Hoy en día, los cables de fibra óptica se utilizan ampliamente para transmitir datos. Han sustituido por completo a las tradicionales líneas de comunicación metálicas en algunos campos de la informática. Los cables de fibra óptica son especialmente eficaces en aplicaciones en las que hay que transmitir grandes cantidades de datos a largas distancias.
Contenido
Bases físicas de la fibra óptica
Las fibras ópticas se basan en el principio físico de la reflexión total. Si tomamos dos medios con diferentes índices de refracción n1 y n2donde n2< n1 (por ejemplo, aire y vidrio o vidrio y plástico transparente) y proyectar un haz de luz con un ángulo α sobre la interfaz, se producirán dos acontecimientos.
El rayo (marcado en rojo en la figura), proyectado desde arriba a la izquierda (flecha) se refractará parcialmente y se desplazará por el medio con índice de refracción n2 con un ángulo α1<α - esta parte del rayo se indica con la línea discontinua. La otra parte del rayo se reflejará en la interfaz con el mismo ángulo. Si dejamos que el rayo caiga con un ángulo β más lento (el rayo verde de la figura), ocurrirá lo mismo: reflexión y refracción parcial con un ángulo β1.
Si el ángulo de incidencia α se reduce aún más (rayo azul en la figura), entonces la parte refractada del rayo se "deslizará" casi paralela a la interfaz (línea discontinua azul). Una nueva disminución del ángulo de incidencia (haz verde que incide en un ángulo β) provocará un salto cualitativo: la parte refractada estará ausente. El rayo se reflejará completamente en la interfaz entre los dos medios. Este ángulo se denomina ángulo de reflexión total y el fenómeno se llama reflexión total. Lo mismo se observará a medida que el ángulo de incidencia disminuya más.
Construcción de una fibra óptica
Las fibras ópticas se basan en este principio. Consta de dos capas coaxiales de diferente densidad óptica.
Si un haz de luz entra en el extremo abierto de una fibra con un ángulo mayor que el ángulo de reflexión de la luz, se reflejará completamente en la superficie de contacto de dos medios con índices de refracción diferentes, con poca atenuación en cada "salto".
La parte exterior de la fibra óptica es de plástico. El interior también puede ser de plástico transparente, entonces se puede doblar en ángulos bastante grandes (incluso enrollarlo en forma de anillo, y la luz que entra seguirá pasando de un extremo a otro con atenuación, dependiendo de las propiedades ópticas del plástico y de la longitud de la guía de luz). Para los cables de larga distancia, donde la flexibilidad no es tan importante, el núcleo interno suele ser de vidrio. Esto reduce la atenuación y el coste de la fibra óptica, pero se vuelve sensible a la flexión.
Para aumentar la capacidad de una línea óptica, la fibra está disponible en versión bimodal o multimodo. Para ello, la sección transversal del núcleo se aumenta a 50 µm o 62,5 µm (frente a los 10 µm del monomodo). A través de esta fibra óptica se pueden transmitir dos o más señales simultáneamente.
Esta línea de transmisión óptica tiene ciertas desventajas. Una de ellas es la dispersión de la luz causada por el diferente recorrido de cada señal. Han aprendido a combatirlo fabricando un núcleo con un índice de refracción gradiente (que cambia del centro a los bordes). Esto corrige las trayectorias de los diferentes haces.
Los cables de fibra óptica multimodo se utilizan sobre todo para redes de área local (dentro de un edificio, empresa, etc.) y los cables de fibra óptica monomodo se utilizan para líneas de transmisión de larga distancia.
Diseño de una línea de fibra óptica
Los cables de fibra óptica transportan una señal luminosa producida por un LED o un láser. Se genera una señal eléctrica en la unidad de transmisión. El dispositivo final también necesita la señal en forma de impulsos eléctricos. Por lo tanto, será necesario convertir los datos brutos dos veces. En la figura se muestra un diagrama simplificado de una línea de fibra óptica.
La señal del dispositivo transmisor se convierte en pulsos de luz y se transmite por la línea óptica. La potencia de los emisores en el lado emisor es limitada, por lo que los dispositivos que compensan la atenuación -amplificadores ópticos, regeneradores o repetidores- se colocan a determinados intervalos en las líneas largas. En el lado receptor hay otro convertidor que transforma la señal óptica en una señal eléctrica.
Construcción de cables ópticos
Las fibras individuales se utilizan como parte de un cable óptico para crear una línea de fibra óptica. Su construcción depende de la finalidad de la línea de transmisión y del método de tendido, pero en general contiene varias fibras con un revestimiento protector individual (contra arañazos y daños mecánicos). Esta protección suele hacerse en dos capas: primero una vaina de compuesto y luego una capa adicional de plástico o barniz encima. Las fibras están encerradas en una cubierta común (similar a la de los cables eléctricos convencionales), que determina la aplicación del cable y se selecciona en función de las influencias externas a las que estará expuesta la línea durante su funcionamiento.
Cuando se instala en bandejas de cables existe el problema de la protección de las líneas contra los roedores. En este caso es necesario elegir un cable con cubierta exterior reforzada con cinta de acero o armadura de alambre. Las fibras de vidrio también se utilizan como protección contra los daños.
Si el cable se tiende en una tubería, no es necesario el revestimiento reforzado. El tubo metálico protege de forma fiable contra los dientes de ratones y ratas. La funda exterior puede hacerse más ligera. De este modo, es más fácil tirar del cable dentro de la tubería.
Si la línea se va a tender en el suelo, la protección es en forma de armadura de alambre protegida contra la corrosión o barras de fibra de vidrio. Esto proporciona una alta resistencia no sólo a la compresión sino también a la tracción.
Si el cable debe instalarse en zonas marítimas, sobre ríos u otros obstáculos de agua, en terrenos pantanosos, etc., se utiliza una protección adicional con cinta de alu-polímero. De este modo, el cable queda protegido contra la penetración del agua.
Muchos cables también contienen dentro de su cubierta común:
- Varillas de refuerzo que sirven para dar mayor resistencia a la estructura cuando está expuesta a tensiones mecánicas externas y cuando la línea se alarga térmicamente
- Rellenos: filamentos de plástico que rellenan los espacios vacíos entre las fibras y otros elementos
- varillas de potencia (su propósito es aumentar la carga de tracción).
En los tramos largos, la línea está suspendida en un cable, pero hay cables autoportantes. El cable metálico de soporte está integrado directamente en la funda.
Como un tipo distinto de línea de fibra óptica debemos mencionar el cable de parche óptico. Este cable contiene una o dos fibras (monomodo o bimodal) encerradas en una cubierta común. Ambos lados del cable están provistos de conectores para su conexión. Estos cables son muy cortos y se utilizan para conectar equipos en distancias cortas o para el cableado dentro del armario.
Ventajas e inconvenientes de los cables ópticos
Entre las indudables ventajas de los cables de fibra óptica que han llevado a su uso generalizado se encuentran:
- alta inmunidad a las interferencias: la señal luminosa no se ve afectada por la radiación electromagnética doméstica e industrial, y la propia línea no emite ninguna radiación (esto dificulta el acceso no autorizado a la información transmitida y no crea problemas de compatibilidad electromagnética);
- aislamiento galvánico completo entre el lado de recepción y el de transmisión;
- baja atenuación, mucho menor que la de las líneas de cable;
- larga vida;
- alta capacidad de transmisión.
En la realidad actual, también es importante que el cable no atraiga a los ladrones de metales.
La óptica no está exenta de inconvenientes. En primer lugar, se trata de una complejidad de instalación y conexión, que requiere equipos, herramientas y materiales especiales, así como impone mayores requisitos a la cualificación del personal, que participa en la instalación y el mantenimiento de las líneas. La mayoría de los fallos en los cables de fibra óptica se deben a errores de instalación, que pueden no manifestarse inmediatamente. Al principio, el coste de la propia línea también era elevado, pero los avances tecnológicos han permitido reducir esta desventaja hasta niveles competitivos.
Las líneas ópticas han ganado una importante cuota de mercado en el mercado de las comunicaciones. No hay ninguna alternativa seria a la vista en un futuro previsible, a menos que haya un avance tecnológico.
Artículos relacionados:
