Capitulo 1

CAPITULO 1:
FIBRA ÓPTICA
1.1 INTRODUCCIÓN
1.1.1 Historia
La historia de la fibra óptica comienza cuando el físico irlandés John Tyndall
descubrió que la luz podía viajar dentro de un material en curva (agua) por la
reflexión interna total. Este principio fue utilizado en su época para iluminar
corrientes del agua en fuentes públicas. En 1952, el físico Narinder Singh Kapany,
apoyándose en los estudios de John Tyndall, realizó experimentos que condujeron a
la invención de la fibra óptica.
Uno de los primeros usos de la fibra óptica fue usar un haz de fibras para la
transmisión de imágenes, y se uso en el endoscopio médico. Usando la fibra óptica,
se consiguió un endoscopio semiflexible, el cual fue patentado por la Universidad de
Michigan en 1956. En este invento se usaron unas nuevas fibras forradas con un
material de bajo índice de refracción, ya que antes se impregnaban de aceites o ceras.
Charles Kao en su tesis doctoral de 1966 estimó que las máximas pérdidas que
debería tener la fibra óptica para que resultara práctica en enlaces de comunicaciones
eran de 20 dB/km. En 1970 los investigadores Maurer, Keck, Schultz y Zimar que
trabajaban para Corning Glass Works fabricaron la primera fibra óptica dopando el
sílice con titanio. Las pérdidas eran de 17 dB/km. Durante esta década las técnicas de
fabricación se mejoraron, consiguiendo perdidas de tan solo 0,5 db/km. Y en 1978 ya
se transmitía a 10 Gb.km/s.
El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió la primera
transmisión telefónica a través de óptica de fibra, en 6 Mbit/s, en Long Beach,
California.
El amplificador que marco un antes y un después en el uso de la fibra óptica en
conexiones interurbanas, reduciendo el coste de ellas, fue el amplificador de fibra
dopada con Erbio inventado por David Payne de la universidad de Southampton, y
Autores: Xavier Serrano G.
Julio Proaño O.

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Emmanuel Desurvire en los laboratorios de Bell. A los cuales les fue entregada, en
1988, la medalla Benjamin Franklin
El primer enlace transoceánico con fibras ópticas fue el TAT-8, comenzó a operar en
1988. Desde entonces se ha empleado fibra óptica en multitud de enlaces
transoceánicos, entre ciudades y poco a poco se va extendiendo su uso desde las
redes troncales de las operadoras hacia los usuarios finales.
1.1.2 Definición
La fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica que opera a frecuencias ópticas.
Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y
germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material
similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una
superficie con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte, cuanto mayor
sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, mayor será la parte
reflejada que cuando se refleja totalmente, se habla entonces de reflexión interna
total.
Así, en el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en
ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este
modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias.
1.1.3 Aplicaciones
Redes
Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga distancia, que
proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una ventaja de los
sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de
necesitar un repetidor. En la actualidad, los repetidores de fibra óptica están
separados entre sí unos 100 Km., frente a aproximadamente 1,5 Km. en los sistemas
eléctricos, esta distancia es la recomendada para garantizar un alto rendimiento de la
señal, mientras que la distancia máxima es de 3Km. Los amplificadores de fibra
óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia.
Julio Proaño O.

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Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local.
Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una
serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores
(computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y
permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de
nuevos componentes electro ópticos y de óptica integrada aumentará aún más la
capacidad de los sistemas de fibra.
Otras aplicaciones de la fibra óptica son las siguientes:


Se puede usar como una guía de onda en aplicaciones médicas o
industriales en las que es necesario guiar un haz de luz hasta un blanco
que no se encuentra en la línea de visión.



La fibra óptica se puede emplear como sensor para medir tensiones,
temperatura, presión así como otros parámetros.



Es posible usar latiguillos de fibra junto con lentes para fabricar
instrumentos de visualización largos y delgados llamados endoscopios.
Los endoscopios se usan en medicina para visualizar objetos a través de
un agujero pequeño. Los endoscopios industriales se usan para propósitos
similares, como por ejemplo, para inspeccionar el interior de turbinas.



Las fibras ópticas se han empleado también para usos decorativos
incluyendo iluminación, árboles de Navidad.

1.1.4 Ventajas
La principal ventaja que nos proporciona una fibra óptica es su ancho de banda muy
grande, hay sistemas de multiplexación que permiten enviar 32 haces de luz a una
velocidad de 10Gb/s cada uno por una misma fibra, dando lugar a una velocidad total
de 320Gb/s.

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1.1.5 Desventajas
A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de
desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las
siguientes:


La fragilidad de las fibras.



Necesidad de usar transmisores y receptores más caros



Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el
campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de rotura del cable.



No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.



La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctricaóptica.



La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.



No existen memorias ópticas.

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1.2 FUNDAMENTOS DE LA FIBRA ÓPTICA
1.2.1 El Espectro Electromagnético
La luz que se utiliza en las redes de fibra óptica es un tipo de energía
electromagnética, por lo tanto posee una longitud de onda.

Gráfico 1.1: Longitud de Onda
Fuente: Academia de Networking CISCO, CCNA1

La radio, las microondas, el radar, la luz visible, los rayos x y los rayos gama parecen
ser todos muy diferentes. Sin embargo, todos ellos son tipos de energía
electromagnética. Si se ordenan todos los tipos de ondas electromagnéticas desde la
mayor longitud de onda hasta la menor, se crea un continuo denominado espectro
electromagnético.
10 2 Hz 10 3

10 4

10 5

106

107

10 8

10 9

10 10

1011

1012

10 13

1014

1015

1016

Par trenzado

Servicio telefónico

Cable coaxial

Radio FM y televisión
Radio AM

Fibra óptica
Microondas terrestres

Satélite

Radio
Microondas

Gráfico 1.2 a: Espectro Electromagnético

Julio Proaño O.

Ultavioleta

Infrarojo

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Visible

Gráfico 1.2 b: Espectro Electromagnético

Como todas las ondas electromagnéticas se generan de la misma manera, comparten
muchas propiedades. Todas las ondas viajan a la misma velocidad en el vacío. La
velocidad es aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo. Esta es también la
velocidad de la luz.
Los ojos humanos están diseñados para percibir solamente la energía
electromagnética de longitudes de onda de entre 700 y 400 nanómetros (nm). La
energía electromagnética con longitudes de onda entre 700 y 400 nm recibe el
nombre de luz visible. Las longitudes de onda de luz más largas que se encuentran
cerca de los 700 nm se perciben como el color rojo. Las longitudes de onda más
cortas que se encuentran alrededor de los 400 nm aparecen como el color violeta.

Gráfico 1.3: Longitudes de Onda Visibles

Las longitudes de onda invisibles al ojo humano son utilizadas para transmitir datos a
través de una fibra óptica. Estas longitudes de onda son levemente más largas que las
de la luz roja y reciben el nombre de luz infrarroja. Las longitudes de onda de la luz
que se utilizan en la fibra óptica son: 850 nm, 1310 nm o 1550 nm. Se seleccionaron
estas longitudes de onda porque pasan por la fibra óptica más fácilmente que otras.

Julio Proaño O.

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(db/Km)
7

2

 (nm)

1
0

450

750

850

1300

1500

Gráfico 1.4: Variación de la atenuación (db/Km) vs Longitud de onda (nm)
Fuente: Arturo Alvarracín Ochoa, Milton León Bernal, “ANÁLISIS DE LA RED DE FIBRA ÓPTICA
DE ETAPA”, 2005

1.2.2 Modelo de Rayo de Luz

Reflexión
La luz viaja a velocidades diferentes según el tipo de material que atraviesa. Cuando
un rayo de luz, denominado rayo incidente, cruza los límites de un material a otro, se
refleja parte de la energía de el rayo de luz. La luz reflejada recibe el nombre de rayo
reflejado.

Gráfico 1.5 a: Reflexión

El ángulo que se forma entre el rayo incidente y una línea perpendicular a la
superficie del vidrio, en el punto donde el rayo incidente toca la superficie del vidrio,
recibe el nombre de ángulo de incidencia. Esta línea perpendicular recibe el nombre
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de normal. El ángulo que se forma entre el rayo reflejado y la normal recibe el
nombre de ángulo de reflexión. La Ley de la Reflexión establece que el ángulo de
reflexión de un rayo de luz es equivalente al ángulo de incidencia. En otras palabras,
el ángulo en el que el rayo de luz toca una superficie reflectora determina el ángulo
en el que se reflejará el rayo en la superficie.

Gráfico 1.5b: Reflexión

Refracción:
La energía de la luz de un rayo incidente que no se refleja entra en el material. El
rayo entrante se dobla en ángulo desviándose de su trayecto original. Este rayo recibe
el nombre de rayo refractado. El grado en que se dobla el rayo de luz incidente
depende del ángulo que forma el rayo incidente al llegar a la superficie del material y
de las distintas velocidades a la que la luz viaja a través de las dos sustancias.

Julio Proaño O.

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Gráfico 1.6 a: Refracción

La densidad óptica del material determina la desviación de los rayos de luz en el
vidrio. La densidad óptica se refiere a cuánto la velocidad del rayo de luz disminuye
al atravesar una sustancia. Cuanto mayor es la densidad óptica del material, más se
desacelera la luz en relación a su velocidad en el vacío. El índice de refracción (η) se
define como la velocidad de la luz en el vacío dividido por la velocidad de la luz en
el medio.



velocidad de la luz en el vacío
velocidad de la luz en el medio

Ecuación 1.1

Por lo tanto, la medida de la densidad óptica de un material es el índice de refracción
de ese material. Un material con un alto índice de refracción es ópticamente más
denso y desacelera más la luz que un material con menor índice de refracción.
Si el rayo de luz parte de una sustancia, entrando a una sustancia cuyo índice de
refracción es mayor, el rayo refractado se desvía hacia la normal. Si el rayo de luz
parte de una sustancia, entrando a una sustancia cuyo índice de refracción es menor,
el rayo refractado se desvía en sentido contrario de la normal.
Considere un rayo de luz que pasa con un ángulo que no es de 90 grados por el límite
entre un vidrio y un diamante como se muestra en el gráfico 1.6b.

Gráfico 1.6b: Refracción

El vidrio tiene un índice de refracción de aproximadamente 1,523. El diamante tiene
un índice de refracción de aproximadamente 2,419. Por lo tanto, el rayo que continúa
su trayecto por el diamante se desviará hacia la normal. Cuando ese rayo de luz cruce
el límite entre el diamante y el aire con un ángulo que no sea de 90 grados, se

Julio Proaño O.

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desviará alejándose de la normal. La razón de esto es que el aire tiene un índice de
refracción menor, cerca de 1,000 menos que el índice de refracción del diamante.
Esta desviación de los rayos de luz en los límites de dos sustancias es la razón por la
que los rayos de luz pueden recorrer una fibra óptica aun cuando la fibra tome la
forma de un círculo.
Leyes de la Refracción
Primera Ley: El rayo refractado se encuentra en el plano del rayo incidente y la
normal que pasa por el punto de incidencia.
Segunda Ley: Denominada Ley de Snell y viene representada por la siguiente
ecuación:
n I . sin( I )  n R . sin( R )

Ecuación 1.2

Gráfico 1.7: Ley de Snell
Fuente: http://usuarios.lycos.es/Fibra_Optica/comparacion.htm

El ángulo  I es el llamado ángulo de incidencia y el  R es el ángulo refractado.
Estos ángulos son medidos desde la línea normal a la superficie.
Reflexión interna total
Un rayo de luz que se enciende y apaga para enviar datos (unos y ceros) dentro de
una fibra óptica debe permanecer dentro de la fibra hasta que llegue al otro extremo.
El rayo no debe refractarse en el material que envuelve el exterior de la fibra. La
Julio Proaño O.

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refracción produciría una pérdida de una parte de la energía de la luz del rayo. Es
necesario lograr un diseño de fibra en el que la superficie externa de la fibra actúe
como espejo para el rayo de luz que viaja a través de la fibra. Si un rayo de luz que
trata de salir por el costado de la fibra se refleja hacia dentro de la fibra a un ángulo
tal que lo envíe hacia el otro extremo de la misma, se formaría un buen "conducto" o
"guía de ondas".

Gráfico 1.8: Guía de ondas

Las leyes de reflexión y de refracción ilustran cómo diseñar una fibra que guíe las
ondas de luz a través de la fibra con una mínima pérdida de energía. Se deben
cumplir las dos siguientes condiciones para que un rayo de luz en una fibra se refleje
dentro de ella sin ninguna pérdida por refracción.



El núcleo de la fibra óptica debe tener un índice de refracción (n) mayor que
el del material que lo envuelve. El material que envuelve al núcleo de la fibra
recibe el nombre de revestimiento.



El ángulo de incidencia del rayo de luz es mayor que el ángulo crítico para el
núcleo y su revestimiento.

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Gráfico 1.9: Reflexión Interna Total

Cuando se cumplen estas dos condiciones, toda la luz que incide en la fibra se refleja
dentro de ella. Esto se llama reflexión interna total, que es la base sobre la que se
construye una fibra óptica. La reflexión interna total hace que los rayos de luz dentro
de la fibra reboten en el límite entre el núcleo y el revestimiento y que continúen su
recorrido hacia el otro extremo de la fibra. La luz sigue un trayecto en zigzag a lo
largo del núcleo de la fibra.
Resulta fácil crear una fibra que cumpla con esta primera condición. Además, el
ángulo de incidencia de los rayos de luz que entran al núcleo puede ser controlado.
La restricción de los siguientes dos factores permite controlar el ángulo de
incidencia:


La apertura numérica de la fibra: La apertura numérica del núcleo es el
rango de ángulos de los rayos de luz incidente que ingresan a la fibra y que
son reflejados en su totalidad.

Julio Proaño O.

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Gráfico 1.10: Apertura Numérica



Modos: Los trayectos que puede recorrer un rayo de luz cuando viaja por la
fibra.

Gráfico 1.11: Modos

Al controlar ambas condiciones, el tendido de la fibra tendrá reflexión interna total.
Esto sirve de guía a la onda de luz que puede ser utilizada para las comunicaciones
de datos.
1.2.3 Estructura de la Fibra Óptica

Julio Proaño O.

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En general, un cable de fibra óptica se compone de cinco partes. Estas partes son: el
núcleo, el revestimiento, un amortiguador, un material resistente y un revestimiento
exterior:

Gráfico 1.12: Estructura

Núcleo: El núcleo es el elemento que transmite la luz y se encuentra en el centro de
la fibra óptica. Todas las señales luminosas viajan a través del núcleo. El núcleo es,
en general, vidrio fabricado de una combinación de dióxido de silicio (sílice), cuarzo
fundido o plástico. Tiene un diámetro de 50 o 62,5 µm para la fibra multimodo y
9µm para la fibra monomodo.
Revestimiento: Recubre a cada una de las fibras del núcleo, está fabricado con sílice
pero con un índice de refracción menor que el del núcleo. Los rayos de luz que se
transportan a través del núcleo de la fibra se reflejan sobre el límite entre el núcleo y
el revestimiento a medida que se mueven a través de la fibra por reflexión total
interna.
Amortiguador: Alrededor del revestimiento se encuentra un material amortiguador
que es generalmente de plástico. El material amortiguador ayuda a proteger al núcleo
y al revestimiento de cualquier daño. Existen dos diseños básicos para cable. Son los
diseños de cable de amortiguación estrecha y de tubo libre.

Julio Proaño O.

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Gráfico 1.13: Tipos de Revestimeitno

Los cables con amortiguación estrecha tienen material amortiguador que rodea y está
en contacto directo con el revestimiento. La diferencia más práctica entre los dos
diseños está en su aplicación. El cable de tubo suelto se utiliza principalmente para
instalaciones en el exterior de los edificios mientras que el cable de amortiguación
estrecha se utiliza en el interior de los edificios.
Material Resistente: El material resistente rodea al amortiguador, evitando que el
cable de fibra óptica se estire cuando los encargados de la instalación tiran de él. El
material utilizado es, en general, Kevlar, el mismo material que se utiliza para
fabricar los chalecos a prueba de bala.
Revestimiento Exterior: Éste es el último elemento. El revestimiento exterior rodea
al cable para así proteger la fibra de abrasión, solventes, corrosión, humedad, etc, es
decir asegura la protección mecánica de la fibra.
1.2.4 Tipos de Fibra Óptica
Fibra Multimodo
Los rayos de luz sólo pueden ingresar al núcleo si el ángulo está comprendido en la
apertura numérica de la fibra. Asimismo, una vez que los rayos han ingresado al
Julio Proaño O.

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núcleo de la fibra, hay un número limitado de recorridos ópticos que puede seguir un
rayo de luz a través de la fibra. Estos recorridos ópticos reciben el nombre de modos.
Si el diámetro del núcleo de la fibra es lo suficientemente grande como para permitir
varios trayectos que la luz pueda recorrer a lo largo de la fibra, esta fibra recibe el
nombre de fibra "multimodo".

Gráfico 1.14: Fibra Multimondo

Los circuitos de fibra óptica usan una hebra de fibra para transmitir y una para
recibir. En general, estos dos cables de fibra se encuentran en un solo revestimiento
exterior hasta que llegan al punto en el que se colocan los conectores.

Gráfico 1.15: Conectores

No hay problemas de diafonía en la fibra óptica. Es común ver varios pares de fibras
reenvueltos en un mismo cable. Esto permite que un solo cable se extienda entre
armarios de datos, pisos o edificios. Un solo cable puede contener de 2 a 48 o más
fibras separadas. En el caso del cobre, sería necesario tender un cable UTP para cada

Julio Proaño O.

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circuito. La fibra puede transportar muchos más bits por segundo y llevarlos a
distancias mayores que el cobre.
La fibra multimodo usa un tipo de vidrio denominado vidrio de índice graduado para
su núcleo. Este vidrio tiene un índice de refracción menor hacia el borde externo del
núcleo. De esta manera, el área externa del núcleo es ópticamente menos densa que
el centro y la luz puede viajar más rápidamente en la parte externa del núcleo. Se
utiliza este diseño porque un rayo de luz que sigue un modo que pasa directamente
por el centro del núcleo no viaja tanto como un rayo que sigue un modo que rebota
en la fibra. Todos los rayos deberían llegar al extremo opuesto de la fibra al mismo
tiempo. Entonces, el receptor que se encuentra en el extremo de la fibra, recibe un
fuerte flash de luz y no un pulso largo y débil.
Un cable de fibra óptica multimodo estándar utiliza una fibra óptica con núcleo de
62,5 ó 50 micrones y un revestimiento de 125 micrones de diámetro. A menudo,
recibe el nombre de fibra óptica de 62,5/125 ó 50/125 micrones.
Fibra Óptica Multimodo de Índice Escalón (Step Index)
Son aquellas en las cuales el valor del índice de refracción en el núcleo permanece
siempre constante y mayor que el valor del revestimiento. Como se conoce en la
fabricación de una fibra, un núcleo cilíndrico de vidrio o plástico con índice de
refracción n1 es cubierta por una corteza igualmente de vidrio o plástico con un
índice de refracción menor n2. Una fibra que esté constituida por un núcleo de vidrio
y corteza de plástico se le denomina fibra PCS (Plastic - Clad Silica). Se pueden
obtener elevados NA (apertura numérica) con este tipo de fibras que además se
caracterizan por tener un diámetro de núcleo ancho, elevada atenuación y pequeño
ancho de banda. Lo importante de este tipo de fibra es que al ser elevado el NA,
permite el uso de un LED como emisor de superficie de bajo costo, así como
conectores baratos.
En estos tipos de fibras los distintos modos de propagación o rayos siguen distintos
caminos y llegan al otro extremo en instantes diferentes, provocando un
ensanchamiento de la señal óptica transmitida.

Julio Proaño O.

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El número máximo de modos (M) que pueden existir en el núcleo de una fibra
depende de su apertura numérica, de su diámetro y de la longitud de onda de la luz,
para una fibra del tipo step index se puede determinar matemáticamente por la
siguiente expresión:

 Diámetro del núcleo * NA *  
M  0.5





2

Ecuación 1.3

La propiedad de la luz relacionada con el hecho que la propagación de la potencia
óptica en las fibras ópticas se puede dar en muchos modos, debe considerarse como
una desventaja debido a que se generen muchas trazas y consecuentemente distintos
tiempos de tránsito (Fenómeno Fading). Matemáticamente; se puede decir que la
condición para que se genere más de un modo es la siguiente:

d

0.766
NA

Ecuación 1. 4

En donde d es el diámetro de la fibra. A mayor número de modos, mayor es el ángulo
de la traza correspondiente como se puede ver en siguiente figura:

Gráfico 1.16: Fuente Multimodo de Índice Escalón

La luz de un emisor es distribuida uniformemente en el cono de aceptación de la
fibra y la potencia del pulso óptico de entrada es distribuida uniformemente en todos
los modos. Debido a que cada modo tiene un tiempo diferente de propagación, se
producirá el efecto siguiente: distorsión del pulso y se tendrá un ancho de banda
limitado. A este fenómeno se le llama la Distorsión Multimodo (Ruido
determinístico coherente).
La distorsión multimodo recibe también el nombre de dispersión modal y la relación
entre los tiempos de recorridos mínimos y máximos es directamente proporcional a

Julio Proaño O.

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la relación entre los índices de refracción del recubrimiento y del núcleo que es del
orden del 1%.
Fibra Óptica Multimodo de Índice Gradual (Graded Index Core)

Este tipo de fibra consiste de un núcleo cuyo índice de refracción varía con la
distancia a lo largo del eje, con el objetivo de disminuir los efectos de la dispersión
modal. Al igual que la fibra de índice escalón, el núcleo esta rodeado por el vidrio
del cladding ó revestimiento de menor índice refractivo.

Gráfico 1.17: Fibra Óptica Multimodo de Índice Gradual
Fuente: Gregorio Rodríguez, ‘’La Fibra Óptica’’, Monografías.com.

Las fibras de índice gradual ofrecen una buena aceptación de luz y ancho de banda,
mejor de las ofrecidas por las fibras de índice escalón. Otras características ofrecidas
son:


Diámetro del núcleo moderado.




Bajo NA.
Atenuación moderada.

El ancho de banda mejorado se debe a la estructura especial de la fibra que permite
un índice de refracción distribuido como lo representa la siguiente figura:

Gráfico 1.18: Ancho de Banda-Fibra Multimodo Índice Gradual
Fuente: Gregorio Rodríguez, ‘’La Fibra Óptica’’, Monografías.com.
Julio Proaño O.

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Debido a que la velocidad de la luz disminuye con el crecimiento del índice de
refracción, la velocidad de la luz para modos cerca del centro del núcleo es menor
que en la zona cerca al límite con la corteza. Para perfiles parabólicos (cuadráticos)
del índice de refracción, el tiempo de propagación, para varios modos es casi
ecualizado, lo cual reduce la distorsión debido a la propagación multimodo.
Las

fibras

de

índice

gradual

fueron

diseñadas

especialmente

para

las

telecomunicaciones, por largo tiempo los diámetros estándares han sido de 50 y 62.5
um con un cladding de 125 um, algunas son fabricadas con un núcleo de 82.5 um.
Fue usada para algunas aplicaciones de Telecomunicaciones hasta mediados de los
80s, estos tipos de fibras han permanecido en uso principalmente en las redes de
datos para transportar datos a distancias moderadas.
Fibra Monomodo

La mayor diferencia entre la fibra monomodo y la multimodo es que la monomodo
permite que un solo modo de luz se propague a través del núcleo de menor diámetro
de la fibra óptica. El núcleo de una fibra monomodo tiene de ocho a diez micrones de
diámetro. Los más comunes son los núcleos de nueve micrones.
La marca 9/125 que aparece en el revestimiento de la fibra monomodo indica que el
núcleo de la fibra tiene un diámetro de 9 micrones y que el revestimiento que lo
envuelve tiene 125 micrones de diámetro. En una fibra monomodo se utiliza un láser
infrarrojo como fuente de luz. El rayo de luz que el láser genera, ingresa al núcleo en
un ángulo de 90 grados. Como consecuencia, los rayos de luz que transportan datos
en una fibra monomodo son básicamente transmitidos en línea recta directamente por
el centro del núcleo.

Gráfico 1.19: Fibra Monomodo
Julio Proaño O.

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Esto aumenta, en gran medida, tanto la velocidad como la distancia a la que se
pueden transmitir los datos.
Por su diseño, la fibra monomodo puede transmitir datos a mayores velocidades
(ancho de banda) y recorrer mayores distancias de tendido de cable que la fibra
multimodo. Las fibras monomodo y el láser son más costosos que los LED y la fibra
multimodo. Debido a estas características, la fibra monomodo es la que se usa con
mayor frecuencia para la conectividad entre edificios.
En la figura se compara los tamaños relativos del núcleo y el revestimiento para
ambos tipos de fibra óptica en distintos cortes transversales. Como la fibra
monomodo tiene un núcleo más refinado y de diámetro mucho menor, tiene mayor
ancho de banda y distancia de tendido de cable que la fibra multimodo. Sin embargo,
tiene mayores costos de fabricación.

Gráfico 1.20: Tipos de Fibras Ópticas

La luz de láser que se utiliza con la fibra monomodo tiene una longitud de onda
mayor que la de la luz visible. El láser es tan poderoso que puede causar graves
daños a la vista. Nunca se debe mirar directamente al interior del extremo de una
fibra conectada a un dispositivo en su otro extremo. Tampoco mirar directamente
hacia el interior del puerto de transmisión en un equipo.

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1.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS DE MONITOREO EN UNA
RED ÓPTICA
1.3.1 Reflectometro Óptico en el Dominio del Tiempo (OTDR)

Este instrumento óptico se utiliza para medir atenuaciones en la fibra como por
ejemplo: atenuación en empalmes y conectores. También es muy utilizado para
medir la distancia a la que existe un corte (fin de fibra), o la distancia total de un
enlace óptico.

Principio de funcionamiento:

El OTDR es un instrumento de medición que emite pulsos de luz, a una longitud de
onda determinada (ejemplo 1550 nm), para luego medir sus “ecos”, o el tiempo que
tarda en recibir una reflexión producida a lo largo de la fibra óptica. La luz se refleja
debido al efecto backscattering; el cual se origina cuando la energía de la luz es
dispersada en todas direcciones dentro de la fibra, algunos de los rayos de luz
escapan del núcleo de la fibra pero una pequeña porción de esta energía retorna por
el núcleo, este efecto es conocido como backscattering.

Gráfico 1.21: Backscattering

La señal reflejada que se muestra en el equipo de medición es una exponencial
decreciente, con picos producidos por reflexiones en conectores y desniveles
causados por empalmes y fallos en la fibra.

Julio Proaño O.

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Gráfico 1.22 :Curva del OTDR

Por lo tanto este instrumento de medición nos permite visualizar de manera tácita lo
siguiente:


La atenuación.



La posición de fallos en términos de distancia desde un punto definido.



La atenuación en proporción a la distancia (dB/Km).



La reflectancia de un evento o línea óptica.

Elementos básicos de un OTDR

Como se puede observar en la siguiente figura un equipo OTDR está compuesto de
los siguientes elementos.

Gráfico 1.23: Bloques de un OTDR

Julio Proaño O.

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Generador de impulsos

El generador de pulsos tiene la función de controlar al diodo láser, que envía pulsos
de luz (entre 10 mW a 1 W de potencia) a la fibra. Estos pulsos pueden tener un
ancho en el orden de 2 ns a 20 μs y una reproducción de algunos kHz.
La duración del pulso (ancho de pulso) puede ser seleccionada por el operador para
diferentes condiciones de medida. La reproducción de los pulsos se controla de tal
manera de que un pulso que se envío, pueda retornar antes de que se envíe un
segundo pulso.

Diodo láser

La función de los diodos láser es emitir un haz de luz a una longitud de onda
determinada, ésta longitud de onda está normalizada por ejemplo, las longitudes de
onda son: 850 nm, 1300 nm para fibra multimodo, y 1310nm, 1550 nm para fibra
monomodo.
También existen diodos láser de 1625 nm que son en ocasiones utilizados,
particularmente en sistemas de monitoreo remoto que tienen trafico. El propósito de
utilizar 1625 nm es para evitar la interferencia con el tráfico de 1310 y 1550nm.

Fotodiodo

Los fotodiodos están diseñados para medir los niveles extremadamente bajos de
backscattering, a 0.0001% de lo que se envía por el diodo láser. Los diodos también
deben detectar la potencia relativamente alta de los pulsos reflejados de luz. Esto
causa algunos problemas cuando analizamos los resultados de un OTDR.

Base de tiempo y unidad de control

La base de tiempo controla el ancho del pulso, el espaciamiento entre los pulsos
subsecuentes y la señal de prueba.

Julio Proaño O.

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La unidad de control es el cerebro del OTDR. Este toma todos los puntos de
adquisición, realiza el promedio, los traza como una función logarítmica de tiempo y
muestra los resultados en la pantalla del OTDR.
Características de un OTDR

Rango dinámico

Determina la máxima longitud observable de una fibra y por consiguiente la
conveniencia del OTDR para analizar cualquier red en particular. Este rango
dinámico es relativamente difícil de determinar, ya que ningún fabricante usa un
método computacional normalizado.

Definiciones de Rango Dinámico:
IEC 61746: Rango Dinámico es la diferencia (en dB) entre el nivel que contiene el

98% de los puntos de datos del ruido, después de un promediado de 3 minutos.
RMS: Rango Dinámico es la diferencia (en dB) entre el nivel extrapolado de

retrodispersión al principio de la fibra y el nivel de ruido RMS, después de un
promediado de 3 minutos.

Gráfico 1.24: Rango Dinámico

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Zona muerta

La zona muerta es un estado de saturación del fotodiodo, se da cuando la potencia
que recibe el fotodiodo llega a ser 4000 veces superior que la potencia de
backscattering. Este elemento requiere un tiempo de recuperación para esta
condición de saturación lo cual provoca que durante este período el OTDR sea
incapaz de detectar con precisión la señal de backscattering.
En un OTDR se especifican dos tipos de zona muerta:


Zona muerta de atenuación



Zona muerta de evento

La zona muerta de atenuación para una reflexión o un evento de atenuación es la
región luego del evento donde el rastro desplegado se desvía más del rastro de
backscattering en un valor dado ΔF (usualmente entre 0.5 dB y 0.1 dB).

Gráfico 1.25: Zona Muerta

La zona muerta de evento es la mínima distancia en la traza, donde dos eventos
separados pueden todavía ser distinguidos. La distancia de cada evento puede ser
medida, pero la perdida de separación de cada evento no puede ser medida.

Julio Proaño O.

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Este parámetro usualmente indica la mínima distancia en el orden de distinguir entre
un evento reflectivo que ocurre en la proximidad.
Para un evento reflectivo, la zona muerta de evento se define como la distancia entre
los dos puntos opuestos que son 1.5 dB abajo del punto de no saturación.
Para un evento no reflectivo, la zona muerta de evento puede ser descrita como la
distancia entre los puntos donde empieza y acaban los niveles de un empalme o un
valor dado entre ± 0.1 dB de sus valores iniciales y finales.

Reflectancia

Se define como la relación entre la potencia reflejada por el elemento y la potencia
incidente.
La reflectancia es una característica que permite la cuantificación del coeficiente de
reflexión de un elemento óptico reflector.
El OTDR esta adaptado a las medidas de reflectancia en líneas de fibra, se mide la
amplitud de reflexión de Fresnel generada y luego el resultado es convertido en
reflectancia.
La fórmula de conversión tiene en cuenta:
• La amplitud de la reflectancia medida
• El ancho del impulso utilizado para medir la amplitud de la reflectancia (ns).
• El coeficiente de reflectancia de la fibra utilizada.
• Los valores típicos de coeficiente de reflectancia para un impulso de 1ns:
Para fibra monomodo: -79 dB a 1310 nm -81 dB a 1550 y 1625 nm
Para fibra multimodo: -70 dB a 850 nm -75 dB a 1300 nm

Julio Proaño O.

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1.3.2 Medición de potencia en fibra óptica

Fuentes y detectores

Las fuentes de luz cumplen con la propiedad de convertir la energía eléctrica en
energía óptica (estable). La energía de luz se transmite como paquetes discretos de
energía llamados fotones. Las dos fuentes de luz más utilizadas en sistemas de
comunicaciones por fibras ópticas son el LED y el diodo de inyección láser (ILD).
Ambos son fabricados desde el mismo componente base, y sus estructuras de juntura
son similares, pero difieren considerablemente en su performance. Los LEDs son
menos eficientes que los ILDs pero son más baratos. El ancho de banda de un ILD es
mucho más angosto que el de un LED, y la salida de la luz tiene un cono de emisión
muy angosto, por ello los ILDs son especialmente utilizados en fibras de diámetro
pequeño (aplicaciones de modo simple). Como dato, la eficiencia de acoplamiento de
un LED es del orden del 2%, mientras que en un ILD es mejor al 50%.
Para sistemas operan en la región de los 820nm la mínima atenuación esperable es
del orden de los 3dB/km. Trabajando a unos 1300nm, se logra bajar esta atenuación a
0.5dB/Km, pero cabe aclarar que en este caso, las fuentes y los detectores pasan a ser
el cuello de botella en la evaluación de las pérdidas. Los detectores más comunes son
los fotodiodos, tanto los PIN (material intrínseco entre la juntura pn), como los de
avalancha (APD). Ambos trabajan polarizados en inversa. Un fotodiodo puede
considerarse como un contador de fotones, luego la potencia en watts puede
obtenerse multiplicando esa cuenta por la energía de un fotón.

E

c



 f

Donde:
E= engría del fotón

 = constante de Planck: 6.63x10-34W/s2
c= velocidad de la luz: 3 x 108 m/s

 = longitud de onda
f= frecuencia
Julio Proaño O.

34

Ecuación 1.5

El número de fotones por segundo N para una fuente de luz de potencia p es:

N

p
p

E f

Ecuación 1.6

Se define como eficiencia cuántica a la relación entre el número promedio de
electrones liberados para la conducción y el número de fotones incidentes. Un
fotodiodo muy eficiente podría tener valores de cercanas a 1.
Si a la ecuación anterior la afectamos de la eficiencia cuántica, obtenemos los
electrones por segundo, y si además multiplicamos por la carga del electrón Q,
obtenemos la corriente real en amperes:

I

Qp

Ecuación1. 7

c

Donde:

Q = carga del electrón: 1.6 x 10-19 Coulombs
Entonces la foto corriente de un fotodiodo es proporcional a la potencia incidente,
pero también a la longitud de onda; como consecuencia los medidores de potencia se
deben calibrar para una longitud de onda específica.

Medidor de Potencia Óptica

Existen dos tipos de mediciones de potencia óptica: mediciones de potencia absoluta,
y mediciones de potencia relativa. Las absolutas son realizadas cuando se miden
directamente fuentes, amplificadores, y receptores, en cambio, en las relativas se
miden las pérdidas, atenuaciones, o ganancias en una red de fibra óptica. Las
mediciones relativas se expresan habitualmente en decibeles (dB), y las absolutas en
dBm (referidas a 1 miliwatt de potencia).

Julio Proaño O.

35

Para realizar una medición de las pérdidas ópticas, primeramente se transmite un
nivel de luz conocido con una fuente de luz directamente a un medidor de potencia
óptica sin el enlace a medir, este nivel se considera como nivel de referencia. Luego
se intercala el sistema a medir y se mide la potencia de la señal recibida, la diferencia
entre esta potencia y la de referencia corresponde a las pérdidas del enlace.

Principio de Funcionamiento

En un medidor de potencia óptica, básicamente se convierte el valor de la corriente
generada por el fotodiodo en un valor de tensión, por medio de un amplificador.
Luego, para evitar eventuales voltajes de ruido para bajas potencias, se coloca un
filtro pasa bajo, y por último se inserta este valor en un voltímetro digital.
Para que las medidas realizadas sean exactas se requieren las siguientes condiciones:



Utilizar una fuente de luz estable respecto al tiempo y la temperatura.



Verificar que las conexiones, las fibras y las células receptoras estén
perfectamente limpias.



Utilizar una línea de referencia entre la fuente del láser y el elemento bajo
prueba. Para realizar varias mediciones con las mismas condiciones de
eyección de luz, la fibra de referencia no debe desconectarse durante el
periodo de medida.

1.3.3 Medidor de Potencia Óptica Inalámbrico

La empresa canadiense Oz Optics lanzó al mercado un conjunto de sensores que
permiten realizar mediciones de forma remota sobre las señales que viajan por las
fibras ópticas empleando tecnología inalámbrica. La cabeza sensora, llamada
"Wireless Fiber", consiste básicamente en un fragmento de fibra, un fotodetector y
un radiotransmisor, todo ello integrado en el espacio de una caja de cerillas. En el
tramo de fibra se encuentra impresa una red de difracción de Bragg que refleja en

Julio Proaño O.

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torno al 1% de la señal óptica hacia el fotodiodo de InGaAs, donde se realiza la
medida y se transmite de forma inalámbrica.
El alcance de la comunicación puede ser desde 10 m hasta más de 1 Km. empleando
tecnologías inalámbricas tales como Bluetooth o Wi-Fi. De este modo, el usuario
puede equipar su teléfono móvil, PDA u ordenador portátil con un receptor
inalámbrico USB/SDIO para mostrar las medidas de potencia.

Gráfico 1.26: Medidor de Potencia Óptica Inalámbrico
Fuente: http://www.encarta.msn.es

El verdadero potencial de esta tecnología se encuentra en que pueden instalarse de
forma permanente miles de estos sensores en puntos concretos de una red óptica,
permitiendo un proceso automático de monitorización. Cada uno de estos sensores
puede direccionarse de forma individualizada, y además las comunicaciones pueden
codificarse para evitar lecturas no autorizadas. Todo esto facilita enormemente el
trabajo de los ingenieros que deben controlar el funcionamiento de una red FTTH
(fiber to the home), ya que pueden recorrer el vecindario con un dispositivo
inalámbrico y monitorizar de forma automática los niveles de potencia óptica de
todos aquellos nodos que se encuentren instalados.
Mediante unos pequeños cambios, como por ejemplo incorporando redes de Bragg
adicionales, los sensores pueden permitir medidas más complejas de longitudes de
onda o de polarización de las señales.

Julio Proaño O.

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Capitulo 1

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