Este documento describe los principios básicos de funcionamiento de las fibras ópticas, incluyendo que transmiten luz a través de reflexiones internas totales y que pueden ser monomodo o multimodo. También resume los parámetros característicos de las fibras ópticas como la atenuación, dispersión y construcción típica de un cable de fibra óptica.

1. Sistema de Comunicaciones
Fibras Ópticas
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1

2. 2

3. Introducción a las fibras ópticas
Resumen:
En este artículo se describen los principios de funcionamiento y las características
generales de las fibras ópticas que se utilizan en la actualidad en un importante
campo de aplicaciones.
Desarrollo:
Introducción
La idea de transmitir información por medio de ondas luminosas tiene muchos
siglos de antigüedad. De hecho, el clásico heliógrafo (telégrafo óptico de luz solar)
y la transmisión de mensajes por antorchas responden a esa idea.
En el año 1958 se desarrolló un método para la producción de radiaciones
electromagnéticas en las longitudes de onda del espectro visible, utilizando los
cambios de los niveles energéticos de los átomos para producir radiaciones
electromagnéticas controladas. El aparato utilizado se denominó LASER (Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Las fuentes luminosas habituales (lámparas incandescentes, fluorescentes, etc.)
producen un espectro compuesto por una banda ancha de señales con distintas
frecuencias y fases, así como diferentes amplitudes y polarizaciones (luz no
coherente).
En cambio, el láser se caracteriza por ser un generador de luz monocromática
(ondas de la misma frecuencia y en fase) constituyendo su salida un haz de luz
coherente. Además, las trayectorias de los rayos emergentes del láser resultan
paralelas, lo que permite concentrar una alta cantidad de energía en superficies
reducidas, como es el caso de las fibras de vidrio.
Con la invención del láser como fuente de luz coherente, se volvió a considerar la
idea de utilizar aquella como soporte de comunicaciones y sistema sustitutivo de
los existentes, formulando al mismo tiempo los primeros conceptos sobre
transmisión por guías de ondas de vidrio.
Su utilización para comunicaciones digitales resultaba particularmente atractiva, ya
que con una fuente láser disparada a alta velocidad fácilmente se pueden
transmitir los unos y ceros de una comunicación digital.
Poco tiempo después, en 1975, aparecieron los primeros modelos experimentales y
se publicaron los resultados del trabajo teórico. Estos indicaban que era posible
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4. confinar un haz luminoso en una fibra transparente flexible y proveer así un
análogo óptico de la transmisión electrónica por alambres metálicos.
En aquel tiempo empezaron a producirse vidrios muy puros. Este gran avance dio
ímpetu a la industria de las fibras ópticas. Se usaron láseres o diodos emisores de
luz como fuente luminosa en los cables de fibras ópticas. Ambos debieron ser
miniaturizados para componentes de sistemas fibro-ópticos, lo que ha exigido una
considerable labor de investigación y desarrollo.
La instalación comercial de las fibras ópticas se difundió de modo creciente a partir
de 1980. En la actualidad, su campo de empleo abarca una amplia gama de
aplicaciones tales como acoplamientos optoelectrónicos, sensores, artefactos de
iluminación, etcétera; pero el uso que se destaca claramente es el de vínculo de
transmisión de datos, ya que constituye el medio terrestre de comunicaciones de
mayores prestaciones y de más alta potencialidad.
circuitos de fibra óptica son filamentos de vidrio (compuestos de cristales
naturales) o plástico (cristales artificiales), del espesor de un cabello. Llevan
información en forma de haces de luz que los atraviesan de un extremo a otro,
donde quiera que el filamento vaya (incluyendo curvas y esquinas) sin
interrupción.
Ahora las fibras ópticas pueden usarse como los alambres de cobre
convencionales, tanto en pequeños ambientes autónomos (tales como sistemas de
procesamiento de datos de aviones), como en grandes redes geográficas (como
los sistemas de líneas urbanas telefónicas).
Principio de funcionamiento
Las fibras ópticas son básicamente canales conductores de radiación luminosa
basados en el principio de reflexión interna total, y se componen por dos
materiales con índices de refracción distintos, dispuestos en forma de cable coaxil.
Uno de los materiales forma el núcleo de la fibra y debe tener un índice de
refracción N1 mayor que el índice N2 correspondiente al material que forma el
recubrimiento.(figura 1)
Cabe recordar que el índice de refracción de un medio es el cociente entre la
velocidad de la luz en el mismo y la velocidad de la luz en el vacío.
Cuando la luz incide sobre la interfase entre dos materiales con distintos índices de
refracción se cumple la Ley de Snell, que establece:
N1 sen ( Φ1) = N2 sen (Φ2)
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5. Donde Φ1 es el ángulo de incidencia y Φ2 el ángulo de refracción. Se busca que el
ángulo Φ2 sea mayor o igual a 90 grados para lograr un reflexión total interna (sin
refracción, como en un espejo), de manera que la luz se refleje dentro de la fibra y
no salga de la misma, lográndose así que no haya pérdidas de radiación.
Sustituyendo Φ2 =90 grados en la ecuación anterior tenemos que :
sen(Φc) = N2 / N1
Donde Φc es el denominado ángulo crítico. Por lo tanto, para evitar pérdidas, el
ángulo con que la luz incide en la interfase debe ser superior al ángulo crítico.
Además, debe recordarse que la luz se propaga en línea recta, y por lo tanto
dichas reflexiones internas son las que permiten que la fibra óptica pueda
transmitir la luz en las trayectorias curvas que pueda encontrar en su montaje.
El ángulo de incidencia crítico determina un cono de admisión (o aceptación)
dentro del cuál estarán todos los rayos que es capaz de transmitir la fibra óptica.
(figura 2)
El seno del ángulo de admisión de dicho cono se denomina apertura numérica
(AN).
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6. Parámetros característicos
A continuación se presenta un cuadro con la clasificación general de los
parámetros característicos de las fibras ópticas:
1 - Parámetros estáticos.
1.1 Ópticos.
1.1.1 Apertura numérica.
1.1.2 Perfil del índice de refracción.
1.2 Geométricos.
1.2.1
1.2.2
1.2.3
1.2.4
1.2.5
Diámetro del núcleo.
Diámetro del revestimiento.
Excentricidad.
No circularidad del núcleo.
No circularidad del revestimiento.
2 - Parámetros dinámicos.
2.1 Atenuación.
2.1.1 Atenuación intrínseca de la fibra.
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7. 2.1.2 Atenuación por causas extrínsecas.
2.2 Dispersión temporal.
2.2.1 Dispersión modal.
2.2.2 Dispersión del material.
2.2.3 Dispersión por efecto guía de ondas.
En los párrafos siguientes presentaremos una breve descripción de estos ítems.
Los parámetros estáticos son constantes a lo largo de la fibra, dentro de las
tolerancias propias de la fabricación, y se refieren a las características ópticas y
geométricas de la misma.
Cubierta
Presión Externa
Núcleo
Figura 3
Las características ópticas comprenden:
La apertura numérica (AN), determinante de la cantidad de luz que puede aceptar
una fibra y, en consecuencia, de la energía que puede transportar, no
necesariamente ligada a la calidad de la información correspondiente. La misma es
función de los índices de refracción de los materiales.
El perfil del índice de refracción, que define la ley de variación del mismo en
sentido radial, y siendo la velocidad de la luz en cada punto función de dicho
índice, dará lugar a diversas velocidades en diferentes puntos.
Las características geométricas como los diámetros y excentricidades son función
de la tecnología utilizada en la fabricación de las fibras, y las tolerancias
correspondientes serán consecuencia de la misma.
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8. Los parámetros dinámicos son característicos de la fibra que afectan la progresión
de la señal a lo largo de la misma.
La atenuación, que aún correspondiendo al mismo concepto que en los
conductores metálicos, no debe hablarse de igual forma que en mismos, pues no
depende de la frecuencia de cada una de las componentes espectrales de la señal,
sino de la longitud de onda de la luz portadora misma.
Los mecanismos que provocan esta atenuación pueden tener su origen en causas
intrínsecas a la propia fibra o en factores externos a la misma, tales como el
envejecimiento, el tendido, los procesos de fabricación, etc. Cabe señalar que el
progreso tecnológico ha reducido la atenuación tipica, de 1000 dB/km en los años
60 a 0,2 dB/km en la actualidad.
La dispersión temporal (o modal) es causada por las características dispersivas de
la fibra sobre la señal en el transcurso del tiempo, lo que provoca un
ensanchamiento en el tiempo de los impulsos, a medida que progresan en su
recorrido, y en consecuencia, una deformación de los mismos acarreando errores
que, en definitiva, son los que limitan la velocidad de información que puede
transportar la fibra.
En general se puede decir que cuanto mayor sea la anchura espectral de la fuente
de luz utilizada, menor será la capacidad de transmisión de información de la fibra.
Finalmente recordemos las equivalencias de algunos submúltiplos del metro, que
se utilizarán en los apartados siguientes:
1 mm = 10-6 m
1 nm = 10-9 m
Micrómetro
Nanómetro
Fibras monomodo y multimodo
Si se quiere estudiar rigurosamente la propagación de la luz en el interior de la
fibra óptica, es preciso trabajar con las ecuaciones de Maxwell. Al resolver dichas
ecuaciones de campo aparece un parámetro "V", llamado frecuencia normalizada,
relacionado con el número de veces que el radio "a" de la fibra contiene la longitud
de onda.
Este factor V depende de la longitud de la onda que se está propagando, del
diámetro del núcleo, del índice de refracción del mismo y de la apertura numérica.
El parámetro V se utiliza para identificar el número de modos posibles en una
transmisión por una guía de ondas, demostrándose que para valores de V menores
a 2,405 existe únicamente un solo modo de propagación, mientras que para
valores superiores es posible la existencia de más modos.
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9. En la expresión de frecuencia normalizada, y para una determinada longitud de
onda incidente, se pueden combinar diversos de los índices de refracción del
núcleo y revestimiento, de modo que en todo caso que se mantenga una V menor
o igual que 2,405, de lo que resultarán diferentes fibras con una característica
común: la transmisión, por lo que se les denomina "fibras monomodo".
A medida que el valor de V se incrementa, aumenta el número de modos
transmitidos y a estas fibras se les denominan "fibras multimodo". Es importante
mencionar que la presencia de muchos modos de transmisión provoca
atenuaciones en la señal de información que se este transmitiendo.
Características constructivas
Si para transmitir la luz se utiliza un cilindro de vidrio muy fino y de gran longitud,
resulta un producto muy frágil. Es por ello que en la actualidad, para brindar una
mayor flexibilidad también se emplean fibras sintéticas.
Los principales modelos constructivos son:
1) Fibras con núcleo de plástico y capa plástica.
2) Fibras con núcleo de vidrio y capa plástica. "PCS"
3) Fibras con núcleo de vidrio y capa de vidrio. "Silica-cald-silica"
Sin perjuicio de lo anterior, algunos textos presentan estos tres tipos de fibra
óptica:
A) La fibra a salto de índice (200/380 mm): constituida de un núcleo y de una faja
óptica en vidrio de diferentes índices de refracción. Esta fibra provoca una
dispersión grande de las señales que la atraviesan, por la importante sección del
núcleo, que genera una deformación de la señal recibida.
B) La fibra a gradiente de índice: cuyo núcleo está constituido de sucesivas capas
de vidrio con un índice de refracción similar. Se aproxima así a una igualación de
los tiempos de propagación, lo que quiere decir que se ha reducido la dispersion
nodal. Banda pasante típica 200-1500 MHz por km. Es este tipo de fibra es
utilizada en el interior de los edificios (62,5/125 mm) y entre ciertos sitios
comunicados por los PTT (50/125 mm).
C) La fibra monomodo: cuyo núcleo es tan fino que el camino de propagación de
los diferentes modos es prácticamente directo. La dispersión nodal se hace casi
nula. La banda pasante transmitida es casi infinita (> 10 GHz/km). Esta fibra es
utilizada esencialmente para los sitios a distancia. El pequeño diámetro del núcleo
(10 mm) necesita una potencia grande de emisión, por lo que son relativamente
onerosos.
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10. Una gran cantidad de cables de fibras ópticas se fabrican a partir de arena o sílice,
que es una materia prima abundante en comparación con el cobre. Con unos
kilogramos de vidrio pueden fabricarse muchos kilómetros de fibra óptica.
Cada cable consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico con
diámetro de 50 a 125 mm, con un revestimiento que rodea y protege al núcleo.
Habitualmente las fibras ópticas se disponen en cables multifilares con una
protección exterior, que según la aplicación, puede dar lugar a cables blindados,
antiflamas, protegidos contra roedores, sumergibles, autoportantes, libre de
halógenos, etcétera.
También hay cables híbridos, que incluyen conductores de cobre para redes de
datos o para energía eléctrica. Un caso particular es el empleado como hilo de
guardia de redes aéreas, que incluye una fibra óptica en su núcleo para
transmisión de datos entre subestaciones.
Un cable de fibra óptica típico cuenta con los siguientes elementos.
1. Núcleo. Compuesto por una región cilíndrica, por la cual se efectúa la
propagación de la luz (puede ser de vidrio o plástico).
2. Cubierta primaria. Se aplica durante el estirado de la fibra. Es la zona externa y
coaxial con el núcleo, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo de
propagación, también se denomina envoltura o revestimiento (es de plástico).
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11. 3. Cubierta secundaria. Proporciona protección radial, contra esfuerzos mecánicos.
Por su forma puede ser: de tubo apretado (d=0.8 a 1 mm) o tubo holgado (d=1 a
3mm). Por sus materiales puede ser de poliuretano, nylon o teflón.
4. Miembro de tensión. Proporciona un elemento que absorbe las cargas
longitudinales del cable óptico.
5. Barrera contra la humedad. Evita la penetración de humedad al cable, se utilizan
petrolato o jelly (repelente al agua), o jalea contra la humedad. En fibras
submarinas existe la presurización por nitrógeno o por aire seco.
6. Cubiertas del cable. Protege a las fibras y demás elementos del cable, de
impactos, fricción y elementos corrosivos. Se emplea el polietileno PVC.
7.Armadura. Protege contra daños mecánicos, roedores y termitas, se utilizan
acero o aluminio.
8. Barrera térmica. Protege térmicamente a los elementos del cable durante su
extrusión de cubiertas y previene posibles daños causados por cambios muy
bruscos de temperatura. Se utiliza la cinta mylar.
Por otro lado, para que se cumpla la exigencia de la reflexión total dentro de la
fibra y que no escape radiación de la superficie de la misma (bajas pérdidas), hay
que tener en cuenta los siguientes puntos :
a) Cualquier imperfección de la superficie (ondulaciones, rayas o fallas) puede
producir un escape de la luz que viaja por el interior de la fibra.
b) Una simple gota de aceite (cuyo índice de refracción es cercano al vidrio) puede
modificar el comportamiento en el punto de reflexión. Esto puede producir
pérdidas de energía en la fibra.
Al realizar la instalación de comunicaciones fotónicas con fibras ópticas se debe
contar con los siguientes componentes:
·
·
·
·
Emisor o transmisor (es el equipo que provee la fuente luminosa modulada).
Fibra óptica (es el conductor de la luz).
Soporte físico (utilizado para sujetar la fibra).
Receptor o detector (es el equipo que demodula la información luminosa).
El transmisor óptico tiene la función de convertir las ondas eléctricas en señales
ópticas conducidas al núcleo de la fibra, mientras que el receptor realiza el proceso
inverso mediante un fototransistor o un fotodiodo.
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12. Los transmisores utilizados deben operar en las longitudes de onda en las que la
fibra posee bajas pérdidas y poca dispersión.
Para la transmisión simultánea de varias señales eléctricas a través de un tramo de
fibra óptica existen varios posibilidades fundamentales distintas. En el primer caso
se dispone para cada señal de un sistema con una fibra propia. Todos los sistemas
se encuentran estructurados simultáneamente; esta disposición se denomina
Múltiplex de Fibras.
Si se utilizan transductores electroópticos con longitudes de ondas diferentes y se
caracteriza su potencia lumínica emitida a través de acopladores selectivos ópticos
para la transmisión es suficiente solo una fibra. Esta disposición se denomina
Multiplex de Longitudes de Onda.
Si se emite luz desde diferentes fuentes y con longitudes de onda distintas una de
otra, puede modularse cada rayo lumínico individualmente. En los acopladores
ópticos puede juntarse la luz de diferentes fuentes al comienzo del tramo, siendo
separada nuevamente al final del tramo mediante desacopladores de rayos
selectivos ópticos.
El transmisor es un convertidor electroóptico y consiste en una unidad cuyas
entradas son la señal procedente del codificador y la señal de reloj, y su salida son
impulsos luminosos que se acoplan a la fibra óptica mediante un conector óptico.
Actualmente, la fuente que genera los impulsos luminosos a partir de la señal
eléctrica es un diodo semiconductor en el que la radiación luminosa está basada en
la emisión de fotones debido a la recombinación de pares electrón-hueco
provocada al circular una corriente por la unión PN. Las fuentes fundamentales son
el LED ("Diodo de Efecto Luminiscente") y el LD ("Diodo Láser").
En general, la elección de uno u otro tipo de emisor es función de la potencia de
salida necesaria y de la velocidad binaria requerida: el láser tiene una mayor
potencia de salida que el LED y presenta mejores posibilidades de acoplamiento a
la fibra. Sin embargo, es más caro que el diodo LED y su vida es menor, aunque
últimamente esto no sea rigurosamente cierto.
Existen dos tipos básicos de LED: el LED con emisión de superficie y el LED con
emisión en el borde (ELED). Los primeros emiten luz perpendicular al plano de la
unión PN, a través de la superficie, por lo que gran parte de la radiación queda
absorbida en el sustrato. En los ELED la luz se emite en el plano de la unión, con lo
que la absorción es muy pequeña. Esta estructura permite un mejor rendimiento
cuántico externo y un acoplamiento a las fibras. De las características se deduce
que la aplicación idónea del LED está en sistemas con:
-Fibras multimodo de apertura numérica alta.
-Baja velocidad de transmisión.
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13. -Pequeña sección de regeneración.
Además de las características anteriormente expuestas, la gran fiabilidad, elevada
vida media (superior a 100.000 horas) y un precio aceptable, convierten al LED en
la fuente óptica más conveniente para muchos sistemas por fibra óptica.
Además, cabe acotar que hay LED que funcionan en el rojo visible (850 nm) y se
utilizan para el estandard Ethernet FOIRL; y también hay diodos a infrarojo que
emiten en la región invisible a 1300 nm.
El láser semiconductor es un diodo electroluminiscente, construido por una unión
PN con fuerte polarización directa, cuya estructura está especialmente diseñada
para favorecer la emisión estimulada de fotones, se utilizan heterouniones para
controlar la anchura de la región de recombinación.
Actualmente existen una gran variedad de láseres semiconductores para trabajar a
longitudes de onda de 850 nm. La pérdida considerablemente más baja, así como
la menor dispersión de las fibras de sílice a 1300 y 1550 nm han alentado el rápido
desarrollo de láseres que operan a esas longitudes de onda. Los lasers
habitualmente son utilizados para la fibra monomodo.
Los dos principales métodos empleados para codificar la señal óptica de salida de
los diodos láser son: La modulación PCM para sistemas digitales y la modulación
AM, para sistemas analógicos. La limitación para aumentar la velocidad de
modulación del láser depende directamente del tiempo de vida de los portadores y
de los fotones.
La adecuación de la señal al medio de transmisión exige darle determinada forma,
lo que se consigue mediante los llamados códigos de línea. En los sistemas de
transmisión por fibra se incluyen, además de las señales de tráfico propiamente
dichas, otras de control de la tasa de errores, sincronización, supervisión y
telealimentación.
En ciertos casos, antes de que la atenuación y la dispersión de la señal inyectada
la hagan irreconocible para el receptor, es preciso regenerarla. Esta función
corresponde a los repetidores o regeneradores, que no son propiamente
amplificadores, ya que no sólo restituyen el nivel de la señal, sino que la
conforman. Para regenerar la señal procedente de la fibra es preciso proceder
previamente a una conversión optoeléctrica; la señal eléctrica obtenida se trata en
el regenerador y se pasa después por otro convertidor optoeléctrico, lanzándola
nuevamente al medio de transmisión.
En el otro extremo de la fibra, el detector convierte la señal óptica que procede de
la fibra en una señal eléctrica como primera parte del proceso de recepción; a
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14. continuación, la señal se regenera para llevarla a un equipo terminal o para ser
incorporada a la siguiente etapa de un repetidor óptico.
Los sistemas que operan actualmente incorporan la detección directa de una señal
que moduló en intensidad a la portadora de la fuente láser; el detector se limita a
obtener una fotocorriente a partir de la luz modulada incidente, por lo que esta
corriente será proporcional a la potencia recibida, y corresponderá a la forma de
onda de la moduladora.
En principio, el tipo más sencillo de detector corresponde a la unión PN de un
semiconductor cuyo intervalo de energía entre las bandas de valencia y de
conducción sea pequeño, lo que permitirá que un fotón que incida en la unión
tenga energía para permitir la creación de un par electrón-hueco. Ambos
portadores circularán en sentidos opuestos, creando una fotocorriente sobre el
circuito externo.
Ventajas y desventajas
Entre las ventajas que ofrece la utilización de fibras ópticas modernas, se pueden
citar:
·
·
·
·
·
·
·
·
·
Bajas pérdidas
Inmunidad a interferencias electromagnéticas exteriores
No generan interferencias en el medio
Amplio ancho de banda
Capacidad de multiplex amplio
Reducidas dimensiones y bajo peso
Fácil instalación y mantenimiento
Inmune a la corrosión
Larga vida útil
La fibra presenta un gran ancho de banda, lo que supone más información por
conductor que con los medios convencionales. Se manejan valores desde cientos
de MHz hasta decenas de GHz.
La atenuación que presenta es independiente de la velocidad de transmisión a la
que se explota, lo cual no ocurre en cables convencionales. La fibra óptica es
totalmente adecuada en virtud de esta característica para transmitir las más altas
jerarquias digitales. Sin embargo presenta cierta atenuación, función de sus
características físicas, que, además,es variable con la longitud de onda de la señal
que la atraviesa. Esta atenuación pasa por unos mínimos en determinadas
longitudes de onda.
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15. La fibra óptica es inmune al ruido y las interferencias por ser un medio dieléctrico,
característica muy positiva en muchas aplicaciones, sobre todo cuando el cable
debe pasar por zonas donde hay instalaciones con mucha contaminación
electromagnética.
La información que viaja por la fibra no se puede detectar, porque la luz no es
sensible a ningún fenómeno de tipo inductivo por la especial configuración de su
campo electromagnético. Esto explica que cerca del 10% de la producción mundial
de fibra se destine a instalaciones militares.
El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos,
redundando en su facilidad de instalación. A igualdad de prestaciones, mientras
que un cable de fibra óptica puede pesar unos 190 Kg/km, uno coaxial ronda los
7900 Kg/km.
El silicio tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura,
pues funde a 600C. La fibra óptica presenta un funcionamiento uniforme desde 55ºC a +125ºC sin degradación de sus características.
Estos limites pueden variar según se trate de fibras realizadas a partir del vidrio o
a partir de materiales sintéticos.
La materia prima para fabricarla es abundante en la naturaleza, lo cual lleva los
costos a la baja según mejoran los procesos tecnológicos, al contrario de lo que
ocurre con el cobre, cuyo precio depende fundamentalmente de las reservas. De
hecho, el precio de los cables de fibra ha ido disminuyendo progresivamente desde
su nacimiento.
La calidad de la señal por fibra óptica es por mucho más alta que por satélites
geoestacionarios, situados en órbitas de unos 36.000 km de altura, y el retardo
próximo a 500mseg. introduce eco en la transmisión, mientras que en las fibras
este se sitúa por debajo de los 100mseg admitidos por el CCITT.
Entre las desventajas que ofrece la utilización de fibras ópticas modernas, se
pueden citar:
A) Costos de instalación elevados.
B) Dificultad de reparar un cable roto en el campo.
C) La fibra óptica por si sola no tiene características adecuadas de tracción que
permitan su utilización directa; es por esto que deben agregarse elementos que la
ayuden en ese aspecto e incluso que la sustituyan. Cuando el cable se estira o
contrae se pueden producir esfuerzos que rebasen el límite de elasticidad de la
fibra óptica y se rompa o formen microcurvaturas que deformen la señal enviada.
Edgardo Faletti
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