Fibra Optica

Info

Lecturas Recomendadas

• The FOA (Fiber Optic Association) (Español)
  • Cableado de Fibra Optica
• Win Blog - Que es la fibra optica

Es un filamento de vidrio de alta pureza con un diametro muy fino. Su funcion principal es transportar luz entre dos extremos, permitiendo:

• Altas velocidades de transmision (Tb/s)
• Baja Atenuacion a lo largo de grandes distancias
• Inmunidad a interferencias electromagneticas

Composicion

1. Nucleo (Core)
   • Principal elemento de propagacion de la luz
   • Fabricado con dioxido de silicio ($Si{O}_2$) al que se añaden dopantes para ajustar el indice de refraccion ($n_1$)
2. Revestimiento (Cladding)
   • Tambien de $Si{O}_2$ pero con un indice de refraccion ($n_2$) menor que el nucleo, para permitir una reflexion interna total
3. Recubrimiento (Coating)
   • Capa protectora frente a polvo, humedad y otros contaminantes
   • Suele ser de acrilato u otro polimero especial

Longitudes de Onda

La luz en fibra optica se transmite habitualmente en el rango de 660nm a 1675nm, dividido en “Bandas” segun recomendaciones de la ITU-T e Incab.

Ventanas de Transmision Clasicas

• Primera Ventana
  • 800nm a 900nm (principalmente 850nm)
• Segunda Ventana
  • 1250nm a 1350nm (principalmente 1310nm)
• Tercera Ventana
  • 1500nm a 1600nm (principalmente 1550nm)

Bandas de Transmision Optica

• Banda O (Original): 1260nm - 1360nm
• Banda E (Extended): 1360nm - 1460nm
• Banda S (Short): 1460nm - 1530nm
• Banda C (Conventional): 1530nm - 1565nm
• Banda L (Long): 1565nm - 1625nm
• Banda U (Ultra-Long): 1625nm - 1675nm

Multiplexacion

La DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing) en español “Multiplexacion por Division de Longitud de Onda” permite combinar hasta 160 longitudes de onda dentro de una misma fibra. Cada canal (longitud de onda) transporta datos independientes, multiplicando la capacidad total sin aumentar el numero de fibras fisicas.

Ventajas y Desventajas

• Ventajas
  • Baja Atenuacion
  • Gran Ancho de Banda
  • Diametro Reducido / Poco Peso
  • Inmune a Interferencias
  • Largas Distancias
  • Facil Mantenimiento luego de ser instalada
• Desventajas
  • No tranporta corriente electrica (Por ahora)
  • Materia Prima y dopantes muy puros: Fabricacion Especializada
  • Manipulacion Fragil: Requiere personal calificado
  • Herramientas y equipos costosos (Fusionadoras, OTDR, Cortadoras, etc.)
  • Alto costo de Implementacion
  • Necesidad de conversion Optico-Electrico en los extremos (Transceptores)

Apertura Numerica (NA)

El Angulo de aceptacion (${\varphi }_{NA}$) es el maximo angulo (medido respecto al eje de la fibra) que permite que los rayos se confinen en el nucleo. La Apertura Numerica (NA) se expresa de varias formas equivalentes:

1. $NA=\sqrt{n{1}^2-n{2}^2}$
2. $NA=\sin ({\varphi }_{NA})$
3. $NA=\sin ({\alpha }_c)$

Ejemplo de Calculo

Si $n_1=1,45$ y $n_2=1,35$, entonces:

$NA=\sqrt{(1,45{)}^2-(1,35{)}^2}\approx 0,529$

El angulo de aceptacion:

${\varphi }_{NA}=\arcsin (0,529)\approx 31,94^{\circ }$

En este ejemplo, las ondas con un grado menor a $31,94^{\circ }$ (medido respecto al eje de la fibra) quedara confinado dentro del nucleo por reflexiones internas totales.

Fabricacion

Se elabora a partir de Dioxido de silicio ($Si{O}_2$) con dopantes como Fluor ($F$), Boro ($B$), Germanio ($Ge$) y Fosforo ($P$) para ajustar el indice de refraccion, El proceso general:

1. Barra Preformada
   • Se inyectan vapores de dopantes y se calientan con llama de hidrogeno a ~2000°C
   • Los dopantes se condensan y forman el “Nucleo” con las propiedades deseadas
2. Estirado en la Torre
   • La pregorma se introduce en un horno de alta temperatura (~2000°C) y se estira de ella para obtener la fibra del diametro requerido ($125\mu \text{m}$ con nucleo y revestimiento)
   • Se controla mediante sistemas automatizados y computarizados

Los metodos mas habituales:

• MCDV (AT&T), VAD (Japon), PCVD (Philips)
• OVD (Outside Vapor Deposition, Corning)

Tipos de Fibra

1. Monomodo (SM)
   • Nucleo Estrecho (Tipicamente 9 $\mu \text{m}$)
   • Permite propagar una Longitud de Onda por fibra
   • Ideal para largas distancias (90Km entre repetidores)
   • Ejemplo de nomenclatura: SM 9/125 (Nucleo/Revestimiento)
2. Multimodo (SM)
   • Nucleo mas ancho (ej. 50 o 62,5 $\mu \text{m}$)
   • Permite propagar varias Longitudes de Onda por fibra
   • Adecuado para distancias mas cortas (Hasta 2Km)
   • Ejemplo de nomenclatura:
     • MM 62,5/125 (OM1)
     • MM 50/125 (OM2,OM3,OM4)

Los emisores son 2

• LED o VSCEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) para fibras Multimodo (MM)
• Diodo Laser para fibras monomodo (SM)

Los receptores son 2, ambos convierten fotones en corriente electrica mediante fotodeteccion

• PIN: Barato
• APD (Avalanche Photodiode): Mas Caro

El cableado se distingue entre:

1. Tubo Suelto (Loose Tube)
   • Para instalaciones en planta externa: Ductos, Tendidos Aereos, Soterrados, etc.
   • Nucleos en tubos semirrigidos, a menudo con elementos de refuerzo
2. Estructura Ajustada (Tight Buffer)
   • Para instalaciones en planta interna: Conductos Verticales, salas de equipos, cableado estructurado de edificios.
   • Capa de proteccion pegada al revestimiento para mayor flexibilidad

La norma ANSI/TIA/EIA 598-D (Autodescarga) (o equivalentes) regula los colores de los hilos en el interior del cable, facilitando la identificacion y la gestion de varios hilos/fibras, tambien hay explicaciones al respecto

Fenomenos

Atenuacion

La atenuacion es la perdida de potencia que sufre una señal al viajar por la FO, se mide en dB (Decibeles) y es uno de los principales factores que limitan el alcance de un enlace de FO.

La atenuacion total de un enlace corresponde a la suma de todas las perdidas, incluyendo conectores, fusiones y el largo del cable.

La formula de atenuacion total es:
$A_T=(N_C\cdot A_C)+(N_S\cdot A_S)+(L\cdot A_L)$
Donde

$$\begin{array}{rl}{A}_T& :\text{Atenuacion Total del enlace (dB)}\\ A_C& :\text{Atenuacion promedio de un conector (dB)}\\ N_C& :\text{Numero de conectores}\\ A_S& :\text{Atenuacion promedio de una fusion (dB)}\\ N_S& :\text{Numero de fusiones}\\ A_L& :\text{Atenuacion del cable por kilometro (dB/km)}\\ L& :\text{Longitud del enlace (km)}\end{array}$$

Una vez obtenida la atenuacion total, se puede calcular la potencia que llegara al receptor

Esta formula es:
$P_R=P_T-A_T$
Donde

$$\begin{array}{rl}{P}_R& :\text{Potencia Recibida (dBm)}\\ P_T& :\text{Potencia del transmisor (dBm)}\\ A_T& :\text{Atenuacion Total del enlace (dB)}\end{array}$$

Refraccion

Cuando la luz pasa de un medio a otro (por ejemplo, desde el aire hacia el vidrio), su velocidad cambia. Este cambio de velocidad puede provocar que la trayectoria de la luz cambie de dirección; este fenómeno se conoce como refracción.

La cantidad en que la luz cambia su velocidad al atravesar un medio se describe mediante el índice de refracción, representado por "$n$". Este valor es la division entre la velocidad de la luz en el vacío (valor aprox: $c=3\cdot 10^8\text{m/s}=\mathrm{300.000.000}\text{m/s}$) con la velocidad que alcanza al propagarse por un determinado medio ($V_p$).

Mientras mayor sea el índice de refracción de un medio, menor será la velocidad de propagación de la luz en él.

Se define como
$n=\frac{c}{V_p}$

Donde

$$\begin{array}{rl}n& :\text{Indice de refraccion}\\ c& :\text{Velocidad de la luz en el vacio}\\ V_P& :\text{Velocidad de la luz en el medio}\end{array}$$

Cuando un rayo de luz pasa de un medio con un índice de refracción "$n_1$" a otro con un índice "$n_2$", su dirección puede cambiar. La relación entre ambos medios y los ángulos involucrados está descrita por la Ley de Snell, mostrada a continuacion

$$n_1\sin ({\theta }_1)=n_2\sin ({\theta }_2)$$

Donde

$$\begin{array}{rl}{n}_1& :\text{Iˊndice de refraccioˊn del primer medio}\\ n_2& :\text{Iˊndice de refraccioˊn del segundo medio}\\ {\theta }_1& :\text{Aˊngulo de incidencia}\\ {\theta }_2& :\text{Aˊngulo de refraccioˊn}\end{array}$$

Si la luz se propaga desde un medio con mayor índice de refracción hacia uno con menor índice, existe un ángulo de incidencia a partir del cual la luz deja de refractarse hacia el segundo medio y comienza a reflejarse completamente dentro del primero. Este se denomina ángulo crítico (${\alpha }_c$).

Cuando el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico, ocurre la reflexión interna total.

En una fibra óptica, el núcleo posee un índice de refracción ligeramente mayor que el revestimiento. Esto permite que la luz que viaja por el núcleo experimente reflexión interna total en la interfaz entre ambos, manteniéndose confinada dentro del núcleo y permitiendo transmitir la señal a grandes distancias.

Difraccion

La difracción es el fenómeno que ocurre cuando una onda encuentra un obstáculo o atraviesa una abertura, provocando que se desvíe y se propague hacia regiones que no estarían directamente expuestas a la onda.

El efecto se vuelve más evidente cuando el tamaño del obstáculo o abertura es comparable con la longitud de onda. El experimento de la doble rendija es un ejemplo clásico que permite observar este comportamiento.

Dispersion

La dispersión es el fenómeno por el cual una onda se propaga a diferentes velocidades dependiendo de su longitud de onda. Como consecuencia, distintas componentes de una señal pueden llegar en momentos diferentes.

En la fibra óptica, la dispersión puede provocar el ensanchamiento de los pulsos de luz, dificultando que el receptor distinga correctamente una señal de otra cuando se transmite a grandes distancias.

Infraestructura

Lecturas Recomendadas

• TeleGeography - Submarine Cable Map (SCM)

Antes de la fibra Optica, en 1858, se creo un cable de telegrafo entre Europa y America bajo el agua, esa es la base de la fibra optica mmoderna, la cual se utiliza (con muchas protecciones) para interconectar paises, mediante una red de cableado troncal.

Algunos ejemplos, son:

• Cableado Submarino
  • Cable SAC (2000) (South American Crossing) de Cirion Technologies + Sparkle | SCM
    • Blog - Gerencia - Un anillo de conectividad garantizada
    • Blog - SantaTeresita - Fibra Optica en las Toninas
  • Cable SAM-1 (2001) con Emergia por Consorcio Telefonica - Te Connectivity | Licenciamiento | SCM
  • Cable Curie (2020) por Google | SCM
  • Cable Mistral (2021) por America Movil + Telxius | SCM
  • Cable Halaihai (aka Humboldt) (2029) por Google | SCM
• Cableado Fibra Interna del Pais
  • FOS Quellon-Chacabuco (2015) por GTD | SCM
  • Proyecto FOA (Fibra Optica Austral) (2020) por Internet Archive - CTR + Huawei Marine Press News + Silica Networks | SCM
  • Cable Prat (2020) por GTD | SCM
• Enlaces entre Oficinas Centrales con PSTN
• Anillos de distribucion HUBs y Nodales en redes HFC
• PITs o IXP
  • PIT Chile
  • IXP Chile via PIT
  • PIT Entel
  • PatagoniaIX