Fibra: ¿Qué es? y ¿Cómo funciona?

A nivel mundial, el despliegue de cables de fibra óptica ha aumentado rápidamente a medida que continúa creciendo la demanda de transmisión de datos confiable y de alta velocidad, a través de fibra óptica. La fibra se ha convertido en la tecnología preferida para brindar servicios de red e Internet, así como para cerrar la brecha de “última milla” desde los equipos del operador hasta los hogares, negocios y empresas.

La fibra óptica es una tecnología que utiliza fibras ópticas para transmitir datos como señales luminosas, lo que ofrece un gran ancho de banda, inmunidad electromagnética y una baja pérdida de señal. Tanto en interiores como en exteriores, los cables de fibra óptica se utilizan para una amplia gama de aplicaciones, desde comunicaciones hasta imágenes médicas.

Centro Infra proporciona una descripción detallada de la fibra óptica, incluidos los componentes principales de una fibra óptica y cómo se agrupan en un cable de fibra óptica. Además, explicamos cómo funciona la fibra óptica y comparamos los diferentes tipos de fibras ópticas. Finalmente, Centro Infra examina las ventajas y desventajas de la fibra óptica, así como las principales aplicaciones para las que se utiliza.

¿Qué es la Fibra Óptica?

La fibra óptica, también conocida como fibra óptica, son finas hebras de vidrio a través de las cuales se pueden transmitir datos, a través de equipos ópticos que transforman las señales de datos en luz. Esta hebra de vidrio delgada y flexible tiene un diámetro similar al del cabello humano, alrededor de 125 micras (μm) o 0,125 milímetros (mm).

¿Cuáles son los componentes de una fibra óptica?

Los componentes principales de una fibra óptica son el núcleo, el revestimiento y la cubierta.

• Núcleo: vidrio cilíndrico que forma la parte central de la fibra óptica, por donde se transmiten las señales luminosas. El núcleo está hecho de vidrio de alta pureza (dióxido de silicio) y tiene un índice de refracción más alto que el revestimiento, por lo que la luz pasa sólo a través del núcleo.
• Revestimiento: una capa de revestimiento exterior que rodea el núcleo y refleja la luz de regreso al núcleo, evitando que la luz se escape fuera del núcleo. El revestimiento está hecho de vidrio menos puro y tiene un índice de refracción más bajo que el núcleo, lo que ayuda a mantener las señales de luz en el núcleo, asegurando que viajen a lo largo de la fibra con una pérdida o dispersión mínima.
• Chaqueta: una capa protectora exterior de la fibra óptica hecha de un material polimérico resistente y flexible como PVC (cloruro de polivinilo) o plástico. La chaqueta, también conocida como funda, protege el núcleo y el revestimiento de daños mecánicos, humedad y abrasión.

Diagrama de fibra: esquemático y transversal

En general, los diámetros del núcleo, el revestimiento y la cubierta pueden variar según el tipo de fibra óptica. A modo de ejemplo, una sola fibra óptica puede tener los siguientes diámetros: núcleo de 9 micrones (μm), revestimiento de 125 micrones (μm) y chaqueta de 250 micrones (μm).

Fibra plastica

Alternativamente, un núcleo y un revestimiento de fibra óptica se pueden fabricar con plástico transparente, que no es tan transparente como el vidrio. Las principales ventajas y desventajas de las fibras ópticas de plástico, en comparación con las fibras ópticas de vidrio, son las siguientes:

• Ventajas de la Fibra Óptica Plástica: menor costo y más flexible, facilitando su instalación
• Desventajas de la Fibra Óptica Plástica: mayor dispersión de la luz, lo que conduce a una señal más débil y una distancia de transmisión limitada. Además, las fibras ópticas de plástico tienen un ancho de banda menor, lo que significa que su velocidad de transmisión de datos es menor que la de las fibras ópticas de vidrio.

En general, la fibra óptica plástica se utiliza en aplicaciones más centradas en el consumidor, a menudo en sistemas electrónicos para la comunicación de datos entre componentes. En estos escenarios, la pérdida de señal de la fibra óptica plástica y el menor ancho de banda no son tan importantes. Por ejemplo, la fibra óptica plástica se utiliza en iluminación, automóviles (comunicación de datos entre diferentes partes del vehículo), sistemas de música, consolas de videojuegos y sistemas de domótica.

¿Qué es un cable de fibra óptica?

Los cables de fibra óptica constantes de uno o más (normalmente muchos) hilos de fibra óptica agrupados entre sí. Estas fibras ópticas están protegidas por características del cable de fibra óptica que incluyen alambres de resistencia centrales, relleno de gel, así como chaquetas y armaduras internas y externas.

Estructura del cable de fibra óptica: ejemplo para exteriores

El de un cable de fibra óptica es proteger las fibras ópticas del interior de daños mecánicos y ambientales, como tensiones de tracción (por ejemplo, tirones), flexiones, equipos de construcción de terceros, animales y agua.

Los principales tipos de cable de fibra óptica son: cable enterrado para exteriores, cable aéreo para exteriores, cable para interiores, fibra soplada por aire (utilizada tanto en interiores como en exteriores) y cable submarino.

¿Cómo funciona la fibra?

Los sistemas de fibra óptica consisten en un transmisor, una fibra óptica – que es el medio de transmisión y un receptor. Los siguientes son cinco pasos simplificados sobre cómo funciona la fibra óptica:

1. La entrada de datos eléctricos ingresa datos al sistema de fibra óptica.
2. Transmisor acepta y convierte señales eléctricas de entrada en señales ópticas (luz) y luego envía la señal óptica modulando la salida de una fuente de luz (ya sea un LED o un láser) variando su intensidad.
3. La fibra óptica, una fina hebra de vidrio, es el medio de transmisión. Las señales luminosas viajan a través del núcleo de la fibra, de un extremo al otro, mediante una propiedad conocida como reflexión interna total. En pocas palabras, la señal luminosa rebota por el núcleo de la fibra, hasta el otro extremo del hilo de vidrio, mediante una serie de reflejos en el límite del revestimiento.
4. Receptor es el convertidor óptico (luz) a eléctrico al final del hilo de vidrio. Aquí, las señales ópticas son recibidas por un fotodiodo (fotodetector), que convierte las señales ópticas nuevamente en una señal eléctrica.
5. Resultados de salida de datos eléctricos, que pueden ser decodificados y procesados ​​por un enrutador o conmutador de red.

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Tipos de fibras

Los dos tipos distintos de fibras ópticas son multimodo (múltiples rutas) y monomodo (una sola ruta). Como se muestra a continuación, la fibra multimodo tiene un núcleo relativamente grande, lo que permite múltiples modos (o caminos) para que la luz viaje a través de la fibra. Mientras que la fibra monomodo tiene un núcleo mucho más pequeño y, por lo tanto, solo hay un modo (o camino) efectivo a través del cual la luz puede propagarse.

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Las fibras multimodo están limitadas en términos de velocidad y distancia, dado que los múltiples modos (o rutas) tienden a interferir entre sí en estas fibras. Por lo tanto, las redes ópticas que requieren las velocidades más altas y abarcan las mayores distancias utilizan fibra monomodo.

Fibra multimodo frente a fibra monomodo

A continuación se muestra una comparación de la propagación de la luz en una fibra multimodo y monomodo.

Tanto para fibras multimodo como monomodo, el diámetro del revestimiento es de 125 micras (μm) y, incluyendo la cubierta protectora, el diámetro de una sola fibra alcanza las 250 micras (μm).

fibra multimodo

La fibra multimodo es un tipo de fibra óptica que tiene un núcleo más grande, tamaño de 50 o 62,5 micrones (μm) de diámetro, que permite que se propague múltiples caminos de luz. En otras palabras, una fibra multimodo puede transportar más de una frecuencia de luz al mismo tiempo.

La fibra multimodo utiliza diodos emisores de luz (LED) parpadeantes, que son más baratos, para transmitir señales. Cuando las señales de luz llegan al límite del revestimiento, se refleja de regreso al núcleo.

La fibra multimodo tiene una mayor pérdida (en comparación con la fibra monomodo) y, por lo tanto, solo se usa para comunicaciones en distancias cortas (es decir, hasta un par de millas) y aplicaciones que requieren menos ancho de banda. Por ejemplo, la fibra multimodo se utiliza en redes de área local (LAN), como dentro de un edificio, una red corporativa o un campus.

La fibra multimodo se puede clasificar además en fibra multimodo de índice escalonado y fibra multimodo de índice graduado. Se diferencian en términos de cómo se propaga la luz a través de los diferentes caminos.

• Índice de paso: tiene un índice de refracción uniforme en todo el diámetro del núcleo
• Índice graduado: aumenta gradualmente el índice de refracción a lo largo del diámetro del núcleo, alcanzando un punto alto en el medio de la fibra y luego disminuyendo gradualmente hacia el borde exterior del núcleo.

Fibra de índice escalonado multimodo

En la fibra multimodo de índice escalonado, las señales de luz inciden en el revestimiento en un ángulo poco profundo y rebotan para golpear la pared opuesta del revestimiento, lo que hace que las señales de luz desciendan en zigzag por el núcleo. Como tal, las señales luminosas toman caminos alternativos a lo largo del núcleo, lo que hace que diferentes grupos de señales luminosas lleguen por separado al extremo de la hebra de vidrio, donde el receptor las convierte.

Fibra de índice graduado multimodo

La fibra multimodo de índice graduado tiene un índice de refracción más alto en el núcleo y un índice de refracción más bajo en el revestimiento, lo que permite que las señales de luz de los caminos lleguen al final de la fibra de vidrio simultáneamente.

fibra monomodo

La fibra monomodo es un tipo de fibra óptica que tiene un núcleo pequeño, generalmente de 8,3 a 10 micrones (μm) de diámetro, que permite que solo se propague un camino de luz. El pequeño tamaño del núcleo casi elimina la aparición de luz que rebota en el revestimiento, incluso cuando la fibra está doblada o curvada.

La fibra monomodo utiliza una costosa luz láser para transmitir señales, que viaja en un camino recto a lo largo del estrecho núcleo de la fibra óptica.

En términos de propósito, la fibra monomodo se utiliza principalmente para comunicaciones a través de largas distancias, ya que puede transmitir datos a varios kilómetros con pérdida de señal mínima, porque no hay interferencia de modos adyacentes (rutas).

La fibra monomodo proporciona un mayor ancho de banda para transmitir información debido a su capacidad de mantener la integridad de cada señal luminosa en distancias más largas, sin dispersión (dispersión de la luz) causada por múltiples modos (trayectorias). Además, la fibra monomodo experimenta una menor atenuación (pérdida de potencia óptica) en comparación con la fibra multimodo, lo que permite la transmisión de más información en un período de tiempo determinado.

Ventajas y Desventajas de la Fibra Óptica

La fibra óptica ofrece varias ventajas sobre otras formas de comunicaciones por cable, como los cables telefónicos de cobre y las redes híbridas de fibra coaxial (HFC).

Ventajas de la Fibra Óptica

Las ventajas de la fibra óptica son un gran ancho de banda, inmunidad electromagnética, baja pérdida/atenuación de señal, seguridad y menos peso.

1) Alto ancho de banda

La fibra óptica proporciona un ancho de banda significativamente mayor en comparación con los cables de cobre, lo que resulta en una transmisión de datos más rápida. Esto se debe a que una fibra óptica utilice señales luz para transmitir datos, que tienen una capacidad de transporte de información mucho mayor, en comparación con los cables de cobre, que utilizan señales eléctricas.

Más específicamente, las señales luz tienen frecuencias medidas en terahercios (THz), mientras que las señales eléctricas, en forma de señales analógicas o digitales, tienen frecuencias que van desde megahercios (MHz) hasta gigahercios (GHz). Dado que el ancho de banda es proporcional al rango de frecuencia de las señales ópticas, la fibra óptica puede transportar mucha más información, lo que se traduce en terabits por segundo (Tbps) de capacidad.

2) Inmunidad electromagnética

La fibra óptica está hecha de material dieléctrico, lo que significa que es inmune a la interferencia electromagnética (EMI) de la electricidad. Por el contrario, la EMI es un problema importante en los cables de cobre porque son metálicos y conducen electricidad, lo que puede provocar degradación o corrupción de la señal debido al “ruido” eléctrico.

Las ventajas de que la fibra óptica tiene inmunidad electromagnética son tasas de error de bits (BER) más bajas, eliminación de bucles de tierra, reducción de la distorsión de la señal y una fuerte resistencia a la interferencia cruzada. Además, debido a la inmunidad electromagnética de la fibra óptica, los cables de fibra óptica se pueden colocar cerca de líneas de transmisión de energía de alto voltaje, generadores o líneas ferroviarias sin ningún efecto en la transmisión de datos, mientras que los cables de cobre no pueden.

3) Pérdida/atenuación de señal baja

La fibra óptica tiene una baja pérdida de señal (atenuación) porque las señales de luz pueden recorrer distancias más largas con una degradación mínima, en comparación con los cables de cobre, que transportan señales eléctricas. La razón de esta característica es que las señales luminosas en las fibras ópticas son mucho menos susceptibles a la interferencia y la degradación que las señales eléctricas en los cables de cobre, que sufren problemas como la resistencia eléctrica y la interferencia electromagnética.

4) Seguridad

Las fibras ópticas son más seguras frente a posibles interceptaciones maliciosas debido a su composición de material dieléctrico, lo que dificulta el acceso a la fibra sin interrumpir la comunicación. Aunque es posible aprovechar las fibras ópticas, esto produce una pérdida de señal (atenuación), que es detectable.

Es importante destacar que las redes de fibra pueden monitorearse constantemente para detectar aumentos en la pérdida de señal, lo que podría indicar la presencia de derivaciones. Por otro lado, los cables de cobre que irradian señales eléctricas, son más vulnerables a una intervención discreta.

5) Menos pesos

Los cables de fibra óptica son significativamente más livianos que los alambres de cobre, pesan alrededor de 4 libras por cada 1,000 pies, en comparación con los alambres de cobre, que pesan casi 10 veces esa cantidad. Este peso ligero de la fibra es particularmente importante durante la instalación, ya que el equipo de instalación puede transportar fácilmente carretes de cable de fibra óptica más pequeños, lo que permite instalar más fibra en un lapso de tiempo más corto. Además, los cables de fibra óptica pueden tenderse sobre techos falsos y fijarse a la pérdida de un edificio sin causar daños estructurales ni perjudicar el factor de carga del edificio.

Desventajas de la fibra

Las desventajas de la fibra óptica son la dificultad de instalación y reparación, la flexión y el daño ambiental.

1) Dificultad de instalación y reparación.

La instalación y reparación de cables de fibra óptica puede ser un desafío, ya que requiere mano de obra y equipos especializados. Esto puede aumentar el costo y la complejidad de la implementación y el mantenimiento de la red, especialmente en terrenos desafiantes.

En particular, la unión de secciones de redes de fibra óptica, como redes de acceso residencial a los hogares de los clientes, debe realizarse de manera que se minimice la pérdida de señal (atenuación). Las dos formas más comunes utilizadas para unir fibras ópticas son mediante conectores de fibra óptica y empalme por fusión.

• Conectores de Fibra Óptica: dispositivos que permiten conectar y desconectar fibras ópticas, pero son menos confiables y provocan pérdida de señal
• Empalme por fusión: los extremos de dos fibras ópticas se pueden fusionar fundiendo parte del vidrio de las dos fibras, una tarea que requiere equipos de precisión. El empalme por fusión es la forma más óptima de unir fibras ópticas porque puede crear un punto de conexión con muy poca pérdida de señal (atenuación). Sin embargo, el empalme por fusión es difícil de realizar bien al aire libre cuando las temperaturas son bajas, como durante el invierno.

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2) dólares

Las microcurvaturas, que se refieren a una curvatura o torcedura en la fibra óptica, pueden causar pérdida de señal. La luz viaja a través del núcleo de una fibra óptica reflejándose en el límite del revestimiento, pero sólo en el ángulo adecuado. Si las microcurvaturas mueven el ángulo de incidencia más allá del ángulo crítico, la luz puede escapar del núcleo y filtrarse hacia el revestimiento, lo que provoca que las señales luminosas se pierdan con fines de transporte de información.

3) Daño ambiental

Las fibras ópticas pueden sufrir daños ambientales debido a varios factores, entre ellos:

• Agua: a través de pequeños huecos o burbujas de aire, el agua puede penetrar en el revestimiento de fibra y afectar la transmisión de la señal. El agua puede absorber la luz y provocar microfisuras en el vidrio, las cuales provocan pérdida de señal.
• Radiación ultravioleta (UV): la exposición prolongada a la luz ultravioleta del sol puede causar que la superficie de una fibra óptica se degrade, rompiendo el límite entre el núcleo y el revestimiento de la fibra, lo que afecta la transmisión de la señal. En particular, los cables aéreos de fibra óptica para exteriores son susceptibles a sufrir daños por la radiación solar ultravioleta, ya que es muy penetrante.
• Animales: ratas, ardillas, tuzas, conejos, termitas e iguanas roen el cable de fibra óptica y lo rompen.

¿Para qué se utiliza la fibra óptica?

La fibra óptica se utiliza para una amplia gama de aplicaciones, más allá de los sistemas de comunicaciones, y éstas incluyen la industria y dominios como imágenes médicas, militares, sensores, iluminación, seguridad, automatización industrial y energía.

Ejemplos de aplicaciones que utilizan Fibra Óptica

1. Comunicaciones: la fibra óptica se usa ampliamente para la comunicación de datos de alta velocidad, incluido servicio de Internet, transmisión de televisión, telecomunicaciones, backhaul desde torres de telefonía celular y redes de centros de datos.
2. Imágenes médicas: la fibra óptica se utiliza en sistemas de imágenes médicas, como endoscopios y cámaras, para proporcionar una vista en tiempo real de los tejidos y órganos internos.
3. Militar: la fibra óptica se utiliza en las principales ramas del ejército (ejército, marina, fuerza aérea) para comunicaciones y transmisión de datos. Por ejemplo, estos incluyen enlaces de comando y control en embarcaciones y aviones, enlaces de comunicación entre estaciones terrestres satelitales y centros de datos, y conexiones para comunicaciones de puestos de comando tácticos.
4. Detección: la fibra óptica se utiliza en aplicaciones como sensores de temperatura, sensores de presión y sensores de vibración, para proporcionar datos en tiempo real y facilitar el análisis. Por ejemplo, los sensores de monitoreo de salud estructural (SHM) se utilizan para monitorear la vibración de estructuras, como puentes y edificios de gran altura.
5. Iluminación: la fibra óptica y, en particular, la fibra óptica plástica, se utiliza en sistemas de iluminación, como las iluminaciones de fibra óptica, para proporcionar una iluminación brillante, económica y energéticamente eficiente. Por ejemplo, la iluminación de fibra óptica se puede utilizar para iluminar el interior y el exterior de edificios residenciales y hoteles.
6. Seguridad: la fibra óptica se utiliza en aplicaciones de seguridad física como el vallado perimetral de los centros de datos, mediante las cuales la fibra óptica puede detectar si alguien está cerca o toca la valla. Mientras que los sistemas de vigilancia utilizan fibra óptica para transmitir vídeo de alta definición a largas distancias
7. Automatización industrial: la fibra óptica se utiliza en sistemas de automatización industrial para transmitir señales y datos de control, como por ejemplo para un controlador lógico programable (PLC).
8. Energía: la fibra óptica se utiliza en aplicaciones energéticas, como la conexión de plataformas de petróleo y gas, para transmitir datos y monitorear las condiciones de los pozos en tiempo real.

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