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El cable de fibra óptica, más ligero, pequeño y flexible que el cobre, puede transmitir señales a mayor velocidad a mayores distancias. Sin embargo, muchos factores pueden influir en el rendimiento de la transmisión por fibra óptica. Las pérdidas en la fibra óptica son problemas insignificantes, y para todos los ingenieros ha sido una prioridad trabajar con ellos y encontrar soluciones.
La luz que viaja por una fibra óptica pierde potencia con la distancia. Esta pérdida depende de la longitud de onda de la luz y del material de propagación. En el caso del vidrio de sílice, las longitudes de onda más cortas son las que más se atenúan (véase la figura 1). La menor pérdida se produce en la longitud de onda de 1550 nm, comúnmente utilizada para transmisiones a larga distancia.
La transmisión de luz por fibra óptica no es 100% eficiente. Esto se debe a varias razones, como la absorción por el núcleo y el revestimiento (debida a la presencia de impurezas) y la fuga de luz del revestimiento. Cuando la luz se refleja en la interfaz entre el revestimiento y el núcleo, recorre una corta distancia dentro del revestimiento antes de ser reflejada de vuelta. Esto produce una atenuación (reducción de la señal) de hasta 2 dB/km en una fibra multimodo . Por ejemplo, con este nivel de atenuación, si la luz recorriera 10 km de cable, solo el 10% de la señal llegaría al siguiente extremo.
La atenuación de un cable determinado también depende de la longitud de onda. La Figura 1 muestra el perfil de atenuación para los dos tipos principales de fibra: multimodo y monomodo (descritos en detalle a continuación). El pico de absorción a 1000 nm se debe a las peculiaridades de la fibra monomodo, mientras que el pico a 1400 nm se debe a trazas de agua que permanecen en la fibra como impureza. Debido a este pico de absorción de agua, se utilizan dos longitudes de onda monomodo estándar: 1310 nm y 1550 nm. 1310 nm ha sido el estándar durante muchos años; solo ahora existe una tendencia hacia el uso de 1550 nm debido a la necesidad de ampliar las distancias entre repetidores.
La pérdida de potencia lumínica en una fibra óptica se mide en decibelios (dB). Las especificaciones de los cables de fibra óptica expresan la pérdida como atenuación por 1 km de longitud, expresada en dB/km. Este valor se multiplica por la longitud total de la fibra óptica en kilómetros para determinar la pérdida total de la fibra en dB.
La pérdida de luz de la fibra óptica es causada por una serie de factores que pueden clasificarse en pérdidas extrínsecas e intrínsecas:
● Extrínseco
● Pérdida por flexión
● Pérdida de empalme y conector
● Intrínseco
● Pérdida inherente a la fibra
● Pérdida resultante de la fabricación de fibras
Figura 1. Longitudes de onda de funcionamiento de la fibra óptica.
● Reflexión de Fresnel
Pérdida por curvatura. La pérdida por curvatura se produce en curvas del cable de fibra óptica más cerradas que su radio mínimo de curvatura. La pérdida por curvatura también puede ocurrir a menor escala debido a factores como:
● Curvas pronunciadas del núcleo de la fibra
● Desplazamientos de unos pocos milímetros o menos, causados por imperfecciones del amortiguador o de la camisa
● Malas prácticas de instalación
Esta pérdida de potencia de la luz, llamada microcurvatura, puede acumularse hasta alcanzar una cantidad significativa a lo largo de una larga distancia.
Pérdida de empalme y conector. La pérdida de empalme se produce en todas las ubicaciones. Los empalmes mecánicos suelen presentar la mayor pérdida, que suele oscilar entre 0,2 y más de 1,0 dB, según el tipo de empalme. Los empalmes por fusión presentan pérdidas menores, generalmente inferiores a 0,1 dB. Con un buen equipo y un equipo de empalmes experimentado, se suele lograr una pérdida de 0,05 dB o menos. Una pérdida elevada puede atribuirse a diversos factores, entre ellos:
● Mala hendidura
● Desalineación de los núcleos de fibra
● Un espacio de aire
● Contaminación
● Desajuste del índice de refracción
● Desajuste del diámetro del núcleo, por nombrar solo algunos.
Las pérdidas en los conectores de fibra óptica suelen oscilar entre 0,25 y más de 1,5 dB y dependen en gran medida del tipo de conector utilizado. Otros factores que contribuyen a la pérdida de conexión incluyen:
● Suciedad o contaminantes en el conector (muy común)
● Instalación incorrecta del conector
● Una cara del conector dañada
● Pobre escriba (hendir)
● Núcleos de fibra no coincidentes
● Núcleos de fibra desalineados
● Desajuste del índice de refracción
Pérdida inherente a la fibra. La pérdida de luz en una fibra, que no se puede eliminar durante el proceso de fabricación, se debe a las impurezas del vidrio y a la absorción de luz a nivel molecular. La pérdida de luz debida a variaciones en la densidad óptica, la composición y la estructura molecular se denomina dispersión de Rayleigh. Los rayos de luz que entran en contacto con estas variaciones e impurezas se dispersan en múltiples direcciones y se pierden.
La absorción de luz a nivel molecular en una fibra se debe principalmente a contaminantes presentes en el vidrio, como las moléculas de agua (OH-). La penetración de moléculas de OUT en una fibra óptica es uno de los principales factores que contribuyen a la mayor atenuación de la fibra con el envejecimiento. La absorción por resonancia molecular del vidrio de sílice (SiO₂) también contribuye a la pérdida de luz.
La Figura 1 muestra la atenuación neta de una fibra de vidrio de sílice y las tres ventanas operativas de la fibra a 850, 1310 y 1550 nm. Para transmisiones de larga distancia, se utilizan ventanas de 1310 o 1550 nm. La ventana de 1550 nm presenta una atenuación ligeramente menor que la de 1310 nm. La comunicación a 850 nm es común en instalaciones de menor distancia y menor costo.
Pérdidas resultantes de la fabricación de la fibra. Las irregularidades durante el proceso de fabricación pueden provocar la pérdida de rayos de luz. Por ejemplo, una variación del 0,1 % en el diámetro del núcleo puede resultar en una pérdida de 10 dB por kilómetro. Es fundamental mantener una tolerancia de precisión durante toda la fabricación de la fibra para minimizar las pérdidas.
Reflexión de Fresnel. La reflexión de Fresnel ocurre en cualquier límite del medio donde el índice de refracción cambia, provocando que una parte del rayo de luz incidente se refleje de vuelta al primer medio. El extremo de la fibra es un buen ejemplo de esto. La luz, que viaja del aire al núcleo de la fibra, se refracta en este. Sin embargo, parte de la luz, aproximadamente el 4 %, se refleja de vuelta al aire. La cantidad reflejada se puede estimar mediante la siguiente fórmula:
En un conector de fibra, la luz reflejada se puede ver fácilmente con un reflectómetro óptico de dominio temporal ( OTDR ). Aparece como un gran pico ascendente en la traza. Esta luz reflejada puede causar problemas si se utiliza un láser y debe minimizarse.
La potencia de la luz reflejada se puede reducir utilizando mejores conectores. Los conectores con designaciones "PC" (Contacto Físico) o "APC" (Contacto Físico Angular) están diseñados para minimizar esta reflexión.
¿Cómo reducir las pérdidas en la fibra óptica?
Para garantizar que la potencia de salida se mantenga dentro de la sensibilidad del receptor y permita un margen suficiente para la degradación del rendimiento con el tiempo, es fundamental reducir las pérdidas en la fibra óptica. A continuación, se presentan algunos enfoques comunes en el diseño e instalación de enlaces de fibra.
● Asegúrese de adaptar los cables de alta calidad con las mismas propiedades tanto como sea posible.
● Elija conectores de la mejor calidad posible. Asegúrese de que la pérdida de inserción sea inferior a 0,3 dB y la pérdida adicional inferior a 0,2 dB.
● Intente utilizar todo el disco para configurar (un solo disco más de 500 metros) para minimizar el número de uniones.
● Durante el empalme, siga estrictamente los requisitos de procesamiento y entorno.
● Las juntas de conexión deben tener
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