 si: 1 = c ; 2 = 90º
c = arcsen (n2/n1)
Apertura Numérica
Cuando la fibra óptica es acoplada con la fuente de luz, se debe asegurar que la gran mayoría de los rayos de luz emitidos por la fuente entren al núcleo de la fibra óptica para evitar pérdidas. Estas pérdidas se pueden minimizar si utilizamos una fibra óptica con la misma Apertura Numérica (NA), recomendada por el fabricante del equipo óptico. (Ver Figura 1.4)
La Apertura Numérica es una constante que permite dar a conocer el ángulo de
aceptancia NA , para el cuál los rayos de luz que salen de la fuente con ángulos menores a NA y que inciden en la superficie Aire – Fibra, son refractados al interior del núcleo de la fibra y para los rayos de luz que salen de la fuente con ángulos mayores a NA, son reflejados completamente y por ende no son capturados por el núcleo, causando las pérdidas de acoplamiento o inserción entre el equipo óptico y la fibra.
Figura 1.4: Cono de Aceptación.
NA = ángulo de aceptancia
NA = Apertura Numérica = sen NA
NA = 2 2
2 n 1 n
Uso de la Fibra Optica
Si se requiere dar solución a una red de datos, se deben considerar las condiciones técnicas del terreno, como la distancia y posibles ruidos o inducciones eléctricas a nuestra red. Si se trata de una planta, fábrica, mina o bodegas, en la cuál los puntos de telecomunicaciones se encuentran esparcidos y alejados a una distancia superior a 90 metros, según norma referente al cable UTP, se justificará el uso de cable de fibra óptica. También, se debe considerar el uso de cable de fibra óptica, si existe en algún sector gran pérdida de datos, debido a la inducción de corrientes fuertes.
Finalmente, las condiciones externas del terreno, también justificarán una red LAN con fibra óptica, ya que en climas muy húmedos, los cables de cobre sufren un deterioro bastante acelerado debido a la corrosión, lo cuál implicará a largo plazo tener que reemplazar este material.
1.4 Tipos de Fibras Ópticas
Una fibra óptica es una guía de onda cilíndrica y larga realizada con materiales de cuarzo y silicio que confina y propaga ondas luminosas.
- Está compuesta básicamente de 3 capas: - núcleo (core)
- manto ó revestimiento (cladding) - recubrimiento (coating)
El núcleo y el manto no se pueden separar con herramientas mecánicas. También, cabe decir, que el núcleo tiene un índice de refracción un poco más alto que el manto.
El recubrimiento entrega protección mecánica contra dobleces y protección contra la humedad.
Nota: La Materia Prima (Silicio) para fabricar la f.o. es abundante en la naturaleza.
Valores típicos de índice de refracción :
Figura 1.5: Construcción de la Fibra Optica.
Existen tres tipos básicos de fibra óptica que son utilizadas en el mercado: - Fibra Monomodo (FIBER SINGLEMODE)
- Fibra Multimodo (FIBER MULTIMODE) - Fibra Plástica
Fibra Monomodo
Este tipo de fibra posee la ventaja de alcanzar grandes distancias, generalmente sobre 2 Km y tener un ancho de banda sobre 1 Gbit / seg. Es utilizada en los enlaces de comunicación de datos para unir continentes, países y ciudades. En la fibra monomodo se propaga un solo modo (camino que sigue un rayo de luz por el núcleo). Esto se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra entre 8 a 10 m, tamaño que sólo permite enviar un modo de propagación. Para poder transmitir un solo modo debemos utilizar una fuente de luz que su espectro de potencia este concentrado mayoritariamente en una sola longitud de onda, para lo cuál el láser cumple con este requisito.
Fibra Multimodo
Este tipo de fibra es utilizada para menores distancias, generalmente menores a 2 Km y su uso es mayor para el cableado vertical en edificios. Su ancho de banda depende mucho de la dispersión producida por los modos que se propagan a través del núcleo, llegando a 500 Mbps en algunas fibras multimodo. En la fibra multimodo se propaga
Núcleo : 1.5
Manto : 1.48una gran cantidad de modos, debido a que el diámetro del núcleo de la fibra es de 50 ó 62.5 m. Para esta fibra se utiliza una fuente de luz cuyo espectro no esta solamente concentrado en la longitud de onda fundamental, sino que también en las longitudes de ondas secundarias, para esto se utiliza un LED ó VCSEL.
Fibra Plástica
Es utilizada con menor frecuencia en aplicaciones industriales para muy corta distancia, poseen un diámetro de núcleo aproximadamente de 200 m y su transmisión es realizada a longitudes de onda entre 660 nm – 780 nm.
Figura 1.6: Tipos de Fibras Opticas.
Tipos de Fibra Multimodo
Existen dos tipos de fibras multimodo, que difieren en los perfiles de los índices de refracción del núcleo y manto:
- Fibra Multimodo Indice Escalón - Fibra Multimodo Indice Gradual
Fibra Multimodo de Indice Escalón
Una fibra de índice escalón es una fibra óptica con índices de refracción del núcleo y manto diferentes, pero uniformes. En la frontera núcleo-manto, hay un cambio abrupto en el índice de refracción provocando un confinamiento de la luz en el núcleo.
Figura 1.7: Dispersión en Fibra Multimodo de Indice Escalón.
Los rayos de luz viajan por caminos muy diferentes en el núcleo de la fibra con velocidades iguales. Debido a que la distancia que recorre cada rayo es distinta, llegarán a su destino en tiempos distintos. Esto trae como consecuencia que un pulso se ensanche en tiempo.
Como muestra la figura los rayos de luz empiezan todos al mismo tiempo, pero después de viajar por la fibra, llegan a sus destinos en tiempos diferentes debido a que siguen diferentes caminos por el núcleo de la fibra óptica. El ensanchamiento del pulso es una distorsión de la señal conocida como dispersión modal.
El ensanchamiento del pulso restringe la velocidad de transmisión de datos, debido a que ésta es inversamente proporcional a la anchura del pulso. Un pulso más ancho significa que se puede enviar menos pulsos por segundos, lo que resulta en una disminución del ancho de banda de transmisión.
Velocidad de Tx de Datos 1 / ancho del pulso
Fibra Multimodo de Indice Gradual
El índice de refracción del núcleo de una fibra de índice gradual decrece desde el centro al exterior. El índice de refracción del manto es uniforme. La fibra de índice gradual curva los rayos de luz en caminos sinusoidales debido a que el índice de refracción del núcleo no es uniforme.
La región exterior del núcleo tiene un índice refracción más bajo que el centro del núcleo. La luz viaja más rápido en un material con índice de refracción más bajo (v = c/n). Los rayos de luz de la región exterior del núcleo viajan una distancia mayor y requieren más tiempo para llegar al final de la fibra.
Figura 1.8: Dispersión en Fibra Multimodo de Indice Gradual.
Debido a que la luz viaja más rápido en la región exterior que en el centro del núcleo, el mayor tiempo causado por la distancia se compensa parcialmente por una mayor velocidad del rayo. Esto reduce la cantidad de ensanchamiento del pulso entre los rayos de luz del centro del núcleo y de la región exterior, por lo que se reduce la dispersión modal. Este tipo de fibra tiene un ancho de banda de transmisión de datos mayor que una fibra índice escalón.
1.5 Ventajas y Desventajas de la Fibra Optica
La Fibra óptica presenta grandes ventajas si se les compara con otros medios de transmisión de datos, como por ejemplo:
- Multipar de cobre: ancho de banda menor y costos de instalación bajos. Susceptible a interferencias electromagnéticas y a la corrosión.
- Cable coaxial: ancho de banda mayor que el multipar de cobre pero menor que la fibra óptica, presenta altas pérdidas en los puntos de empalme y conexión. Es un cable de mayor peso y la distancia máxima entre repetidores es de aprox. 1.5 Km. - Microondas Satelitales y Terrestres: ancho de banda menor que la fibra óptica
monomodo, pero su costo es menor para unir distancias grandes. Susceptible a los cambios climáticos y de temperatura.
Ventajas
- Gran capacidad para transmitir información: Para las fibras ópticas monomodo su ancho de banda supera 1 Gbit/seg.
- Menor diámetro y peso ligero: Un cable de fibra óptica posee un diámetro mucho menor y peso más ligero que un cable de cobre.
- Inmunidad a las interferencias eléctricas: La fibra óptica no se ve afectada por la interferencia electromagnética (EMI) o interferencia de radiofrecuencia (RFI). La fibra óptica está libre de conversaciones cruzadas, es decir, la información que viaja por una fibra no puede ser recapturada por una fibra cercana.
- Aislamiento eléctrico: no necesita tierra común.
- Seguridad: Una fibra óptica no se puede intervenir por medio de mecanismos eléctricos convencionales como conducción superficial o inducción electromagnética. Si se interviniera se podría detectar monitoreando la señal óptica recibida al final de la fibra o curvándola en cualquier parte.
- Larga vida de útil y Libre de Corrosión: La fibra óptica es un medio que posee una vida de servicio estimada en más de 30 años para algunos cables. Los enlaces de fibra óptica bien diseñados, son aquéllos en dónde los cables de fibra soportan las condiciones de temperatura, humedad, etc. existentes y las eventualidades de operación que salgan con el tiempo, de tal forma de mantener la vida útil del cable. La fibra óptica no sufre de corrosión.
- Baja Mantención: El mantenimiento es menor que el que se requiere para otro medio de transmisión, debido a que se requiere de pocos repetidores. No hay forma que pueda corroerse el cable y que pueda causar pérdidas de señales ó señales intermitentes. El cable no se ve afectado por cortocircuitos, sobretensiones o electricidad estática.
- Baja Atenuación: Para una transmisión a longitud de onda cercana a 1550 nm la atenuación que se produce en la fibra aprox. es de 0.2 dB/km.
- Versatilidad: Los sistemas de comunicaciones por fibra son los adecuados para la mayoría de los formatos de comunicaciones de datos, voz y video. Entre estos sistemas tenemos: RS-232, Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, SDH, ATM, DWDM, etc.
- Expansión: Los enlaces de fibra óptica bien diseñados pueden expandirse rápidamente y cambiar de un sistema de transmisión de baja velocidad a uno de alta velocidad, cambiando solamente la electrónica pero no la fibra. Ejemplo de ello es el HFFC utilizado por las empresas de televisión por cable.
- Regeneración de la señal: la fibra óptica monomodo puede alcanzar distancias cercanas a los 70 – 80 Km sin uso de amplificadores, con el tiempo será cada vez mayor la distancia que alcanzará la fibra sin regenerar.
Desventajas
- Conversión electro-óptica: Antes de conectar una señal eléctrica de comunicación a una fibra óptica, la señal debe convertirse mediante componentes optoelectrónicos a una señal óptica usando una fuente de luz: Láser o LED. Luego la señal óptica que llega al extremo receptor es nuevamente convertida a señal eléctrica.
- Transmisión de la señal óptica en ventanas de frecuencia determinada: De acuerdo a las propiedades físicas de la fibra, ésta posee tres ventanas donde la atenuación es aceptable para transmitir información segura. Se espera que en
el futuro la transmisión pueda realizarse en todo el espectro posible.
Figura 1.9: Gráfico de Atenuación v/s Longitud de Onda
- Camino fijo recto: El cable de fibra óptica debe ser instalado en forma recta para poder evitar curvaturas que producirían pérdidas ópticas.
- Instalación especial: Se requiere de un equipamiento de alto costo y de personal técnico calificado. Se espera que los costos de equipos bajen con el correr del tiempo, por el surguimiento de mejores tecnologías.
- Reparación especializada: La reparación de un cable requiere de personal técnico calificado con destreza y habilidad en el manejo de herramientas y equipos asociados.
1.6 Pérdidas Opticas
La luz que viaja en una fibra óptica pierde potencia con la distancia. Las pérdidas de potencia dependen de: la longitud de onda del material por el que se propaga, la distancia, las pérdidas de conectores, etc.
Las pérdidas de potencia de luz en una fibra óptica se miden en decibeles dB. Las especificaciones de un cable de fibra óptica expresan las pérdidas del cable como la atenuación en dB por Km de longitud, es decir en dB/Km. Este valor se debe multiplicar por la longitud total del enlace de fibra en Km para determinar las pérdidas del cable en dB.
Las pérdidas de luz de una fibra son causadas por varios factores y se pueden clasificar en intrínsecas y extrínsecas:
Intrínsecas
- Pérdidas por Absorción de OH-: Contaminantes como las moleculas de OH-, absorben fotones a nivel molecular provocando pérdidas considerables si tenemos muchas de ellas. Esto es controlado mediante un proceso de fabricación libre de humedad e impurezas.
- Pérdidas por Scattering Rayleigh (impurezas): Otros tipos de impurezas o contaminantes causan variaciones en la densidad óptica, composición y estructura molecular de la fibra que provocan que los rayos de luz que se topen con estas impurezas y se dispersen en muchas direcciones provocando pérdidas.
- Pérdidas por microcurvaturas: Son pequeñas curvaturas al interior de la fibra en la frontera núcleo-manto, provocando cambios en el ángulo de incidencia y perdiendo la propiedad de reflexión interna total en algunos puntos, provocando refracción y con ello pérdidas.
- Pérdidas por Reflexión de Fresnel (conectores o empalmes): Ocurre en cualquiera frontera de un medio donde cambie el índice de refracción, causando que una parte de los rayos incidentes sea reflejado al primer medio y otra parte sea refractado al segundo medio.
Extrínsecas
- Pérdidas causadas por curvaturas externas: La fibra óptica posee un cierto radio de curvatura crítico que es especificado por el fabricante, con el cuál se asegura que no existan pérdidas. Cualquier curvatura con un radio menor que este radio crítico cambiará el ángulo de incidencia de los rayos de luz, provocando que la reflexión interna total entre el núcleo y manto desaparezca y causando con ello una refracción de los rayos fuera del núcleo y con ello las pérdidas ópticas.
- Pérdidas de conectores: Las pérdidas de los conectores están en el rango de 0.3 dB a 1.5 dB y depende del tipo de conector utilizado. Los factores que contribuyen en las pérdidas de conexión son : suciedad o contaminantes en el conector, instalación impropia del conector, mal corte, etc.
- Pérdidas de empalmes: Las pérdidas ocurren en todos los tipos de empalme. Para los empalmes mecánicos las pérdidas se encuentran entre 0.2 dB a 1 dB y para los
empalmes por fusión las pérdidas son menores a 0.1 dB. Las pérdidas de empalme se atribuyen generalmente a: mal corte, desalineamiento de los núcleos de las fibras, contaminación, burbujas de aire, etc.
Figura 1.10: Ejemplo de tipos de pérdidas ópticas
1.7 ¿Qué es la Dispersión?
El ancho de banda de una fibra óptica es una medida de su capacidad de transmisión de información. El ancho de banda de la fibra óptica está limitado por la dispersión total que tiene como consecuencia el ensanchamiento del pulso.
La dispersión limita la capacidad de transmisión de información debido a que los pulsos se ensanchan traslapándose unos con otros, haciéndose indistinguibles para el equipo receptor.
Figura 1.11: Cuadro de Dispersiones.
- Dispersión Modal: Causada por los diferentes modos o caminos que sigue un rayo de luz en una fibra multimodo. Esto da como resultado que los rayos recorran distancias diferentes y lleguen al otro extremo de la fibra en tiempos distintos provocándose el ensanchamiento y traslape de los pulsos de luz. Este fenómeno se da sólo en fibras multimodo.
- Dispersión Cromática: Se define como dispersión cromática a toda dispersión que tenga como origen una dependencia de la longitud de onda, es decir, a la suma de la dispersión cromática material y guía de onda.
- Dispersión Cromática Material: Causada por un fenómeno intrínseco al material, debido a que el índice de refracción en la práctica no es constante y varía con la longitud de onda de los rayos de luz (n = n()). Como la fuente de luz no es ideal, está compuesta de un espectro de más de una longitud de onda, tanto en el caso de los LED como de los LASER. Los modos de diferente viajan a diferentes velocidades produciéndose la dispersión.
- Dispersión Cromática Guía de Onda: Causada cuando el índice de refracción del núcleo difiere sólo levemente del índice de refracción del manto y parte de la luz se refleja después que hubo penetrado en él. El grado de penetración en el manto dependerá de la longitud de onda de la señal y conlleva a que el rayo de luz realice una trayectoria mayor. Luego, para cada longitud de onda existirán diferentes trayectorias lo que implica un menor o mayor tiempo de viaje para alcanzar el receptor. Dispersión Total Dispersión Cromática Dispersión Material Dispersión de Guía de Onda Dispersión Modal PMD
(Dispersión por modo de Polarización)
- Dispersión por Modo de Polarización: Efecto óptico que provoca dispersión en una señal óptica que viaja por una fibra monomodo. Para el caso de distancias de enlaces de fibra óptica mayores a 100 Km. el PMD puede llegar a ser un factor limitante para la expansión de las redes ópticas. La luz acoplada al interior de una fibra monomodo da como origen una señal electromagnética que posee dos componentes (una componente eléctrica y una componente magnética) que viajan de manera ortogonal. El PMD ocurre cuando se produce un desface ó retardo de una de las componentes con respecto a la otra (birrefringencia) provocada por una asimetría del núcleo y diferencia de índices de refracción a lo largo de la fibra.
Fibras de Dispersión Desplazada
La longitud de onda a la cuál la dispersión total es cero, se denomina longitud de onda de dispersión cero. Como se puede observar en la figura, la dispersión de material tiende a disminuir con el aumento de la longitud de onda. En general, la contribución de la dispersión material es mayor que la dispersión por guía de onda, sin embargo, cerca del punto en el cuál la dispersión total es cero, la dispersión por guía de onda es más influyente.
La longitud de onda típica a la cuál la dispersión total es cero, es alrededor de los 1310 nm. Por otra parte, la longitud de onda para la cuál las pérdidas son mínimas es en los 1550 nm, es decir no son coincidentes. Luego lo que se ha hecho para maximizar las características de transmisión, es desplazar la curva de dispersión, de modo que para la longitud de onda de 1550 nm se obtengan las mínimas pérdidas con la mínima dispersión.
1.8 Criterios Básicos de Seguridad
Hay ciertas precauciones que deben tomarse en cuenta cuando se trabaja con una fibra óptica para mantener un entorno de trabajo seguro y reducir el tiempo perdido por accidentes.
1. Utilizar guantes y gafas en el Corte y Pelado del Cable. No toque sus ojos o cara en ningún momento. Lave sus manos inmediatamente después de trabajar con la fibra desnuda o con solvente.
1. Guardar los residuos de fibra en un envase cerrado y etiquetado. Utilizar una superficie de trabajo negra, para facilitar el contraste con las fibras y reducir la posibilidad de rebote.
2. Use pinzas depiladoras para quitar cualquier pedazo de fibra inmediatamente después de que haya penetrado en la piel. Las demoras en retirarlos aumentan el riesgo de infección y la dificultad de extracción.
3. No consuma alimentos ni beba en el área de terminación. Las fibras ingeridas pueden causar lesión interna.
4. No es recomendable trabajar con ropa de lana, chombas, sweater, ya que pueden quedar ciertos trozos de fibras, que luego pueden ser incrustados en la piel. 5. Apagar las fuentes de luz cuando se trabaja con la fibra óptica. Nunca mire el
extremo de un conector terminado para determinar si la fibra está viva.
6. Evitar mirar la luz láser de la fuente ó fibra en operación. Las gafas de seguridad no protegerán la retina de la lesión producida por la luz. Se recomienda que se detecte la fuente sosteniendo la fibra contra una superficie contrastante, en lugar de mirar directamente la fibra.
7. Trabajar con cuidado en la instalación de cables, debido a la tensión elástica que se puede producir en la instalación, provocando daños en el cable ó dar un latigazo hacia atrás, dañando al personal.
8. Mantener el área de trabajo ventilada y libre de gases que puedan provocar que la chispa de la empalmadora de fusión provoque una explosión.
9. Trabajar con cuidado y protección adecuada cuando se trabaja con líquidos y solventes que sirven para limpiar la fibra y pueden dañar los ojos y la piel.
1.9 Recomendaciones de la ITU para Fibras Opticas
CCITT G.651. Fibras ópticas multimodo para 850 nm ó 1300 nm Apertura numérica AN = 0.18 a 0.24 (tolerancia 10%)
Perfil de índice de refracción parabólico ó gradua.l Diámetro del núcleo = 50 m (tolerancia 3 m)
Diámetro del revestimiento (manto) = 125m (tolerancia 3 m) Error de concentricidad del núcleo = 6%
Error de circularidad del revestimiento (manto) = 2% Atenuación de 2 a 4 dB/Km en 850 nm
Atenuación de 0.5 a 2 dB/Km en 1300 nm Ancho de banda de 200 a 1000 Mhz en 850 nm Ancho de banda de 200 a 2000 Mhz en 1300 nm
CCITT G.652. Fibras ópticas monomodo optimizada para 1300 nm Longitud de onda de corte = 1,18 a 1,27 m
Diámetro del campo modal 9 a 10 m (tolerancia 10%)
Diámetro del revestimiento (manto) = 125m (tolerancia 3 m) Error de concentricidad del campo modal = 1 m
Error de circularidad del revestimiento (manto) = 2% Atenuación de 0.4 a 1 dB/Km en 1300 nm
Atenuación de 0.25 a 0.5 dB/Km en 1550 nm
Dispersión cromática 1285-1330 nm de 3.5 ps/Km* nm Dispersión cromática 1270-1340 nm de 6 ps/Km* nm
CCITT G.652. Fibras ópticas dispersión desplazada para 1550 nm Diámetro del campo modal 7 a 8.3 m (tolerancia 10%)
Diámetro del revestimiento (manto) = 125m (tolerancia 3 m) Error de concentricidad del campo modal = 1 m
Error de circularidad del revestimiento (manto) = 2% Atenuación inferior a 0.25 – 0.5 dB/Km en 1550 nm Dispersión cromática 1525-1575 nm de 3.5 ps/Km* nm
II. COMPOSICIÓN Y TIPOS DE CABLES DE F.O
2.1 Fabricación de la Fibra Optica
Las fibras ópticas de calidad se fabrican con dióxido de silicio (SiO2) y diversos óxidos dopantes (B2O3 , P2O5 , GeO2 , Cl4Si , Cl4Ge). El Boro y el Flúor aumentan el índice de refracción, por lo tanto son colocados en el núcleo, y el Germanio y Fósforo disminuyen el índice de refracción y son colocados en el manto. Las fibras ópticas se fabrican a partir de un cilindro de varios milímetros de diámetro llamado PREFORMA, compuesto de Silicio y dopantes en proporciones que varían desde su centro al exterior, de forma que el índice de refracción resultante disminuye del centro al exterior, formando una fibra a escala.
La PREFORMA es el cilindro macizo de SiO2 dopado que sirve como materia prima para la elaboración de la fibra óptica. La técnica general de fabricación de preformas consiste en formar vapores de los distintos componentes de Si y los dopantes, y hacerlos reaccionar formando una capa de material cristalino, así se depositan sucesivas capas con distintas composiciones consiguiéndose el perfil de índice adecuado para la fibra.
Una vez obtenida la preforma, ésta se caliente en un horno y se estira a través de un sistema automático computarizado hasta conseguir el diámetro adecuado (125 m). La
Figura 2.1: Fabricación de Fibras Opticas.
H
PREFORMA
HORNO 2000ªC
MEDIDA DEL DIAMETRO
CRISOL PARA APLICAR ACRILATO
HORNO PARA APLICAR ACRILATO FIBRA OPTICA
CARRETE DE FIBRA OPTICA
fibra óptica finalmente obtenida conserva a escala las variaciones del índice de refracción de la preforma.
Existen varios tipos de fabricación de fibra óptica, destacándose entre estos:
M.C.D.V. (Modified Chemical Vapor Deposition), AT&T.
V.A.D. (Vapor Axial Deposition), Japón.
O.V.D. (Outside Vapor Deposition), CORNING.
P.C.V.D. (Plasma Chemical Vapor Deposition), Philips.
V.A.D.
Figura 2.2: Producción de la Preforma y Fabricación de Fibras Opticas.
2.2 Tipos de Diámetros de la Fibra Optica
En una fibra óptica el núcleo y el manto (revestimiento) están formados normalmente por dióxido de silicio acompañado con aleaciones de otros compuestos, mientras que el recubrimiento está formado generalmente por una capa de acrilato.
La composición de las capas del núcleo y el manto difieren en pequeñas cantidades de materiales como por ejemplo: Boro, Germanio, entre otros, que son añadidas durante el proceso de fabricación. Estos componentes alteran las características del índice de refracción en cada capa, permitiendo que se cumplan las propiedades físicas que hacen posible que las señales se propaguen solamente por el interior del núcleo.
Las fibras ópticas que se comercializan en el mercado de las telecomunicaciones se pueden agrupar en 5 categorías de acuerdo a los diámetros del núcleo y manto, tal como se muestra en la siguiente tabla:
Núcleo Manto Recubrimiento Tubo o protección
II 8 a 10 125 250 900 ó 2.000
III 50 125 250 900 ó 2.000
IIII 62,5 125 250 900 ó 2.000
IIV 85 125 250 ó 500 900 ó 2.000
VV 100 140 250 ó 500 900 ó 2.000
TABLA 2.1: Diámetros comunes de una F.O. en [m]
El tamaño de la fibra se especifica en el formato núcleo/manto. Por ejemplo, una fibra 62,5/125 significa que la fibra tiene un diámetro del núcleo de 62,5 m y un diámetro del manto de 125 m.
I. Núcleo: 8 a 10/125 [m]
Utilizado en fibra monomodo que puede propagar una mayor tasa de datos con bajas atenuaciones de transmisión. Debido al pequeño tamaño de su núcleo, el equipamiento óptico utiliza conectores de mayor precisión y fuente láser, aumentando los costos del equipamiento.
II. Núcleo: 50/125 [m]
Fue la primera fibra de telecomunicaciones en venderse en grandes cantidades y es bastante corriente hoy en día en fibras multimodo. Su pequeña NA y tamaño del núcleo hacen que la potencia de la fuente acoplada a la fibra sea la menor de todas las fibras multimodo, pero a su vez es la que tiene el mayor ancho de banda potencial.
III. Núcleo: 62,5/125 [m]
Es la fibra multimodo más popular y se está convirtiendo en estándar para muchas aplicaciones. Esta fibra tiene un ancho de banda potencial menor que la fibra 50/125, pero es menos susceptible a las pérdidas por microcurvaturas. Su mayor NA y mayor
diámetro del núcleo proporcionan un acoplamiento de luz ligeramente mayor que la fibra 50/125.
IV. Núcleo: 85/125 [m]
Es una fibra muy popular en Europa, tiene una buena capacidad para acoplar la luz, similar ala del núcleo de 100 m y utiliza el manto de diámetro de 125 m. Esto permite la utilización de conectores y empalmes estándares de 125 m con esta fibra.
V. Núcleo: 100/125 [m]
El diámetro del núcleo la convierte en la fibra más fácil de conectar. Es menos sensible a las tolerancias del conector y a la acumulación de suciedad en los conectores. Acopla la mayor cantidad de luz de la fuente, pero tiene un ancho de banda potencial más bajo que el de otras fibras multimodo con diámetros más pequeños. No es muy común y difícil de obtener.
A continuación se dan a conocer las características principales de cada una de las categorías:
Núcleo NA Pérdidas Ancho de Banda Long. de onda
I 8 a 10 La más pequeña La más baja El mayor 1350 ó 1550 II 50 Más pequeña Más bajas Más grande 850 ó 1310
III 62,5 Media Bajas Medio 850 ó 1310
IV 85 Grande Altas Más pequeño 850 ó 1310
V 100 La más grande Más altas El más pequeño 850 ó 1310
TABLA 2.2: Características de la F.O.
Existen otros tipos de fibra con diámetro de núcleos mayores, pero son menos comunes y sus aplicaciones están limitadas.
2.3 Tipos de Estructuras de Cables de Fibra Optica
El cable de fibra óptica se encuentra disponible en dos construcciones básicas: cable de
CABLES DE ESTRUCTURA HOLGADA (Loose Tube)
El cable de fibra óptica de estructura holgada consta de varios tubos de fibra rodeando un miembro central de refuerzo y rodeado de una cubierta protectora
Figura 2.3: Cable de Estructura Holgada.
Cada tubo de 2 a 3 milímetros de diámetro lleva varias fibras óptica que descansan holgadamente en él. Los tubos pueden ser huecos o estar llenos de un gel resistente al agua que impide que ésta entre en la fibra. De esta forma, el tubo holgado aisla la fibra de las fuerzas mecánicas exteriores que se ejerzan sobre el cable.
Las fibras dentro del tubo son ligeramente más largas que el propio cable, por lo que éste se puede elongar bajo cargas de tensión, sin aplicar tensión a la fibra.
Cada tubo está coloreado y cada fibra individual en el tubo está coloreada para hacer más fácil la identificación.
El centro del cable contiene un elemento de refuerzo que puede ser acero, kevlar o material similar. Este miembro proporciona al cable refuerzo y soporte durante las operaciones de tendido, así como en las posiciones de instalación permanente. Debería amarrarse siempre con seguridad a la polea de tendido durante las operaciones de tendido del cable y a los anclajes apropiados que hay en cajas de empalmes o patch panel. Los cables de estructura holgada se usan en la mayoría de las instalaciones
exteriores, incluyendo aplicaciones aéreas en tubos o conductos y en instalaciones directamente enterradas.
Este tipo de cable no es muy adecuado para instalaciones en recorridos muy verticales, porque existe la posibilidad que el gel interno fluya o que las fibras se muevan.
CABLES DE ESTRUCTURA AJUSTADA (Tight Buffer)
El cable de fibra óptica de estructura ajustada consta de varios fibras con protección secundaria que rodean un miembro central de tracción y todo ello cubierto de una protección exterior. La protección secundaria de la fibra consiste en una cubierta plástica de 900 m de diámetro que rodea el recubrimiento de 250 m de la fibra óptica.
Figura 2.4: Cable de Estructura Ajustada.
La protección secundaria proporciona a cada fibra individual una protección adicional frente al entorno, así como un soporte físico. Debido al diseño ajustado del cable, es más sensible a las cargas de estiramiento o tracción y puede verse incrementadas las pérdidas por microcurvaturas.
Por una parte, un cable de estructura ajustada es más flexible y tiene un radio de curvatura más pequeño que el que tienen los cables de estructura holgada.
Es un cable diseñado para instalaciones en interiores. También se puede instalar en tendidos verticales más elevados que los cables de estructura holgada, debido al soporte individual de que dispone cada fibra. Es de diámetro mayor y generalmente más caro que un cable similar de estructura holgada con la misma cantidad de fibras.
TIPOS ESPECÍFICOS DE CABLES DE F.O.
A continuación se muestran las principales características de los cables de mayor uso en fibra óptica:
1.- Cable de Fibra Optica Figura 8 ó Autosoportado
El cable de Figura 8, es un cable de estructura holgada acompañado de un cable mensajero adosado. El cable mensajero es el miembro soporte que se utiliza para instalaciones aéreas. Es generalmente un cable de acero para alta tracción con un diámetro comprendido entre 1/4” y 5/8”. El cable de Figura 8, se denomina así porque su sección transversal se asemeja al Nº8. Se usa en instalaciones aéreas y elimina la necesidad de atar el cable a un fiador preinstalado. Con un cable de Figura 8, la instalación aérea de un cable de fibra óptica es mucho más fácil y rápida
El cable mensajero se encuentra disponible en acero para alta tracción o en un material dieléctrico cuando el cable se instale cerca de líneas de alta tensión.
2.- Cable de Fibra Optica Blindado ó con Armadura
El cable de Figura 8, es un cable de estructura holgada acompañado de un cable mensajero adosado. El cable mensajero es el miembro soporte que se utiliza para instalaciones aéreas. Es generalmente un cable de acero para alta tracción con un diámetro comprendido entre 1/4” y 5/8”. El cable de Figura 8, se denomina así porque su sección transversal se asemeja al Nº8. Se usa en instalaciones aéreas y elimina la necesidad de atar el cable a un fiador preinstalado. Con un cable de Figura 8, la instalación aérea de un cable de fibra óptica es mucho más fácil y rápida
Los cables blindados tienen una coraza protectora o armadura de acero debajo de la cubierta de polietileno. Esto proporciona al cable una resistencia excelente al aplastamiento y propiedades de protección frente a roedores. Se usa frecuentemente en aplicaciones de enterramiento directo o canalización subterránea. El cable se encuentra disponible en estructuras holagadas o ajustadas.
El cable blindado también se puede encontrar disponible con un recubrimiento protector de doble coraza para añadir protección en entornos agresivos. La coraza de acero del cable debería llevarse a tierra en todos los puntos terminales y en todas las entradas a los edificios.
3.- Cable de Fibra Optica Aéreo Autosoportante (ADSS)
Es un cable de estructura holgada autosoportado totalmente dieléctrico (ADSS), diseñado para instalalarse a lo largo de líneas eléctricas de transmisión y distribución, diseñado para ser utilizado en estructuras aéreas. No requiere de un fiador como soporte. Para asegurar el cable directamente a la estructura del poste, se utilizan abrazaderas especiales. El cable se sitúa bajo tensión mecánica a lo largo del tendido.
4.- Cable de Fibra Optica Submarino
Es un cable de estructura holgada diseñado para permanecer sumergido en el agua. Actualmente, todos los continentes están conectados por cables sumarinos de fibra óptica transoceánicos.
5.- Cable de Fibra Optica Compuesto Tierra – Optico (OPGW)
Es un cable de tierra que tiene fibras ópticas insertadas dentro de un tubo en el núcleo central del cable. Las fibras ópticas están completamente protegidas y rodeadas por pesados cables a tierra. Es utilizado para suministrar comunicaciones, a través de los cables de guardia de las torres de alta tensión.
6.- Cable de Fibra Optica de Distribución
Es un cable de estructura ajustada usado en aplicaciones de sistema troncal, LAN y donde se requieran cables de tamaño pequeño y peso liviano. Utilizado tanto en planta externa como en cableado vertical al interior de edificios.
7.- Cable de Fibra Optica de Breakout
El Es un cable de estructura ajustada con una pequeña cantidad de fibras y diseñado para una conectorización directa y fácil. Se usa fundamentalmente para aplicaciones en interiores, tales como redes LAN.
8.- Cable de Fibra Optica SkyWrap
Es un cable de fibra óptica de instalación helicoidal, diseñado para montaje en cables de guardia o conductores de fase existentes. Se utiliza una máquina embobinadora espiral, de diseño exclusivo, para instalar el cable bajo condiciones controladas. Este cable está diseñado para ambientes de alto voltaje y ofrece un enlace completo de comunicaciones a un costo instalado relativamente bajo.
Figura 2.5: Variedad de Cables de Fibra Optica.
2.4 Composición del Cable de Fibra Optica
Los cables de fibra óptica se fabrican con diversos materiales para adecuarse al entorno de instalación.
Los cables de exteriores deben ser fuertes, a prueba de intemperie y resistentes a los rayos ultravioleta. El cable debe resistir las variaciones máximas de temperatura que se pueden dar durante el proceso de instalación y a lo largo de su vida útil. A menudo, un cable se especifica con 2 rangos de temperatura. Un rango especifica las temperaturas de instalación y manejo del cable y el otro rango indica el máximo rango de temperatura del cable después que se encuentre instalado y se halle en su posición estática final. Los cables de interiores deberán ser fuertes, flexibles y con el grado requerido de resistencia al fuego (ignífugo) o de emisión de humos.
Algunos de los materiales más usados en la composición de un cable son:
POLIETILENO: Se utiliza para la cubierta de protección del cable común en
instalaciones en exteriores. La cubierta de tipo negro es resistente a la intemperie y humedad. Es un buen aislante y posee características dieléctricas estables.
CLORURO DE POLIVINILO (PVC): Las cubiertas de PVC ofrecen resistencia a los
efectos medioambientales. Es un buen retardador del fuego y se puede encontrar en instalaciones de interior y exterior. El PVC es menos flexible que el Polietileno y más caro.
POLIURETANO: Material común en la cubierta de cables. Muchas composiciones
tienen buenas propiedades de resistencia al fuego y es más duro y ligero que otros materiales.
HIDROCARBUROS POLIFLUORADOS (FLUOROPOLÍMEROS): Su utilización
en la cubierta de cables ofrece buenas propiedades de resistencia al fuego, poca emisión de humos y buena flexibilidad. Muy usado en instalaciones en interiores.
LSZH (Low Smoke Zero Halogen): Su utilización en la cubierta de cables permite ser
retardante al fuego y una emisión de humo de baja toxicidad.
KEVLAR: Es un material ligero que se encuentra justo por dentro de la cubierta del
cable rodeando a las fibras, y que se puede utilizar como miembro central de refuerzo. El material es fuerte y se utiliza para proteger los tubos o fibras individuales en el cable. KEVLAR es una marca particular de cabos de aramida que es capaz de soportar un esfuerzo mecánico muy grande. Los cables de fibra óptica que deben resistir tensiones de estiramiento o tracción elevadas utilizan a menudo kevlar como miembro central de refuerzo.
CORAZA DE ACERO: La cubierta de coraza o armadura de acero se utiliza tanto en
instalaciones interiores como exteriores. Cuando se utiliza en un cable enterrado, proporciona una resistencia excelente a la compresión y es el único material a prueba de roedores. Los cables con coraza de acero se deben llevar a tierra para evitar posibles inducciones electromagnéticas.
HILO DE RASGADO: Es un hilo muy fino y fuerte que se encuentra justo por debajo
de la cubierta del cable. Se usa para rasgar fácilmente la cubierta del cable sin dañar el interior.
MIEMBRO CENTRAL: Se utiliza para proporcionar fuerza y soporte al cable.
Durante las operaciones de tendido del cable, se debe asegurar al orificio de tracción. Para instalaciones permanentes, se debe atar al anclaje que hay para tal contenido en la caja de empalmes o en el patch panels.
RELLENO INSTERTICIAL: Substancia gelatinosa que se encuentra en los cables de
estructura holgada. Llena la protección secundaria y los insterticios del cable haciendo que éste sea impermeable al agua.
A modo de ejemplo a continuación se muestra una hoja de datos de un cable de fibra óptica figura 8.
2.5 Factores Externos que influyen en el Deterioro de los Cables de Fibra Optica
Los cables de fibra óptica pueden dañarse debido a factores externos naturales o artificiales, es por ello que un buen diseño de enlace de fibra óptica involucra conocer en detalle las características del lugar dónde se instalará el cable.
Factores Externos Naturales
- Temperatura: Las bajas temperaturas provocan una congelación de cables en exteriores deteriorando características físicas del cable y las variaciones fuertes de temperatura pueden provocar contracción y rotura del cable.
- Humedad, Nieve, Hielo y Lluvia: Puede provocar deterioro de las características físicas de la fibra óptica, corrosión electrolítica en cables de fibra cercanos a líneas energizadas y ruptura dieléctrica en el cable perforando la cubierta y dañando la fibra óptica.
- Efecto Solar: Provoca desvanecimiento y degradación de los cables por los rayos ultravioleta (U.V.) que inciden en la cubierta.
- Viento, Rayos, Terremotos, Animales: Pueden provocar deterioro de cubiertas y empalmes debido a vibraciones, tensiones mecánicas y eléctricas.
Factores Externos Artificiales
- Humo y Fugas de gas: Dañan la cubierta de los cables provocando corrosión y filtraciones.
- Autos y Camiones: Provocan deterioro del cable y empalmes por vibraciones y tensiones mecánicas.
- Líneas energizadas: Provocan corrosión electrolítica en los cables.
III. EQUIPAMIENTO Y ACCESORIOS OPTICOS TEORÍA 3.1 Principales Tipos de Conectores para Fibra optica
A continuación se resumen las características de los principales tipos de conectores utilizador :
- Conector ST: Conector que utiliza un sistema de cierre tipo bayoneta con ferrule generalmente cerámico. Conector utilizado principalmente en instalaciones interiores.
- Conector SC: Conector tipo push–on/pull-off (sistema de bloqueo mediante presión) recomendado por la norma ANSI/TIA/EIA 568-A.
- Conector FC: Conector que utiliza un sistema de cierre tipo rosca. Es utilizado principalmente en instalaciones en exteriores con fibra monomodo.
- Conector MT-RJ: Conector que posee similares características e iguales dimensiones que un conector RJ, lo cuál lo hace compatible con las dimensiones de los adaptadores RJ y están pensados para proporcionar fibra óptica al escritorio. - Conector LC: Conector de formato pequeño utilizado para aplicaciones DWDM y
GigabitEthernet. Pérdidas ST M S FC M S(PC) S(APC) SC M S(PC) S(APC) Pérdidas de Inserción [dB] < 0.5 < 0.3 < 0.7 < 0.5 < 0.5 < 0.4 < 0.4 < 0.4 Pérdidas de Retorno [dBm] - < -30 - < -30 < -60 - < -40 < -60 TABLA 3.1: Pérdidas de Inserción y Reflexión.
M: Conector para fibras multimodo. S: Conector para fibras monomodo.
S(PC): Conector de pulido de superficie física de contacto (Physical Contact) para fibras monomodo. S(APC): Conector de pulido en ángulo físico de contacto (Angle Physical Contact) para fibras monomodo.
FC ST SC
MT-RJ Figura 3.1: Principales Tipos de Conectores de Fibra Optica.
3.2 Normas para el Hardware utilizado en el Cableado por Fibra Optica
(Anexo ANSI/TIA/EIA – 568 A)
Esta norma especifica los requerimientos mínimos y recomendaciones para conectores, adaptadores y hardware de conección de fibra óptica monomodo y multimodo 62.5/125m, para cableado horizontal y vertical (backbone). A continuación se entrega un resumen de los requerimientos que especifica la norma:
- El conector y adaptador deben ser capaces de soportar conecciones de fibra óptica simplex o duplex. El conector simplex o duplex y adaptador recomendado por esta norma es el SC.
- Los conectores y adaptadores SC para fibra óptica 62.5/125m y monomodo debe ser de las mismas dimensiones, sin embargo el color utilizado para fibra óptica 62.5/125m es beige y para fibra óptica monomodo azul, con el fin de poder distinguirlos a simple vista.
- Se recomienda tener mucho cuidado con no cambiar la polaridad (Tx-Rx) al conectar conectores con adaptadores, manteniendo la dirección de transmisión y evitando cruzar las transmisiones de recepción y emisión. Para ello se recomienda utilizar etiquetas de Tx y Rx en conectores y adaptadores para evitar los cruces. - El conector SC debe tener una atenuación máxima de 0.5 dB, el par de conectores
SC para Tx y Rx debe tener una atenuación máxima de 0.75 dB y la atenuación óptica para jumpers duplex y patch panel debe tener una atenuación máxima de 1.5 dB. Mediciones realizadas a 23 ºC 5 ºC.
- El conector SC debe tener una pérdida de retorno <= -20 dBm en fibra óptica 62.5/125m y una pérdida de retorno <= -26 dBm para fibra óptica monomodo. Mediciones realizadas a 23 ºC 5 ºC.
- Las cajas de terminación al usuario deben seguir con las normas para conectores y adaptadores anteriormente mencionadas y en cada caja de conexión para fibra óptica debe asegurar como mínimo un radio de curvatura de 30mm y 1mt de fibra óptica duplex al interior de la caja de terminación para asegurar futuras ampliaciones. - El hardware de conexión de fibra óptica debe estar diseñado para suministrar
flexibilidad para el montaje en murallas, racks u otro tipo de hardware de distribución.
3.3 Tipos de Empalmes Mecánicos para Fibra Optica Preparación de empalme mecánico
1.- Pelar las dos fibras ópticas a empalmar con herramienta adecuada, limpiar cada una con alcohol isopropílico.
2.- Introducir fibra óptica en un extremo del empalme hasta sentir el tope y girarlo para cerrar un costado del empalme.
3.- Introducir fibra óptica en el otro extremo del empalme hasta sentir el tope y girarlo para cerrar un costado del empalme.
Nota: Dentro del empalme mecánico existe un gel óptico con un índice de refracción
similar al del núcleo de la fibra lo que permite que las pérdidas de reflexión se vean disminuidas.
Figura 3.2: Tipos de Empalmes Mecánicos.
3.4 Empalmes por Fusión
Pérdidas y Precauciones de un empalme por fusión
Los factores principales que generan pérdidas en un empalme son: - Desalineación axial-lateral de los núcleos de las fibras.
- Separación en la unión de las fibras generando burbujas de aire. - Desalineación axial-angular de los núcleos de las fibras.
- Diferencia en el diámetro de los núcleos. - Diferencia en el índice de refracción.
- Diferencia en la excentricidad y ovalidad de los núcleos de las fibras.
Figura 3.3: Factores de pérdida en un Empalme por Fusión.
3.5 Tipos de Mufas
Las mufas (instalación exteriores) o cajas de empalme (instalación interiores) son muy utilizadas básicamente en la instalación de fibra óptica para:
- Cambio del tipo de cable de fibra óptica. - Derivación hacia una zona de rack y edificio.
- Derivación de cable externo que llega a un edificio a cable interno para conexión de equipos.
- Falla del cable y reparación.
Las mufas o cajas de empalme nos permiten:
- Proteger los empalmes de fibra óptica del medio ambiente y factores externos. - Organizar los empalmes de fibra óptica.
- Proveer de continuidad eléctrica y conexión a tierra dónde se requiera.
3.6
Equipos Opticos para Redes de Datos Emisores y Receptores ópticosLas fuentes ópticas se precisan para convertir las señales eléctricas en ópticas y actúan como transductores electro-ópticos en los extremos de transmisión. Las fuentes ópticas han de ser pequeñas y de bajo consumo pero capaces de ser moduladas a altas velocidades y de buena estabilidad con la temperatura, alta pureza espectral y capaces de generar la mayor potencia posible. Las fuentes más comúnmente utilizadas son el LED, VCSEL y el LASER. Las diferencias más significativas son las siguientes:
- LED: es un emisor de baja potencia y precio relativamente económico que se utiliza para cortas y medias distancias. En general, se utiliza en primera ventana (850nm) y segunda ventana (1310 nm) en fibras multimodo.
- VCSEL: es un LED mejorado, cuya potencia es mayor que la de un LED y un precio relativamente más económico que un LASER. En general, se utiliza en primera ventana (850nm) y segunda ventana (1310 nm) en fibras multimodo.
- LASER: es un dispositivo de alta potencia y por tanto utilizado para grandes distancias, además de tener un precio más elevado que el del LED. Su aplicación se centra en segunda ventana (1310 nm) y tercera ventana (1310 nm) en fibras monomodo.
El detector óptico se encarga de convertir la señal óptica en eléctrica y por tanto actúa como un transductor óptico-eléctrico. Estos dispositivos absorben los fotones (luz) procedentes de la fibra óptica y generan una corriente eléctrica sobre un circuito exterior. Existen básicamente dos tipos de detectores: PIN y APD.
- PIN: se trata de una versión mejorada de una unión PN elemental que trabaja polarizado en inversa. Son utilizados de forma general en 850 nm y 1300 nm, con independencia del tipo de fibra óptica.
- APD: También conocido por el nombre de fotodiodo de avalancha. Se trata de una unión PN polarizada fuertemente en inversa cerca de la región de ruptura que origina un efecto multiplicativo de la corriente generada. Su utilización es escasa debido a las elevadas tensiones de polarización (centenares de voltios) que lo hacen desaconsejable.
EQUIPOS OPTICOS DE RED
- Amplificadores Opticos: Este equipo permite amplificar la señal que llega atenuada para poder llegar al receptor con una sensibilidad óptica que permita reconstruir totalmente la señal. (Ej: Erbium y Raman)
- Repetidores o Regeneradores Opticos: Este equipo permite reconstruir una señal o hacer una copia aproximada de la señal que llega para poder llegar al receptor con una sensibilidad óptica que permita reconstruir totalmente la señal, evitando realizar amplificaciones que en muchas ocasiones amplifican ruidos extraños a la señal.
- Splitter: Es un equipo divisor de potencia óptica. (Balanceado y Desbalanceado)
- Atenuadores Opticos: Es un equipo pasivo que
permite introducir pérdidas ópticas al enlace con el fin de atenuar la potencia óptica que llega al extremo receptor. Pueden haber atenuadores fijos o variables
- Multiplexores: Es un equipo que posee entradas de par trenzado o cable coaxial, las señales eléctricas interiormente son convertidas a señales ópticas para realizar la multiplexión/demultiplexación de las señales y sacar una salida óptica.
- DWDM / WDM : WDM es un equipo multiplexor con entradas y salidas ópticas que permite multiplexar las señales ópticas de acuerdo a su longitud de onda. Este equipo permite aumentar el ancho de banda de los enlaces de fibra óptica ya existentes sin tener que modificarlos alcanzando transmisiones de 2.5 Gbps a 10 Gbps, Los sistemas de multiplexación óptica son denominados DWDM que pueden alcanzar velocidades de 40 a 80 Gbps a distancia de 500Km sin repetidores.
- Modem Optico: Es un equipo que permite mandar la señal óptica modulada en algún tipo de modulación conocido para alcanzar mayores distancias y velocidades de transmisión sin repetidor que un transceiver standard.
- Switch Optico: Es un equipo que permite conmutar entradas y salidas de señales ópticas a grandes velocidades.
IV. NORMAS Y CRITERIOS DE INSTALACIÓN DE CABLES DE F.O. EN INTERIORES
4.1 Procedimiento de Instalación de Cables en Interiores
A continuación se dan a conocer los pasos y criterios más importantes para las instalaciones de cables de F.O. al interior de un edificio:
1.- Recoger los requerimientos y necesidades del cliente con el fin de poder diseñar un enlace de fibra óptica, realizando cálculos teóricos de atenuación mínima que garanticen la transmisión de datos.
Es importante conocer los siguientes requerimientos técnicos:
- Distancia del enlace de fibra óptica, para saber la cantidad de fibra óptica a utilizar. - Topología de red y protocolo de comunicación de redes LAN, con el objetivo
dimensionar y especificar los equipos ópticos a utilizar.
2.- Realizar un levantamiento en terreno del lugar y revisar los planos de instalación del edificio. Es importante conocer distancias principales, tales como: distancia entre piso y piso, largo y ancho del shaft, caja de empalme con respecto al rack instalado en la sala de equipos, distancia del rack con la red ó equipos, etc., todo esto con el fin de detectar los puntos críticos del enlace y trazar la ruta óptima.
3.- Identificar y abrir todas las cajas de distribución, conductos y bandejas de cables, y asegurarse de que no están obstruidas y de que cumplen todos los requerimientos técnicos especificados por el fabricante del cable de fibra óptica.
Los cables de F.O. se pueden instalar en un conducto existente en el edificio (shaft) ó en una red de bandejas de cables. En zonas congestionadas, puede ser apropiada la utilización de un conducto ó una bandeja dedicada exclusivamente al cable. Para aquellas situaciones en las cuales los conductos no son prácticos, se pueden instalar en su lugar cables de F.O. con armadura e ignífugos. La armadura proporciona al cable una resistencia buena al aplastamiento y se elimina el costo de instalar conductos o bandejas de cables.
Si se va a instalar el cable de fibra óptica en conductos ó en bandejas de cables que contienen otros cables, deberían identificarse los cables existentes e informar de la instalación. Se debería identificar todo lo que concierne a seguridad.
Los conductos y bandejas de cables deben cumplir todas las restricciones mecánicas impuestas por el cable de F.O., si se va a tender un cable dentro de un conducto ó una bandeja, el radio de curvatura del conducto debe ser mayor que el radio de curvatura mínimo del cable en condiciones de carga. Si se van a apilar otros cables sobre uno de F.O., deberá utilizarse un cable armado de alta resistencia al aplastamiento.
Figura 4.1: Ruta del cable de fibra óptica.
4.- Una vez realizado el levantamiento del lugar y se tiene claro lo que desea el cliente se debe trabajar en los siguientes puntos:
- Diseño de enlaces (Cálculo de Atenuaciones y Ancho de Banda) - Diseño de pauta de trabajo.
- Plano de instalación del enlace.
- Cotización de materiales, mano de obra y equipamiento óptico - Carta Gantt.
- Informe Técnico, que da a conocer el equipamiento involucrado y su implementación.