Materiales y Categorías de Cables, Equipos y Medios para la Transmisión de Datos y Protocolos de Red Utilizados

29.05.2014 16:53

El cable de fibra óptica consta de hilos extremadamente finos de silicio ultra-puro diseñado para transmitir señales luminosas. La Figura 1 muestra la construcción de una fibra de vidrio que es el componente básico en muchos tipos de cable de fibra óptica. El centro del filamento de fibra se denomina el ‘núcleo’. El núcleo guía las señales luminosas que se transmiten. Una capa de vidrio denominada ‘revestimiento’ rodea el núcleo. El revestimiento confina la luz en el núcleo. La región externa de la fibra óptica es el ‘recubrimiento’, normalmente un material plástico, que proporciona protección y preserva la resistencia de la fibra de vidrio.

Figura 1 – Sección transversal de una fibra óptica

Un diámetro exterior habitual para el revestimiento es de 125 micras (µm) o 0,125 mm. El diámetro del núcleo para cable de fibra óptica comúnmente utilizado en las infraestructuras locales es 9, 50 ó 62,5 µm. La fibra monomodo tiene el menor diámetro con un valor nominal de 9 µm; los diámetros mayores de 50 y 62,5 µm definen tipos de fibra multimodo.

 

Reflexión y refracción.

                                                                                                                       

La operación de la fibra óptica se basa en el principio de reflexión interna total. La Figura 2 muestra este principio cuando la luz viaja desde el aire hacia el agua. Cuando la luz llega a la superficie del agua con un ángulo de incidencia Theta menor que el ángulo crítico Theta_c, se desplaza dentro del agua, pero cambia de dirección en el límite entre el aire y agua (refracción). Cuando un haz de luz llega a la superficie del agua con un ángulo mayor que el ángulo crítico, la luz se refleja en la superficie del agua. Cada material se caracteriza por un índice de refracción, representado por el símbolo n. Este índice, también llamado índice refractivo, es la proporción entre la velocidad de luz en el vacío (c) y su velocidad en un medio específico (v).

n=c/v

El índice de refracción en el vacío (espacio exterior) es 1 (v = c). El índice de refracción del aire (n₁) es 1,003 o ligeramente superior al del vacío mientras el índice de refracción para el agua es 1,333. Un valor más alto del índice de refracción n de un material indica que la luz viaja más lenta en ese material. La luz viaja más rápido a través del aire que en el agua.

Figura 2 – Principio de reflexión total

 

El núcleo de una fibra óptica tiene un índice de refracción ligeramente mayor que el revestimiento. La luz que llega al límite entre el núcleo y el revestimiento con un ángulo de incidencia mayor que el ángulo crítico se refleja y continúa su recorrido dentro del núcleo. Este principio de reflexión total es la base para el funcionamiento de la fibra óptica. El ángulo crítico es una función del índice de refracción de los dos medios, en este caso el vidrio del núcleo y el del revestimiento. El índice de refracción para el núcleo es normalmente alrededor de 1,47 mientras que el índice de refracción para el revestimiento es aproximadamente 1,45.

A causa de este principio, podemos describir un cono imaginario con un ángulo  relacionado con el ángulo crítico (véase la Figura 3). Si la luz se introduce en el extremo de fibra desde el interior de este cono, está sujeta a la reflexión total y viaja por el núcleo. La noción de este cono está relacionada con el término apertura numérica, la capacidad de recoger la luz de la fibra. La luz que llegue al extremo de fibra fuera de este cono se refractará en el revestimiento cuando se encuentre con el límite núcleo-revestimiento; y no permanece dentro del núcleo.

Figura 3 – Apertura numérica y reflexión total: La luz que entra en la fibra dentro de un ángulo se desplaza por el núcleo.

 

Señalización.

 

Las redes de área local como Ethernet y Fibre Channel transmiten pulsos que representan información digital. El bit – abreviatura de dígito binario – es la unidad básica de información digital. Esta unidad sólo puede tomar dos valores: 0 o 1. Los datos numéricos se transforman en un número digital. Otros datos como los caracteres se codifican en una cadena de bits. Un estado ‘On’ u ‘Off’ representa electrónicamente el valor de un bit. Asimismo, una cadena consecutiva de pulsos de luz representa la información digital que se transmite a través de un enlace de fibra óptica. El estado “On” representa un bit con valor 1 y el estado ‘Off’ representa un bit con valor 0. La Figura 4 representa una muestra de la información digital tal como se transmite a través de un cable de fibra óptica.

 

Figura 4 – Un tren de pulsos típico que representa los datos digitales

La representación de los pulsos en la Figura 4 está “idealizada”. En el mundo real, los pulsos tienen tiempos reducidos de subida y bajada. La Figura 5 describe las principales características de un pulso. El tiempo de subida indica la cantidad de tiempo necesaria para cambiar la luz al estado “On”; por lo general se corresponde con el tiempo necesario para la transición del 10 % al 90 % de la amplitud. El tiempo de bajada es lo contrario del tiempo de subida y representa la duración de cambiar la luz de ‘On’ a ‘Off’. Los tiempos de subida y bajada son parámetros críticos; determinan el límite superior de la velocidad a la que el sistema puede generar y transmitir pulsos.

Figura 5 – Análisis de un pulso.

 

Al transmitir mil millones o más bits por segundo (velocidad de datos de 1 Gbps o más), las fuentes de luz LED ya no se pueden utilizar debido a los tiempos de subida y bajada de las fuentes LED. Estos sistemas de mayor velocidad sólo utilizan fuentes de luz láser. Una fuente muy común en las redes de los edificios es la VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, o Laser de emisión superficial de cavidad vertical) que transmite luz a la longitud de onda de 850 nm.

 

Requisitos para una transmisión fiable.

 

Cuando la fuente de luz en el dispositivo de transmisión genera un tren de pulsos como el que se muestra en la Figura 4, el enlace de fibra óptica debe transmitir este tren de pulsos con suficiente fidelidad de señal para que el detector en el dispositivo receptor pueda detectar cada pulso con su verdadero valor de ‘On’ u ‘Off’.

Como mínimo son necesarias dos cosas para garantizar la recepción y transmisión fiable:

Pérdida de inserción de canal: la máxima pérdida de señal o atenuación de señal permitida en el medio de transmisión desde el dispositivo transmisor al receptor. El término ‘canal’ define el medio de transmisión extremo a extremo entre transmisor y receptor. La pérdida de señal está compuesta por las pérdidas acumuladas en el cableado de fibra óptica y en cada conexión o empalme.

Dispersión de señal: Como vamos a estudiar, los pulsos de luz tienen una tendencia a esparcirse según viajan por el enlace de fibra debido a la dispersión. El esparcimiento debe limitarse para prevenir que los pulsos lleguen juntos o superpuestos al extremo receptor.

Ambos parámetros – pérdida de canal y dispersión de señal – desempeñan un papel crítico en el establecimiento de una transmisión fiable y libre de errores. La dispersión no se puede medir en campo. Los estándares de red definen una longitud de canal máxima para la fibra óptica; la longitud máxima es una función de la velocidad de datos y el índice de ancho de banda de la fibra óptica. El índice de ancho de banda, a su vez, se basa en mediciones de laboratorio para caracterizar la dispersión modal en fibras ópticas multimodo.

 

Pérdida.

 

La pérdida o atenuación ha sido un parámetro de rendimiento bien establecido en los estándares de cableado y de aplicación de red. La señal debe llegar al final del enlace de fibra óptica – la entrada al detector en el dispositivo receptor – con suficiente potencia para ser correctamente detectada y descodificada. Si el detector no “ve” claramente la señal, la transmisión, sin duda, ha fracasado.

La atenuación o pérdida de señal en fibra óptica es producida por varios factores intrínsecos y extrínsecos. Dos factores intrínsecos son la dispersión y la absorción. La forma más común de dispersión, llamada ‘Dispersión de Rayleigh’, está causada por las no uniformidades microscópicas de la fibra óptica. Estas no-uniformidades provocan que los rayos de luz se dispersen parcialmente cuando viajan a lo largo del núcleo de fibra y, por lo tanto, se pierde algo de potencia de luz. La dispersión de Rayleigh es responsable de aproximadamente el 90 % de la pérdida intrínseca en las fibras ópticas modernas. Tiene una mayor influencia cuando el tamaño de las impurezas en el vidrio es comparable a la longitud de onda de la luz. Las longitudes de onda más largas, por lo tanto, son menos afectadas que las longitudes de onda más cortas y están sujetas a menor pérdida.

Las causas extrínsecas de atenuación incluyen tensiones durante la fabricación del cableado y curvaturas de la fibra. Se pueden distinguir dos categorías de curvatura: micro curvatura y macro curvatura. La micro curvatura es causada por imperfecciones microscópicas en la geometría de la fibra resultantes del proceso de fabricación, como la asimetría de rotación, cambios menores en el diámetro del núcleo, o límites desiguales entre el núcleo y el revestimiento. El estrés mecánico, la tensión, la presión o la torsión de la fibra también pueden causar micro curvaturas. La Figura 6 describe el micro curvatura en una fibra y su efecto en el camino de la luz.

 

Figura 6 – Una micro curvatura en una fibra óptica hace que algo de luz se escape del núcleo, lo cual se agrega a la pérdida de señal.

 

 

Figura 7 – Una macro curvatura o dobladura con un radio de curvatura reducido hace que los modos de luz de mayor orden se escapen del núcleo multimodo y, por lo tanto, provoca pérdida de señal.

 

La causa principal de macro curvatura es una curvatura de pequeño radio. Las normas describen los límites de radio de curvatura como sigue: “Los cables con cuatro o menos fibras destinados al Subsistema de Cableado 1 (cableado horizontal o centralizado) admitirán un radio de curvatura de 25 mm (1 pulgada) cuando no estén sujetos a carga de tensión. Los cables con cuatro o menos fibras destinados a ser tendidos a través de canalizaciones durante la instalación admitirán un radio de curvatura de 50 mm (2 pulgadas) bajo una carga de tracción de 220 N (50 lbf). Todos los demás cables de fibra óptica admitirán un radio de curvatura de 10 veces el diámetro exterior del cable cuando no estén sujetos a carga de tensión y 20 veces el diámetro exterior cuando estén sujetos a carga de tensión hasta el límite nominal del cable”.

La Figura 7 muestra el efecto de un dobladura con un radio menor en el camino de la luz en la fibra. Parte de la luz en los grupos de modos de orden superior ya no es reflejada y guiada dentro del núcleo.

La longitud de la fibra y la longitud de onda de la luz que viaja a través de la fibra determinan ante todo el valor de la atenuación. La pérdida en un enlace de fibra óptica instalado está compuesta por la pérdida en la fibra más la pérdida en conexiones y empalmes. Las pérdidas en conexiones y empalmes representan la mayoría de las pérdidas en enlaces de fibra más cortos, típicos de las aplicaciones de red de edificios. Una herramienta para la solución de problemas como un Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo (OTDR) permite medir y comprobar la pérdida de cada conexión o empalme.

 

Dispersión.

 

La dispersión describe cómo se esparcen los pulsos de luz cuando viajan a lo largo de la fibra óptica. La dispersión limita el ancho de banda de la fibra, reduciendo así la cantidad de datos que puede transmitir la fibra. Limitaremos el debate de la dispersión a la dispersión modal en fibras multimodo.

El término ‘multimodo’ se refiere al hecho de que se propagan simultáneamente numerosos modos de rayos de luz a través del núcleo. La Figura 8 muestra cómo se aplica el principio de reflexión interna total a la fibra óptica multimodo de índice de salto. El término ‘índice de salto’ se refiere al hecho de que el índice de refracción del núcleo está un escalón por encima del índice del revestimiento. Cuando la luz entra en la fibra, se separa en distintos caminos, conocidos como ‘modos’. El principio de reflexión interna total descrito anteriormente y mostrado en la Figura 3 guía cada camino o modo a través del núcleo de fibra. Un modo viaja directamente por el centro de la fibra, otros modos viajan con ángulos diferentes y rebotan arriba y abajo debido a la reflexión interna. Los modos que más rebotan se denominan los “modos de orden superior”. Los modos que rebotan muy poco son los “modos de orden inferior”. El camino más corto es la línea recta. Todas las otras rutas adoptadas por la luz (modos) son más largas que la línea recta – cuanto más pronunciado es el ángulo, más rebotes se producen y más largo es el camino recorrido. Según varía la longitud de la ruta, así varía el tiempo de viaje para alcanzar el final del enlace. La disparidad entre los tiempos de llegada de los diferentes rayos de luz también conocida como retardo de modo diferencial (Differential Mode Delay, DMD), es el motivo de la dispersión o esparcimiento de un pulso según se transmite a lo largo del enlace de fibra.

 

Figura 8 – La fibra óptica reúne toda la luz que entra dentro del ángulo determinado por la Apertura Numérica. La luz se refleja en el límite entre el núcleo y el revestimiento y viaja por caminos diferentes. Un camino también se denomina un modo. La fibra óptica multimodo guía la luz a lo largo de varios caminos o modos. La luz que entra con un ángulo más amplio rebota más veces y recorre una ruta más larga, representando los modos de orden superior.

El efecto de dispersión aumenta con la longitud del enlace de fibra óptica. Según viajan más lejos los pulsos, aumenta la diferencia en la longitud del camino y, por lo tanto, aumenta la diferencia en tiempos de llegada y la dispersión de los pulsos sigue creciendo. El efecto es que los pulsos de luz que llegan al final del enlace de fibra más largo se solapan mutuamente y que el receptor ya no puede distinguirlos, y no es capaz de descodificar su estado (valor). Mayores velocidades de datos suponen el envío de pulsos más cortos en una rápida sucesión. La dispersión limita la velocidad a la que se pueden transmitir pulsos. En otras palabras, la dispersión limita el ancho de banda del cableado.

 

Figura 9 – El efecto neto de la dispersión hace que los pulsos transmitidos viajen juntos y se solapen al final del enlace (entrada del detector). El detector ya no puede reconocer y descodificar el estado de los pulsos individuales.

 

Para compensar la dispersión inherente en fibra multimodo de índice de salto, se desarrolló la fibra multimodo de índice gradual. El ‘índice gradual’ se refiere al hecho de que el índice de refracción del núcleo disminuye gradualmente según se aleja del centro del núcleo. El vidrio en el centro del núcleo tiene el índice de refracción más alto que hace que la luz en el centro del núcleo viaje a la menor velocidad. La luz que recorre el camino más corto a través de la fibra viaja a una velocidad más lenta. Esta construcción del núcleo permite a todos los rayos de luz alcanzar el extremo receptor aproximadamente al mismo tiempo, reduciendo la dispersión modal en la fibra. Como muestra la Figura 10, la luz en la fibra multimodo de índice gradual ya no viaja en líneas rectas de borde a borde sino que sigue un camino sinuosoidal; poco a poco se refleja de vuelta hacia el centro del núcleo por la continua disminución del índice de refracción del vidrio del núcleo.

Figura 10 – Fibra multimodo de índice gradual. El índice de refracción del núcleo cambia en todo el núcleo. Es más alto en el centro y disminuye gradualmente hacia el límite del revestimiento. Esto crea caminos de luz (modos) que siguen una ruta sinuosoidal, tal como se muestra en el panel izquierdo de esta figura. Los modos inferiores (centro del núcleo) viajan más lentos, mientras que los modos en las regiones exteriores que recorren las mayores distancias viajan más rápidos. La fibra multimodo de índice gradual, por lo tanto, proporciona mejor ancho de banda.

 

La fibra multimodo optimizada para el láser que se utiliza para las aplicaciones de red más recientes de alta velocidad (velocidades de datos en el rango del Gigabit por segundo) se construye como la fibra multimodo de índice gradual. Esta fibra multimodo optimizada para el láser también utiliza el diámetro de núcleo más pequeño de 50 µm. El menor diámetro de núcleo también disminuye el efecto de dispersión en la fibra limitando el número de modos.

La fibra ‘monomodo’, como su propio nombre indica, sólo permite un modo de propagación a longitudes de onda mayores que la longitud de onda de corte (ver nota 1). La longitud de onda de 1.310 nm que utilizan la mayoría de aplicaciones de red corporativa sobre fibra monomodo (9 µm de diámetro del núcleo) está muy por encima de la longitud de onda de corte que está entre 1.150 nm y 1.200 nm. Las fibras monomodo, utilizando longitudes de onda más largas, conservan la fidelidad de cada pulso de luz sobre mayores distancias ya que no acusan dispersión modal (causada por usar varios modos). Así pues, puede transmitirse más información por unidad de tiempo sobre distancias más largas (la pérdida intrínseca es inferior a mayor longitud de onda). Esto da a las fibras monomodo mayor ancho de banda en comparación con la fibra multimodo.

El diseño de fibra monomodo también ha ido evolucionando a lo largo del tiempo. Existen otros mecanismos de dispersión y no-linealidades que no cubriremos ya que desempeñan un papel mucho menos importante en las aplicaciones de fibra óptica en redes de edificio. La fibra monomodo tiene algunas desventajas. El menor diámetro del núcleo dificulta el acoplamiento de la luz en el núcleo. Las tolerancias de empalmes y conectores monomodo son más exigentes para lograr una buena alineación del pequeño núcleo. Además, las fuentes de luz láser de mayor longitud de onda son más caras que las VCSEL funcionando a 850 nm.

 

Ancho de banda.

 

Una característica clave de rendimiento de fibra es el ancho de banda, o la capacidad de transportar información de la fibra óptica. En términos digitales, el ancho de banda se expresa en una velocidad de bits a la cual las señales se pueden enviar sobre una distancia dada sin que un bit interfiera con el bit anterior o posterior. El ancho de banda se expresa en el producto MHz•km. La interferencia se produce por el fenómeno de dispersión que discutimos anteriormente.

El ancho de banda puede definirse y medirse de varias formas. Las tres especificaciones normalizadas de ancho de banda y las medidas aplicables son Ancho de Banda en Desbordamiento, Ancho de Banda Modal Restringido y Ancho de Banda de Láser o Ancho de Banda Modal Efectivo (Effective Modal Bandwidth, EMB). La razón de estos diferentes métodos proviene de las diferencias en las características de las fuentes de luz que se usan para transmitir información.

La fuente de luz tradicional para Ethernet a 10 Mbps y 100 Mbps ha sido el diodo emisor de luz (Light Emitting Diode, LED), una opción excelente para aplicaciones operando a velocidades de hasta 622 Mbps. Los LEDs producen una luz uniforme de salida que llena por completo el núcleo de la fibra óptica y utiliza todos sus modos de funcionamiento. Para predecir mejor el ancho de banda de las fibras multimodo convencionales cuando se utilizan con fuentes de luz LED, la industria emplea un método llamado Ancho de Banda en Desbordamiento (Overfilled Bandwidth, OFL).

Tal como se mencionó anteriormente, los LEDs no se pueden modular lo suficientemente rápido para transmitir los mil millones o más de pulsos por segundo necesarios para velocidades de datos Gbps. Una fuente de luz común para soportar las velocidades de transmisión Gigabit en aplicaciones de redes ópticas en edificios es la VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) a una longitud de onda de 850 µm. A diferencia de un LED, la salida de luz de un VCSEL no es uniforme. Cambia de VCSEL a VCSEL a través del extremo de la fibra óptica. Como resultado, los láseres no utilizan todos los modos en fibra multimodo sino más bien un conjunto restringido de modos. Y lo que puede ser más importante, cada láser rellena un conjunto diferente de modos en la fibra y con diferentes valores de potencia en cada modo.

Un método óptimo para garantizar el ancho de banda en enlaces de fibra óptica para la implementación de las velocidades Gigabit es la medición del DMD (retardo de modo diferencial – ver el debate previo sobre la dispersión). Esta técnica de medición es la única especificación de ancho de banda mencionada en las normas para velocidades de datos de 10 Gbps. El ancho de banda de láser o EMB se deriva matemáticamente de las mediciones de DMD.

 

Tipos de Fibra

                                                          

El estándar ISO/IEC (std) 11801 define cuatro tipos de fibras ópticas para las diversas clases de aplicaciones de redes de edificio. El ISO/IEC std 11801 o std 24702 define tres tipos de fibra óptica multimodo (OM1, OM2 y OM3) y dos tipos de monomodo (OS1 y OS2). Estas designaciones también están encontrando aceptación en el mercado norteamericano y se enumeran en el documento (ver nota 2) TIA-568-C.3. La siguiente tabla proporciona una breve descripción de las principales características de estos tipos de fibra.

Tabla 1 – Tipos de fibra óptica multimodo.

 

Las fibras multimodo antiguas con un índice de ancho de banda en desbordamiento por debajo de 200 MHz•km no están incluidas en esta tabla y ya no se recomiendan en el diseño de nuevas instalaciones. La designación OM3 describe el cable de fibra óptica multimodo optimizado para láser de gran ancho de banda. Entre los diferentes estándares de transmisión para Ethernet a 10 Gbps sobre fibra óptica, 10GBASE-SR (la transmisión en serie de 10 Gigabits por segundo con VCSEL de longitud de onda corta [850nm]) es la implementación más económica en las redes de área local de edificios, en los centros de datos o en las redes de almacenamiento. Y para esta aplicación, OM3 es el tipo de cable de fibra óptica preferido.

Los fabricantes de fibra óptica han desarrollado fibras multimodo optimizadas para láser con características de ancho de banda modal mejores que las especificaciones del tipo OM3. Esto puede llevar a la adopción de una clasificación ‘OM4′ con un ancho de banda de láser efectivo propuesto en el rango de 3.500 a 4.700 MHz•km.

OS2 se conoce comúnmente como fibra monomodo de “bajo pico de agua” y se caracteriza por tener un bajo coeficiente de atenuación en la banda de 1.383 nm.

1) Longitud de onda de corte: La longitud de onda por debajo de la cual una fibra óptica monomodo deja de transmitir en un único modo.

2) Asociación de la Industria de Telecomunicaciones (Telecommunications Industry Association, TIA). TIA representa a la industria de telecomunicaciones en asociación con la Asociación de la Industria Electrónica. TIA está acreditada por el American National Standards Institute (ANSI) como uno de los principales contribuyentes a estándares voluntarios. El estándar ANSI/EIA/TIA 568 Estándar de Cableado de Telecomunicaciones para Edificios Comerciales es el principal estándar relacionado con sistemas de cableado estructurado en América del Norte.