G. Sánchez Meléndez1, A. Michtchenko2
1
Departamento de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, ESIME-IPN, México D.F., México
2
Departamento de Ingeniería Electrónica, SEPI-ESIME-IPN, México D.F., México Teléfono (55) 5729-6000 Ext. 54553, 54622 E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
Las fibras ópticas constituyen el eje central del sistema de telecomunicaciones. Estos extraordinarios filamentos de cristal, cuyo grosor es inferior al de un cabello humano, pero cuya resistencia es superior a la del acero, fueron diseñados para transportar las grandes cantidades de datos que se pueden transmitir a través de una forma de luz relativamente nueva: los rayos láser. Tanto los láseres como las fibras ópticas han aumentado considerablemente la capacidad de la red telefónica internacional, junto con las increíbles mejoras conseguidas también en el campo de la informática y la tecnología de comunicaciones.
La tecnología de la fibra óptica ha avanzado rápidamente en un enlace punto a punto de fibra óptica existe una fuente de luz localizada en el extremo transmisor y un fotodetector en el extremo receptor. Las señales originadas por diferentes fuentes ópticas utilizan fibras diferentes y únicas como medio de transmisión. Por lo que podemos mencionar que existen dos grandes grupos de fibras ópticas [1-4].
• Las fibras monomodo: son las cuales involucran el uso
de una fibra con un diámetro de 5 a 10 μm. Esta fibra
tiene poca atenuación con respecto a las fibras multimodo en la misma distancia y por lo tanto se usan muy pocos repetidores para distancias largas. Por lo que es más usada para troncales con un ancho de banda aproximadamente de 100 GHz por km.
• Las fibras multimodo: de las cuales existen varios tipos
entre los cuales nos centraremos en dos de ellos: las de índice escalonado y las de índice gradual; el primer tipo es una fibra que tiene un ancho de banda de 10 a 20 MHz y consiste de un núcleo rodeado por un revestimiento que tiene un índice de refracción de la luz muy bajo, la cual causa una atenuación aproximada de 10 dB/Km. Este tipo de fibras es usado típicamente para distancias cortas menores a un km. El segundo tipo es donde el índice de refracción cambia gradualmente, esto permite que la atenuación sea menor a 5 dB/Km y pueda ser usada para distancias largas.
Los empalmes utilizados para conectar ambos extremos de las fibras causan también una pérdida de la señal en el rango de 1 dB. Así también los conectores o interfaces incurren también en pérdidas de 1 dB ó más. La tabla 1 muestra la demanda de equipos y sistemas de fibra óptica en Estados Unidos [5-7].
En la tabla 1 se muestra el crecimiento en millones de dólares según la demanda que han tenido los sistemas de fibra óptica. Las fibras ópticas actualmente están presentes total o parcialmente en cualquier sistema de comunicación. Cuando varias longitudes de onda comparten una misma fibra, los medidores de potencia óptica no aportan información acerca de la señal compuesta que se transmite, puesto que las medidas no son selectivas en longitud de onda. Para la medida y monitorización de sistemas WDM (por sus siglas en inglés Wavelength Division Multiplexing) se requiere caracterizar componentes y realizar medidas en puntos de la red en función de la longitud de onda. Los analizadores de espectro ópticos se convierten en los protagonistas de cualquier prueba de este tipo de sistemas. Estos equipos son imprescindibles tanto en el proceso de fabricación e instalación de componentes de red, así como en los procesos de mantenimiento de la propia red. El aumento de la capacidad de transmisión es imparable, de hecho siempre ha sido así a lo largo de la historia, pero en la actualidad se ha disparado vertiginosamente. El ritmo de crecimiento de la capacidad de transmisión se multiplica por diez cada cuatro años. Esto significa que dentro de ocho años la capacidad de transmisión requerida por las redes troncales podría superar los 100 Tb/s. En este sentido ya se están fabricando fibras ópticas que minimizan las pérdidas debidas a la absorción de las moléculas de agua en el entorno de 1470 nm de manera que también sea posible utilizar esta banda.
Tabla 1: Demanda de equipos y sistemas de fibra óptica hasta el año 2006 en E. U (millones de dólares) [11]. MERCADO / AÑO 1996 2001 2006 Millones de dólares Millones de dólares Millones de dólares TELECOMUNICACIONES 3,520 (59%) 4,940 (36%) 7,165 (32%) CABLE TV 895 (15%) 3,430 (25%) 5,825 (26%) SERVICIOS PÚBLICOS 595 (10%) 1,845 (13%) 3,985 (18%) REDES PRIVADAS DE DATOS 270 (5%) 1,595 (12%) 2,465 (11%) DENTRO DE EDIFICIOS 120 (2%) 700 (5%) 1,010 (5%) MILICIA / AEROESPACIO 325 (5%) 630 (5%) 1,1120 (5%) AUTOMOTRIZ 5 (0.08%) 20 (0.2%) 150 (0.7%) OTROS 236 (4%) 565 (4) 730 (3%) DEMANDA TOTAL DEL
MERCADO
5,966 13,725 22,400
Como ya se menciono en las fibras monomodo los problemas de empalme se encuentran principalmente en su
pequeño diámetro del núcleo Dn = 10μm, esto exige contar
con equipos y mecanismos de alineamiento de las fibras con una mayor precisión. Las pérdidas de acoplamiento se presentan en las uniones de:
• Mala alineación lateral
• Mala alineación de separación
• Mala alineación angular
• Acabados de superficie imperfectos y
• Diferencias ya sea entre núcleos o diferencia de índices
de refracción.
Técnicas de empalme
Existen fundamentalmente dos técnicas diferentes de empalme que se emplean para unir permanentemente entre sí fibras ópticas. La primera es el empalme por fusión que actualmente se utiliza en gran escala, y la segunda el empalme mecánico.
El empalme por fusión: se realiza fundiendo el núcleo, siguiendo las etapas de:
• preparación y corte de los extremos,
• alineamiento de las fibras,
• soldadura por fusión,
El empalme mecánico: se usa en el lugar de la instalación donde el desmontaje es frecuente, es importante que las caras del núcleo de la fibra óptica coincidan exactamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y sujeción de las fibras y de un adhesivo adaptador de índice que fija los extremos de las fibras permanentemente. Después de realizado el empalme de la fibra óptica se debe proteger con forros metálicos, ó plásticos. En todos los casos para el sellado del forro se utiliza adhesivo o resina de secado rápido. Ya se dijo antes que en las fibras multimodo se puede disminuir la dispersión haciendo variar lentamente el índice de refracción entre el núcleo y el recubrimiento (multimodo de índice gradual). El índice de refracción es máximo en el centro de la fibra y mínimo en los extremos. Por otra parte, la velocidad de propagación es inversamente proporcional al índice de refracción. Consecuentemente, se tiende a compensar la dispersión en las fibras multimodo con un índice de refracción gradual. La dispersión del pulso de luz dentro de la fibra depende, fundamentalmente, del perfil del índice de refracción de la fibra y del diámetro del núcleo. El perfil del índice de refracción varía según el tipo básico de fibra (monodo, multimodo índice gradual e multimodo índice escalonado).
Asimismo, se entiende por dispersión del pulso de luz, al proceso por el cuál un pulso se ensancha, a medida que se propaga por la fibra. Dicho ensanchamiento se debe a que en el extremo final de la fibra los rayos de luz llegan con tiempos de arribo diferentes, conformando en consecuencia un pulso más ancho que el que originalmente salió del otro extremo de la fibra. Este proceso limita la cantidad de información a transmitir y en consecuencia se dice que limita el ancho de banda. En un enlace punto a punto de fibra óptica existe una fuente de luz localizada en el extremo transmisor y un fotodetector en el extremo receptor. Las señales originadas por diferentes fuentes ópticas utilizan fibras diferentes y únicas como medio de transmisión [8].
La interconexión ideal de una fibra con otra seria que tuviéramos siempre dos fibras que fueran óptica y físicamente iguales, de modo que se mantenga igual la conexión o empalme, alineando perfectamente los ejes de sus centros. Sin embargo en el mundo real, los sistemas tienen perdidas debido a esas interconexiones que son el principal factor de aparición de éstas. La inserción de pérdidas es la primera consideración al realizar una conexión. Existen tres tipos de inserción de pérdidas:
• la relacionada a la fibra,
• la relacionada a los conectores,
• los factores del sistema que contribuyen a tales
pérdidas.
Al respecto de la discrepancia entre las pruebas de pérdidas de inserción y otro tipo de conexiones, se debe entender que el método de prueba se usa para medir esas pérdidas. Los resultados de la mejor prueba son obtenidos cuando las longitudes de la fibra son grandes de la fuente al medidor (la conexión) como parte permanente de la prueba. Esto evita variaciones en los resultados que son causas de perdidas por interconexión de medidor a medidor. Es por lo anterior que el analizar estos tipos de pérdidas resulta importante, entonces aquí, el objetivo es analizar y poder ofrecer mejores alternativas al momento de realizar este tipo de conexiones.
DESARROLLO
Para la instalación de sistemas de fibra óptica es necesario utilizar técnicas y dispositivos de interconexión como empalmes y conectores. Los conectores son dispositivos mecánicos utilizados para recoger la mayor cantidad de luz; realizan la conexión del emisor y receptor óptico con la fibra óptica. En caso de que los núcleos no se empalmen perfecta y uniformemente, una parte de la luz que sale de un núcleo no incide en el otro núcleo y se pierde. Por tanto las pérdidas que se introducen por esta causa pueden constituir un factor muy importante en el diseño de sistemas de transmisión, particularmente en enlaces de telecomunicaciones de gran distancia, como se observa en la fig. 1 [5].
Fig. 1. Tipos de pérdidas por empalme que pueden aparecer en comunicaciones a través de fibras ópticas.
Los empalmes son las uniones fijas para lograr continuidad en la fibra. Existen actualmente patentes que proponen algunos métodos a través de los cuales podemos mejorar la calidad de los empalmes en una red de fibra óptica, sin embargo carecen de resultados pues únicamente son propuestas a través de simulaciones como la que se menciona a continuación. Aquí se menciona uno de los métodos propuestos por una de ellas, para limitar las pérdidas en empalmes entre fibras monomodo, donde cada una tiene diámetro diferente. Este método caracteriza el hecho de que una pieza de fibra multimodo sea soldada en la parte final de dicha fibra, donde la longitud de la fibra multimodo este entre el rango de 0.1 mm a 0.5 mm y que tenga el mismo diámetro de revestimiento externo, entonces la soldadura crea un cono adiabático en la región donde se encuentran los núcleos. El método limita las pérdidas en empalmes entre fibras monomodo, con núcleo y revestimiento y con diferentes diámetros, ya que la fibra monomodo incrementa su tamaño de modo que se dice que en la región del cono adiabático los núcleos están en contacto. En la bibliografía se reporta que los análisis de las pérdidas de empalmes para fibras de índice escalonado se pueden comparar con las obtenidas para fibras de índice gradual para poder definir en que tipo de fibra se tienen menores pérdidas. La pérdida debida a los empalmes o conectores es un importante parámetro en las medidas de calidad, por esta razón en los procesos de empalme o diseño de conectores es de suma importancia evaluar las fuentes de pérdida en uniones fibra-fibra las cuales son clasificadas como pérdidas intrínsecas y extrínsecas.
• Las pérdidas extrínsecas pueden ser controladas,
canceladas o minimizadas hasta valores prácticamente insignificantes por técnicas mejoradas de unión en fibras.
• Las pérdidas intrínsecas alcanzan las variaciones
inevitables propias de la guía de onda como resultado de los procesos de fabricación, los cuales afectan las características de propagación dentro de las fibras. Esto nos mostrará los efectos de las tolerancias de cada diámetro de núcleo, entre ejes de cada núcleo y revestimiento y de apertura numérica.
La referencia [13] nos proporciona algunos resultados obtenidos que incluyen más efectos que pueden causar perdidas pero tienen la ventaja de que no dependen de suposiciones utilizadas en expresiones analíticas y no son restrictivas solamente a diámetros de núcleo o aperturas numéricas. Se investigaron los efectos de tolerancia de los parámetros típicos de los procesos de manufactura realizando varias simulaciones usando el método de “calcado”. Podremos identificar las variaciones más criticas de la guía de onda debido a la fabricación de la fibra aquí
nos enfocaremos a las pérdidas más bajas alcanzadas en empalmes. También se proporciona un análisis de la pérdida de empalme para las fibras de índice escalonado, además de los efectos y tolerancias en cada parámetro típico de los procesos de fabricación, de modo que podremos verificar las variaciones más críticas para reducirlas. La viabilidad de las fibras de índice escalonado es de gran importancia ya que podrán servir como complementos de fibras de vidrio o polímero de índice gradual en líneas de comunicación. Esto se debe a los procesos utilizados en su fabricación, la mejor estabilidad de su índice de refracción, las pocas fluctuaciones de temperatura y humedad.
La referencia [7] muestra en la fig. 2 los resultados para pérdidas intrínsecas en empalmes de fibras de índice escalonado, y fibras con perfil parabólico de revestimiento cuando cada parámetro de la fibra receptora varía de manera discreta de -5% a 5% de su valor de referencia enviado de la fibra emisora.
Fig. 2. Resultados de la simulación de pérdidas intrínsecas en empalmes, con tolerancia de -5% a 5%, usando el método de calcado [7].
Ahora podemos ver en la fig. 3 que la apertura numérica y el diámetro del núcleo son los parámetros más críticos, ya que el eje de cada núcleo y revestimiento en la concentricidad circular son los menos críticos.
Fig. 3. Resultados obtenidos de las pérdidas intrínsecas con tolerancia de ±5%, del perfil de revestimiento parabólico de fibra de índice gradual [7].
Primero se miden las pérdidas intrínsecas en empalmes separadamente de cada parámetro de la fibra, lo cual es útil para observar un control requerido [8,10,11]. Los resultados obtenidos sirven para verificar los parámetros más críticos, después se realiza un análisis estadístico de las pérdidas intrínsecas para la misma fibra. El análisis de la simulación muestra como identificar esos parámetros y evaluar las pérdidas intrínsecas para fibras de índice escalonado y fibras de índice gradual utilizando varios resultados de esta simulación. El índice de refracción en el núcleo y en el revestimiento pueden ser elegidos de manera arbitraria ya que las variantes de las fibras están normalizadas a un valor característico además se observa que los resultados serán los mismos para cada dimensión de fibra o propiedades del material de fabricación. Por lo que los resultados mostrados son válidos para todo tipo de fibra de índice escalonado y medio de transmisión.
Para explicar tal comportamiento se hace referencia al campo cercano y lejano de la fibra transmisora para ambos tipos de fibra, de índice escalonado y de índice gradual. Se espera que la probabilidad de tener un rayo con la inclinación más cercana al ángulo crítico sea equiprobable en cualquier dirección del núcleo de la fibra de índice escalonado. El perfil parabólico del revestimiento en las fibras de índice gradual se pueden propagar solo cerca del centro de la fibra de acuerdo con el perfil parabólico donde la apertura numérica disminuye según la posición radial siguiendo una ley de potencia parabólica. Estos resultados de potencia emitida se encuentran en el extremo de la del revestimiento del perfil de la fibra de índice gradual. Tomando esto en cuenta, el mejor resultado obtenido para
perfil parabólico de fibra de índice gradual demuestran los tipos de efectos de compensación, por que la superficie más externa de la fibra receptora tiene la más pequeña apertura numérica. La fracción de pérdida de potencia en el caso de fibras de índice escalonado es la que emite el anillo más externo a la fibra receptora que se extiende hacia fuera.
La potencia emitida por el resto de la fibra transmisora es colectada por la fibra receptora sin introducir pérdidas adicionales. En cambio como ya se explicó en un perfil parabólico de fibra de índice gradual la fracción de la potencia emitida se encuentra en la posición del extremo y es mucho más pequeña que en las fibras de índice escalonado.
Se evaluaron también las pérdidas intrínsecas de empalmes desde un punto de vista estadístico con el propósito de obtener resultados útiles para las fibras de índice escalonado. La fig. 4, muestra los resultados obtenidos para las pérdidas por empalme cuando solo uno de los parámetros varía y también cuando están mal colocadas en uniones de fibras de índice escalonado y perfiles de fibras parabólicas.
Fig. 4. Porcentaje acumulativo de uniones de fibra teniendo pérdidas intrínsecas por empalmes [7].
Los detalles de las pérdidas de 50 % (L50%) y las de 90%
Tabla 2. Pérdidas encontradas en 50% y 90%.
FIBRA DE ÍNDICE ESCALONADO FIBRA DE ÍNDICE GRADUAL L(50%) (dB) L(dB) (90%) L(dB) (50%) L(dB) (90%)
Todos los parámetros mal colocados.
0.418 1.056 0.325 0.966
Radio mal colocado. 0.008 0.57 0.0 0.55
Apertura numérica mal colocada. 0.0 0.62 0.002 0.595 Concentricidad circular. 0.091 0.23 0.022 0.148 Concentricidad axial. 0.095 0.236 0.121 0.312
Perfil mal colocado - - 0.0 0.154
CONCLUSIONES
El cableado de fibra óptica transmite impulsos luminosos entre transmisores y receptores. Estos impulsos son datos que se envían a través del cable. Para que los datos se transmitan correctamente, las señales luminosas deben llegar hasta el extremo del cable con la energía suficiente para que se puedan medir. La pérdida de luz entre los dos extremos de un enlace de fibra se puede producir por diferentes causas: la atenuación de la propia fibra, empalmes por fusión, macrocurvaturas y pérdidas en los acoplamientos de adaptadores donde se conectan los extremos de la fibra. Para certificar que el sistema funciona sin problemas es necesario asegurar varios parámetros y realizar medidas adecuadas para garantizarlo.
Lo que se busca con este trabajo es encontrar los métodos que actualmente se siguen para realizar empalmes de calidad (sin pérdidas), ya que la causa principal de este problema surge cuando se quiere hacer crecer una red, pues las características de la fibra han cambiado, por lo que los inconvenientes surgen al realizar estos empalmes. En las redes con baja transmisión de datos y de tamaño reducido, los márgenes de pérdida óptica son lo suficientemente amplios como para permitir una atenuación considerable, sin que esto afecte al funcionamiento del enlace. Sin embargo, el cableado estructurado es objeto de una tendencia persistente: la constante demanda de mayor ancho de banda. A medida que se aumenta la capacidad de transmisión de los enlaces de fibra, los márgenes admisibles de pérdida óptica se reducen, lo que obliga a minimizar todos los eventos que puedan generar pérdidas. Por lo tanto se busca la forma de caracterizar estas conexiones para poder ofrecer una alternativa a considerar en la aplicación de empalmes en
redes de fibra óptica y así minimizar las pérdidas que pueden contribuir en un enlace.
REFERENCIAS
[1] O. C. Perea, “La fibra óptica anuncia grandes cambios en las telecomunicaciones”, Tendencias 21 2007, Tendencias de las Telecomunicaciones 2007.
[2] V. Marsh, “Europa será la tercera región del mundo en Internet por fibra óptica en 2010”, Tendencias 21 2007, Tendencias de las Telecomunicaciones 2007.
[3] José Pablo Mora, “La "fibra óptica llega a su escritorio”, La prensa web.