Introducción a las Fibras Opticas para Comunicaciones info@delandsrl.com http://www.delandsrl.com

Programa Fibras ópticas para comunicaciones: conceptos teóricos y propiedades Conceptos teóricos generales Fibras multimodo y monomodo Cables con fibras ópticas: tipos y aplicaciones

Programa Elementos pasivos Manipuleo de fibras ópticas Uso de herramientas Conectorizaciones en campo Empalmes mecánicos Verificación de conectores Ubicación en unidades de distribución

Programa Técnicas de medición Cálculos de atenuación Certificación de instalaciones Preparación de informes

Programa Video: Fabricación de fibras ópticas (Corning Glass) Video: Armado de conectores Video: Uso de herramientas (Clauss) Video: Interferometría Presentación: medición con refractómetro

Fibras ópticas - Historia Charles Kao - ITT Labs, Harlow, Inglaterra - 1966 Mensajes a alta velocidad por filamento de vidrio

Fibras ópticas - Historia Desarrollar un tipo de vidrio lo suficientemente puro 1 % de la luz fuese retenido luego de 1 km de recorrido longitud de los tramos de cobre sin repetidores en esa época 1% de luz remanente equivale a 20 dB/km.

Fibras ópticas - Historia 1970 científicos de Corning (Drs. Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz) menos de 20 dB/km en una fibra óptica de vidrio muy puro.

Niveles de atenuación

ATENUACION vs. LONGITUD DE ONDA

Fibras ópticas Formadas por un filamento de vidrio de elevada pureza. Poseen un núcleo por el que se transmiten haces de luz con longitudes de onda perfectamente establecidas. 850 nm 1300 nm 1550 nm nm = nanómetro = 0.000000001 metros. color rojo = 700 nm , infrarrojo = 900 nm.

Ventajas de las fibras ópticas Alta calidad de transmisión. Mayor capacidad para el transporte de información. Atenuación mucho menor que en medios de transmisón basados en cobre.

Ventajas de las fibras ópticas Bajo peso y tamaño reducido. Es dieléctrica. Inmunidad a las interferencias electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI).

Ventajas de las fibras ópticas Facilidad de instalación Escaso mantenimiento y elevada confiabilidad Simplicidad en las actualizaciones y mejoras Se pueden usar varias longitudes de onda (WDM).

Ventajas de las fibras ópticas Los costos de instalación tienden a reducirse. Hay menos componentes activos presentes. Ausencia de corrosión. Alta seguridad. Es virtualemente imposible introducirse en un sistema de fibra óptica sin ser detectado.

Tipos de fibras ópticas Multimodo con índice escalonado. Multimodo con índice gradual. Monomodo con índice escalonado. Monomodo con dispersión desplazada. Monomodo con dispersión aplanada.

Qué es un modo ? Un modo puede ser pensado como un patrón de ondulaciones fijas que se forman en la sección transversal de la fibra. Si hay varios medios ciclos de tales ondulaciones, continuos a lo largo del diámetro del núcleo de la fibra, la fibra está operando como una fibra multimodo. Si hay sólo un medio ciclo, está operando como monomodo.

Multimodo Multimodo Monomodo

Primeras instalaciones Primer sistema comercial: ITT, 1977, industria telefónica, multimodo. Primera instalación monomodo: MCI para sistema larga distancia en 1983 Fines de los 80’s : reemplaza casi totalmente al cobre en las comunicaciones telefónicas de larga distancia.

Parámetros Atenuación de la transmisión reducción de su intensidad a lo largo de un tramo (absorción, difusión, flexiones - < 50 mm - y microflexiones). Se mide en decibeles por km [dB/km].

Parámetros Dispersión Diseminación de los pulsos de luz a lo largo del segmento de transmisión. Un pulso de luz LASER o LED consiste de un rango de longitudes de onda Cada longitud de onda viaja a una velocidad diferente en el vidrio Se mide en incrementos de ancho de pulso de la unidad de espectro por unidad de longitud [ps/nm.km]

Atenuación y dispersión

Parámetros Diámetro del campo modal Longitud de onda de corte En las fibras ópticas monomodo la luz es más intensa en el núcleo pero algo de luz se propaga en la zona del cladding. El diámero del campo modal es la medida del círculo de luz completo Longitud de onda de corte Es la longitud de onda por encima de la cual una fibra óptica monomodo soporta sólo un modo, o rayo, de luz.

Parámetros Apertura numérica Factor que define el grado de exactitud y eficiencia con el cual se debe encauzar un haz de luz dentro de una fibra óptica. qa n1 n2 n0 q1 C B qc NUCLEO CLADDING A

Apertura numérica Por ejemplo si tenemos una fibra con = 1.45 y 1% de entre índices de refracción, NA=0.21 radianes ó 12°.

Parámetros Diámetro del campo modal Factor que tiene en cuenta la penetración del campo modal dentro del cladding. Permite mejores mediciones de las propiedades funcionales de la fibra que el diámetro del núcleo.

PERDIDA DE HACES DE LUZ POR MACROFLEXIONES

PERDIDA DE HACES DE LUZ POR MICROFLEXIONES Y FALLAS

Tamaño de las fibras ópticas Fibra monomodo - diámetro de núcleo de 8-10 µm. Fibra multimodo - diámetro de núcleo de 50 a 100 µm. Diámetro externo (ambos tipos) de 124 a 126 µm.

Fibras ópticas comerciales más usuales Multimodo FDDI Standard. 62.5/125 µm. Multimodo 50/125 µm. Multimodo 100/140 µm. Monomodo 8.7/125 µm.

Fibras ópticas comerciales Multimodo FDDI Standard. 62.5/125 µm. Se la utiliza mucho en redes de área local para especificaciones FDDI, FOIRL y Token-Ring. Las distancias usuales de aplicación rondan entre 1 y 4 km. Diámetro del núcleo=62.5 µm, diámetro de la fibra de vidrio o "cladding"=125 µm. Sobre la fibra suele aparecer una cubierta acrílica protectora de 250 µm.

Fibras ópticas comerciales Multimodo 50/125 µm. Fibra multimodo de alta performance, con menor atenuación y mayor ancho de banda que la anterior. Se la suele utilizar para distribución de video y distancias moderadas. Su costo es menor que la 62.5/125 µm.

Fibras ópticas comerciales Multimodo 100/140 µm. Fibra de baja performance, con mayor atenuación y menor ancho de banda que las anteriores. Se la suele utilizar para capturar más luz de fuentes lumínicas de bajo costo. Bastante usada en dispositivos de automatización industrial. Su costo es de alrededor del doble de la 62.5/125 µm.

Fibras ópticas comerciales Monomodo 8.7/125 µm. Es la fibra óptima de mejor performance. Es utilizada en grandes distancias (decenas de km) para telefonía y televisión por cable. En redes de área local/metropolitana se la utiliza cuando se desea recorrer grandes distancias sin elementos repetidores intermedios. Debido a que posee un núcleo muy reducido requiere fuentes de luz capaces de alinear el haz con el eje del núcleo. Esas fuentes de luz (fuentes laser en general) son más costosas que las utilizadas con las fibras multimodo (fuentes basadas en diodos emisores de alta potencia).

Fibras ópticas comerciales Matched-clad Es la que se obtiene con el proceso OVD y es reconocida por su consistencia. Este factor es muy importante cuando es necesario empalmar fibras con fibras

Fibras ópticas comerciales Depressed-Clad Es la que se obtiene con el proceso IVD o MCVD. Existe una zona de transición "deprimida" entre el valor del índice de refracción del núcleo y el del cladding. Más concentración de dopantes Pueden dar lugar a mayores atenuaciones. No son tan consistentes como las anteriores

Fibras ópticas en los cables con fibras ópticas monomodo standard (»0.35 dB/km) dispersión desplazada (»0.25 dB/km) dispersión aplanada (»0.30 dB/km) etc. con fibras ópticas multimodo FDDI / FOIRL standard 62.5/125 µm (»3 dB/km) de alto rendimiento 50/125 µm (»2 dB/km)

Selección del tipo de fibra óptica Longitud de onda, potencia, NA, tipo de fibra óptica. Longitud de tramo entre equipos electro-ópticos de emisión y recepción. De acuerdo al tipo de fibra a utilizar, se calcula la atenuación prevista para cada tramo y se verifica que esté dentro de los valores de atenuación admisibles.

Relación mecánica entre las fibras ópticas y su cable Grado de concentricidad de la cubierta primaria Ensayos de resistencia (50, 100, 150, 200 kpsi) Carga de tracción máxima. Durante la instalación Permanente Carga máxima de aplastamiento. Esfuerzos máximos de corte. Supervivencia de las fibras a esfuerzos de tracción constantes. Mandriles de doblado. Temperatura de operación

Tipos de cables Cables para interior para conductos verticales para conductos horizontales para exterior para ambientes agresivos aéreos con tensor aéreos sin tensor dieléctricos etc.

Selección del tipo de cable Ambiente Obra civil Tensiones

Selección del tipo de cable Flexiones o posibles microfisuras que puedan aparecer durante la vida útil del cable. La cubierta del cable se eligirá en función del destino: .Interior .Exterior en contacto con el aire. .Exterior aéreo. .Exterior subterráneo. .Mixto.

Selección del tipo de cable Cables Fibra óptica + coating Pyrocoat Recubrimiento primario 250 / 500 µm (no siempre) Recubrimiento secundario 900 µm Cubierta protectora primaria + elementos resistentes Cubierta externa + elementos resistentes

Cables para fibras ópticas Cables break-out BUFFER DE 900 µm (Tight buffer) RECUBRIMIENTO PRIMARIO DE 250 ó 500 µm COBERTURA BREAK-OUT CLADDING+COATING NUCLEO FIBRAS DE KEVLAR

Cables para fibras ópticas Cables break-out (n fibras) CUBIERTA EXTERNA

Cables para fibras ópticas Cable break-out (n fibras) con malla MALLA METALICA O HILOS DE KEVLAR CUBEIRTA EXTERNA

Cables para fibras ópticas Cable tight-buffer (n fibras) CUBIERTA EXTERNA ELEMENTO RIGIDIZANTE O DE ACOMPAÑAMIENTO FIBRA DE KEVLAR FIBRAS OPTICAS CON BUFFER DE 900 µm

Cables para fibras ópticas FIBRAS OPTICAS + COATING Cable tubo suelto relleno con gel ELEMENTO RESISTENTE CUBIERTA EXTERIOR DE POLIETILENO ARMADURA DE ACERO CORRUGADO CINTA CONTRA EL AGUA COBERTURA INTERIOR DE POLIETILENO CINTA DE POLIESTER COMPUESTO CONTRA LA HUMEDAD TUBO SUELTO RELLENO CON GEL

Cables para fibras ópticas Cables tipo break-out y/o tight-buffer Para redes de hasta 20/25 km Para redes troncales con numerosas aperturas Pocas fibras ópticas por cable (hasta 48/50 fibras) Dentro de edificios y en ambientes mixtos (dentro/fuera) En ductos verticales (necesidad de resistencia al peso propio) En ductos horizontales (necesidad de una gran flexibilidad, pequeños mandriles de doblado y diámetros reducidos) Para mejorar la resistencia a las llamas Para acceder a puestos de trabajo Para segmentos y pigtails

Cables para fibras ópticas Cables tipo break-out y/o tight-buffer En ambientes agresivos, en contacto directo con la tierra, altas/bajas temperaturas (sitios con gran amplitud térmica) En tendidos aéreos con condiciones climáticas extremas (-45/+85 °C) En tendidos aéreos con luces muy extensas Necesidad de tendidos dieléctricos Ahorro de obras civiles Economía en costos de instalación Fácil de terminar

Cables para fibras ópticas Cables tipo tubo suelto rellenos con gel Para redes muy extensas (centenas y miles de km) Para tendidos submarinos Para atender grandes centros de distribución Muchas fibras ópticas por cable (+50 fibras) En ambientes externos En ductos horizontales extensos

Cables para fibras ópticas Cables tipo tubo suelto rellenos con gel En ambientes no muy agresivos, en general requieren mayor protección que los tipo break-out/tight-buffer Necesitan obras civiles Altos/medianos costos de instalación La terminación requiere equipos y mano de obra especializada Las fibras ópticas mantienen casi intactas las condiciones operativas de fábricación (ðmenor flexibilidad) Mayor control de normas

Fibra óptica en tubo suelto Cable sin tensión Cable elongado Cable comprimido

Tipos de conectores Por su forma de inserción ST, FC PC / APC, SC PC / APC - DUPLEX MINI-BNC, D4, FDDI, DIN, SMA, Bicónicos, D4, ESCON, E2000, etc. Por su forma de retención de la fibra Epoxy Crimpeado Con aplastamiento de fibra Sin aplastamiento de fibra Con epoxy pre-incorporado

Tipos de empalmes mecánico acople fusión masiva simple Contacto Succión Sellado acople plano PC, APC, SPC, UPC

Conectores y empalmes Parámetros para evaluar su rendimiento óptico Pérdida por inserción(PI): medida de la capacidad para transmitir el nivel de potencia óptica en una unión entre fibras, en la dirección de la transmisión. Reflexión o pérdida por retorno(PR): medida de la potencia óptica reflejada en una unión entre fibras y guiada por la fibra en dirección hacia la fuente de luz.

Conectores y empalmes Parámetros para evaluar su rendimiento óptico PI: Afecta fundamentalmente a las transmisiones digitales del orden de unidades y decenas de Mbps (ó Kbps). PR: Afecta fundamentalmente a las transmisiones digitales de más de 100 Mbps (sobre todo si hay amplificadores ópticos) y de 1 ó más Gbps. PR: Los sistemas de transmisión analógicos en AM son muy sensibles a este parámetro.

Pérdida por inserción

Conectores y empalmes PI < 0.5 dB (0.25dB) PR < - 40 dB Parámetros para evaluar su rendimiento óptico PI < 0.5 dB (0.25dB) PR < - 40 dB

Conectores y empalmes PI por problemas de alineación y apertura numérica. Superficie de referencia Núcleo No 1 d 1 d 2 Núcleo No 2 Superficie de referencia Cladding N.A.1 N.A.2 Cladding qc1 qc2 < qc1

Conectores y empalmes PI por problemas de excentricidad. Superficie de referencia Núcleo No 1 Núcleo No 2 x d qc

Conectores y empalmes Reducción de PR. Angulo de la Punta del conector Cladding Angulo de la cara expuesta > 90 ° - qc qc qc

Conectores y empalmes PI por problemas de alineación lateral

Conectores y empalmes PI por problemas de alineación lateral 2 w =8 µm , x < 1 µm para PI <= 0.25 dB Valores de Campo modal SM std 1310 nm w=9.3 µm SM ds 1310 nm w=6.5 µm SM std 1550 nm w=10.5 µm SM ds 1550 nm w=8.1 µm

Conectores y empalmes PI por problemas de alineación angular

Conectores y empalmes PI por problemas de alineación angular (Caso usual en conectores crimpeados)

Conectores y empalmes PI por problemas de separación de caras.

Conectores Conectores. Pulidos PC / SPC y UPC.

Conectores Conectores. Pulido convexo.

Pérdidas por inserción

Pérdidas acumuladas

Otros elementos pasivos Break-out kit Fan-out kit Optical couplers

Enlaces con fibras ópticas en redes de datos La ubicación de los enlaces es muy variada: Plantas industriales. Edificios de oficinas. Zonas urbanas. Un mismo enlace puede requerir de varios tipos de tendido: cable subterráneo a cable aéreo, en combinación con cable de interior.

Enlaces con fibras ópticas en redes de datos Las distancias a recorrer no son muy grandes (usualmente de 1 a 10 Km). La cantidad de fibras ópticas por cable no supera, en la mayoría de los casos, un valor de 4/6 fibras. Las condiciones de las etapas de tendido son más rigurosas y variadas, lo que requiere utilizar cables flexibles y muy resistentes. Se busca también no tener que usar mano de obra especializada para el tendido o cables muy rígidos.

Enlaces con fibras ópticas en redes de datos Las conectores son de fácil colocación y se busca la conectorización directa del extremo de las fibras, evitando el uso de "pigtails" En redes locales se utilizan equipos emisores con baja potencia y gran apertura numérica, lo que requiere el uso de fibras multimodo.

Enlaces con fibras ópticas en redes de datos Los tramos van de un equipo de transmisión a un equipo de recepción. Existe la posibilidad de utilizar derivadores puramente ópticos pero los mismos introducen atenuaciones muy elevadas.

Ejemplo: atenuaciones en un tramo con segmentos (patch-cords) 850 nm 1300 nm 0.9 0.5 2.8 1.3 0.4 750 m 2 m 250 m Segmento de Cable Cable fijo Atenuación total óptica Atenuación máxima 850 nm 9.3 dB 1300 nm 7.3 dB Geometría de la fibra 62.5/125 mm Atenuación: 3.75 dB /km ( 850 nm ) 1.75 db /km (1300 nm )

Ejemplo: atenuaciones en un tramo con pigtails 0.5 2.8 1.3 0.9 0.4 2 m 750 m 250 m Atenuación total óptica Atenuación máxima 850 nm 5.7 dB 1300 nm 3.7 dB Segmento Pigtail Cable Fijo Segmento empalmado 850 nm 1300 nm

Ejemplo de ensamble con pigtail a equipos Aprox. 1.0 m PFOC SCOF Sleeved or SCOF Cable fijo Caja de terminación Casquillo de cable fijo Funda de protección de empalme Casquillo de Pigtail Sujeta cable Sistema de manejo de fibra

Ejemplo de ensamble con acople Aprox. 1.0 m PFOC SCOF Sleeved or SCOF Cable fijo Funda de protección de empalme Casquillo de cable fijo Sistema de manejo de fibra Acople

Medición de parámetros Microscopios Fuentes de luz con long. de onda estabilizada Medidores de potencia óptica Atenuadores Medidores de pérdida por retorno Medidores de pérdida por inserción

Medición de parámetros Interferómetro Optical Time Domain Refractometer (OTDR)

Gráfico de un OTDR REFLEXION EN PANEL FRONTAL DEL OTDR EMPALME MECANICO (REFLECTIVO) EMPALME POR FUSION (NO REFLECTIVO) CONECTOR FINAL (REFLECTIVO) RUIDO DE BASE

Cierre Una instalación de fibra óptica debe durar decenas de años ya que no corre contra los avances de la tecnología. El control de calidad requiere de algunos conocimientos teóricos.

Transparencias

Apuntes

Transparencias complementarias

Conectorizado y mediciones