Medios de Transmisión 3. Fibra Optica La fibra óptica transporta

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Medios de Transmisión
3. Fibra Optica
La fibra óptica transporta información en forma de un haz
de luz que fluctúa en su intensidad.
Luz es una onda electromagnética que se propaga a una
frecuencia mayor que la que encontramos en los cables, ya
sea twisted pair o cable coaxial. Como la frecuencia es
mayor, la fibra óptica cuenta con un mayor ancho de banda
que el cable coaxial.
Otra ventaja de la fibra óptica es que es inmune al crosstalk
de señales eléctricas y a la interferencia de señales
eléctricas. Por eso es que se usa a lo largo de líneas de
transmisión de alto voltaje sin peligro de que le afecte la
interferencia.
Fibra óptica también se impone en ambientes de alta
seguridad pues es muy difícil hacer un tap a una fibra en
uso y que el usuario principal no lo note.
Un cable de fibra óptica está hecho de cristal o plástico y
puede operar a unas velocidades de transmisión muy por
encima de las permitidas en un cable coaxial. Como la data
es transmitida por un haz de luz, es necesario realizar la
conversión de óptica a electrónica y viceversa.
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Medios de Transmisión
photodiode
LED o laser
transmisor
fibra
receiver
Un LED o un laser hace la conversión electrico – óptico.
Un photodiode hace la conversión óptico – eléctrico.
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Fibra Optica
Ref. Practical Data Communications by Roger L. Freeman,
Wiley, 2001, ISBN 0-471-39302-9.
Una fibra óptica es una guía de onda circular muy fina,
como del grosor de un cabello humano.
Generalmente está hecha de cristal o de plástico, aunque
también se están utilizando otros materiales con
propiedades de reflejar la luz.
Ventajas de la fibra óptica:
1. Ancho de banda:
Una fibra óptica tiene una banda de operación de entre
1550 a 1635 nm de largo de onda. Como
c = 3 x 108 m/sec = f 

esto equivale a un ancho de banda de 10 T Hz. Si
consideramos que el espectro de radio tiene unos 100 GHz
de ancho de banda, entonces una fibra óptica tiene, en
principio, la capacidad de transportar 100 espectros
completos de radio.
2. La fibra óptica es liviana y pequeña en espesor.
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3. Distancia entre repetidores:
Todo proveedor de servicios de telecomunicaciones desea
contar con el menor número posible de repetidores. Cada
repetidor cuesta dinero. Además, cada repetidor requiere de
servicios de instalación y mantenimiento que cuestan
dinero.
Uno de los mayores problemas que enfrenta la transmisión
digital es la acumulación de jitter, el cual si llega a ciertos
niveles aumenta el BER, y hasta puede ocasionar reframes.
La acumulación de jitter es función del número de
repetidores conectados en serie (tandem) en un sistema de
telecomunicaciones digital.
Un sistema de fibra óptica requiere como una centésima
parte del total de repetidores en serie que requeriría un
sistema de cable coaxial.
Al tener menos repetidores se reducen los costos, se reduce
la acumulaciónd de jitter, y se mejora la calidad del
servicio.
4. Electromagnetic compatibility (EMC):
Los sistemas de fibra óptica ni irradian RF ni son afectados
por el RF. Es por esto que es común que las compañías de
electricidad utilizen sistemas de fibra óptica para transmitir
telemetría y/o señalización para controlar su red. Muchas
veces la fibra óptica es instalada en los mismos postes de
alta tensión.
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5. Crosstalk:
En los cables metálicos es común el crosstalk el cual es
causado por la inducción de voltajes. Las fibras ópticas no
tienen este problema.
6. Temperatura y humedad
Uno de los mayores enemigos de la planta externa basada
en cables metálicos es el agua y la humedad que se les
cuela, afectando así su respuesta en frecuencia. Las fibras
ópticas no tienen este problema.
7. Costo
Fibra óptica continúa abaratándose. Prueba de ello es el
creciente énfasis en sistemas de NGDLC (next generation
digital loop carrier).
8. Asignación del espectro y licencias para transmitir:
Los sistemas de microondas requieren de licencias de la
FCC para poder transmitir legalmente, y una cuidadosa
asignación de frecuencias. Los sistemas de fibra óptica no
requieren de licencia alguna.
Composición de la fibra óptica:
La siguiente figura muestra la composición típica de la
fibra óptica.
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Una fibra óptica se compone de un core central cilíndrico
con índice de refracción n1 y un cladding concéntrico con
índice de refracción n2, donde n2 < n1 .
Una capa de plástico cubre el cladding. Esta capa de
plástico en realidad no tiene ningún efecto sobre la
propagación de la luz. Sencillamente se utiliza para
proteger la fibra y para darle rigidez mecánica.
La fibra actúa como una guía de ondas circular en donde la
luz se propaga a través del core. Como el cladding tiene un
menor índice de refracción que el core, la luz se refleja en
su totalidad hacia el core y no penetra el cladding.
La ley de Snell es el principio físico que permite el
funcionamiento de la fibra óptica.
Consideremos el interfase entre el core y el cladding:
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Caso A: El ángulo de incidencia 1 es menor que el que el
ángulo crítico c.
normal
cladding
n2
core

rayo
refractado
n1

rayo
rayo
incidente
reflejado
n > n
1
2
  c
En este caso parte de la onda se refleja hacia el core y parte
se refracta hacia el cladding, apartándose de la normal (i.e.
2 > 1)
Caso B: El ángulo de incidencia 1 es igual al ángulo
crítico c.
normal
cladding
n2
core
  
rayo
refractado
n1

rayo
rayo
incidente
reflejado
n > n
1
2
  c
El rayo refractado se propaga en forma horizontal.
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Caso C: El ángulo de incidencia 1 es mayor que el ángulo
crítico c.
normal
No hay rayo
refractado.
cladding
n2
core
n1

rayo
incidente
rayo
reflejado
n > n
1
2
 > c
No hay rayo refractado. Ocurre reflexión interna total.
Según la ley de Snell,
n1 sin 1 = n2 sin 2
Cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo crítico,
1 = c
y
2 = 90 grados
Por lo tanto,
sin c = n2 / n1
Resumamos los resultados de la ley de Snell:
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Cuando el ángulo de incidencia es menor que el ángulo
crítico, casi toda la energía del haz de luz incidente se
escapa a través del cladding. En cambio, cuando el ángulo
de incidencia excede el ángulo crítico, ocurre reflexión
total interna y el haz se propaga a lo largo de la fibra óptica.
Este resultado tiene importantes repercusiones en la forma
que se acopla la salida del transmisor (i.e. un LED o un
laser) a la fibra óptica.
Sólamente aquellos rayos de luz que se encuentren dentro
de un cono de aceptación podrán propagarse a lo largo de la
fibra óptica.
El ángulo de aceptación A es el ángulo máximo medido
con respecto al eje de la fibra que permite que todo rayo
que entre a la fibra experimente total reflexión interna.
Como una medida para cuantificar el cono de aceptación o
cuánta luz es capaz de transportar la fibra óptica, se ha
definido el numerical aperture (NA) = sin A
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¿Cómo se relaciona el numerical aperture con los índices
de refracción del core y del cladding?
Para comprender dicha relación tenemos que considerar
dos interfases: del aire al core, y del core al cladding.
90 - 1
aire
core
2
2 = 90 grados
cladding
1
eje de la
fibra
A
Llamemos n0 al índice de refracción del aire, y cuyo valor
es 1.
Aplicando la Ley de Snell al primer interfase de aire al core
obtenemos
n0 sin A = n1 sin 1
Simplicando, obtenemos
sin A = n1 sin 1
NA = n1 sin 1
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Apliquemos ahora la ley de Snell al segundo interfase del
core al cladding.
n1 sin( 90 - 1 ) = n2 sin 2 = n2 sin 90o = n2
n1 cos 1 = n2
cos 1 = n2 / n1
cos2 1 = (n2 / n1)2
1 - cos2 1 = 1 - (n2 / n1)2
sin2 1 = 1 - (n2 / n1)2
sin 1 =
sin 1 =
1
- (n2 / n1)2
 (n12
NA = n1 sin 1 =
- n22) / n12
 n12
- n22