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Las redes de fibra óptica hacen referencia a la ciencia de la transmisión de datos, voz e imágenes por el paso de la luz a través de fibras delgadas y transparentes. En las telecomunicaciones, la tecnología de fibra óptica ha reemplazado virtualmente al cable de cobre en las líneas telefónicas de larga distancia, y se utiliza para conectar sistemas informáticos dentro de las redes de área local. La fibra óptica es también la base de los fibroscopios utilizados para examinar las partes internas del cuerpo (endoscopia) o inspeccionar los interiores de los productos estructurales fabricados.

Qué son las redes de fibra óptica

Las redes de fibra óptica, a diferencia de lo que mucha gente cree, no es una tecnología creada hace unos días. En el Reino Unido, a finales de la década de 1960, el Dr. Charles Kuen-Kao y un colaborador desempeñaron un papel fundamental en la determinación de que los cables de fibra óptica de esa época eran inadecuados debido a las impurezas en su vidrio.

Estos primeros cables de fibra óptica sólo transportaban señales de teléfono y televisión a través de pulsos de luz a una distancia de unos 30´5 metros, antes de que casi toda la luz se disipara por el camino. Pero para 1970, los investigadores de la comunicación habían creado una fibra óptica de excelente calidad con más de 800 metros de largo.

El primer enlace de fibra óptica se instaló en Chicago en 1976. Para 1980, los enlaces comerciales de larga distancia estaban en uso y los enlaces de datos de fibra óptica para RS-232 (estandar recomendado de la interfaz de intercambio de datos binarios entre el ordenador y el módem) estaban disponibles. Desde ese comienzo, la fibra se ha convertido en algo muy común en la infraestructura de comunicaciones.

La fibra óptica que se asemeja al hilo de una caña de pescar, permitió posteriormente la producción de comunicaciones de banda ancha, en la informática biomédica y en innumerables aplicaciones digitales. En 2009, cuando el Dr. Kao compartió el Premio Nobel de Física, se estimó que el número de cables de fibra óptica en uso en todo el mundo, si se colocan de extremo a extremo, constituiría una fibra de más de 965 millones de kilómetros de longitud.

Este trabajo pionero ha permitido que la sociedad se comunique más rápidamente, más eficientemente y con mejores capacidades de transmisión. Pero la mayoría de nosotros ni siquiera sabemos cómo funcionan estos cables en la vida real.

Si haces una llamada de larga distancia hoy, sin duda se está hablando de fibra óptica, ya que ha reemplazado más del 90% de todos los circuitos de voz para las comunicaciones de larga distancia. La mayoría de los grandes edificios de oficinas, industrias y locales comerciales tienen fibra en el edificio mismo. Así como,  las instalaciones de fibra en los hogares están creciendo rápidamente. A su vez, la red troncal LAN también se ha convertido en un sistema de comunicación predominantemente basado en la fibra. El back-end de los mainframes y las redes de área de almacenamiento (SAN) son casi todos de fibra.

Por otro lado, las redes de fibra óptica ofrecen un nivel de seguridad óptimo. No se suelen averiar frecuentemente y son inmunes a las interferencias. Su uso se ha extendido a cámaras de seguridad, alarmas perimetrales y otros sistemas más complejos en aplicaciones militares, gubernamentales, de servicios públicos y civiles.
Sin duda, la fibra óptica es  el medio de elección preferido para las comunicaciones de larga distancia, banda ancha o seguras.

Cómo funciona la comunicación por fibra óptica

El funcionamiento de la comunicación por fibra óptica es fácil de explicar para su comprensión. La luz viaja por un cable de fibra óptica rebotando repetidamente en las paredes. Cada pequeño fotón (partícula de luz) rebota en el tubo como un trineo deslizando por una pista de hielo. Por consiguiente, se puede pensar que un rayo de luz, que viaja en un tubo de vidrio transparente,  podría tener filtraciones por los bordes. Pero si la luz golpea el vidrio en un ángulo realmente poco profundo (menos de 42 grados), se refleja de nuevo, como si el vidrio fuera realmente un espejo. Este fenómeno se llama reflexión interna total. Es una de las cosas que mantiene la luz dentro de la tubería.

Otro motivo que mantiene la luz en la tubería es la estructura del cable, que se compone de dos partes separadas. La parte principal del cable -en el centro- se llama el núcleo y esa es la parte por la que viaja la luz. Envuelto alrededor de la parte exterior del núcleo hay otra capa de vidrio llamada el revestimiento. El trabajo del revestimiento es mantener las señales de luz dentro del núcleo. Esto es debido a que está hecho de un tipo diferente de vidrio que el núcleo. (más técnicamente, el revestimiento tiene un índice de refracción más bajo.)

La telecomunicación óptica se realiza normalmente con luz infrarroja en los rangos de longitud de onda de 0,8-0,9 µm o 1,3-1,6 µm, longitudes de onda que son generadas eficientemente por diodos emisores de luz o láseres semiconductores y que sufren la menor atenuación en las fibras de vidrio. La inspección con fibroscopio en la endoscopia o en la industria se realiza en las longitudes de onda visibles, un haz de fibras que se utiliza para iluminar la zona examinada con luz y otro haz que sirve como lente alargada para transmitir la imagen al ojo humano o a una cámara de vídeo.

El medio básico de la fibra óptica es una fibra delgada que a veces está hecha de plástico, pero la mayoría de las veces de vidrio. Una fibra óptica de vidrio típica tiene un diámetro de 125 micrómetros (µm), o 0,125 mm (0,005 pulgadas). Este es en realidad el diámetro del revestimiento, o capa reflectante exterior. El núcleo, o cilindro transmisor interno, puede tener un diámetro tan pequeño como 10 µm. A través de un proceso conocido como reflexión interna total, los rayos de luz transmitidos a la fibra pueden propagarse dentro del núcleo a grandes distancias con una atenuación o reducción notablemente pequeña de la intensidad. El grado de atenuación sobre la distancia varía según la longitud de onda de la luz y la composición de la fibra.

Las señales de luz no viajan a lo que conocemos como velocidad de la luz debido a las capas de vidrio más densas. Este tipo de señales viajan un 30% más despacio que la velocidad de la luz. Para renovar, o aumentar, la señal a lo largo de su viaje, la transmisión por fibra óptica a veces requiere repetidores a intervalos distantes para regenerar la señal óptica convirtiéndola en una señal eléctrica, procesando esa señal eléctrica y retransmitiendo la señal óptica.

¿Cuáles son los diferentes tipos de cables de fibra óptica?

Cada cable contiene hilos de vidrio o de plástico increíblemente finos denominados fibras ópticas. Cada cable puede constar de tan sólo dos hilos o de varios cientos. Las hebras, cada una de ellas con una décima parte del ancho de un cabello humano, son capaces de transmitir alrededor de 25.000 llamadas telefónicas cada una. Así, un cable hecho de cientos de hilos tiene la capacidad de transportar millones de llamadas.

Los dos tipos principales de cable de fibra óptica son la fibra monomodo  y la fibra multimodo.

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Interior de una cable de Fibra Óptica Monomodo

 

La fibra monomodo se utiliza para distancias más largas debido al diámetro más pequeño del núcleo de fibra de vidrio, lo que disminuye la posibilidad de atenuación, es decir, la reducción de la intensidad de la señal. La abertura más pequeña aísla la luz en un solo haz, lo que ofrece una ruta más directa y permite que la señal viaje a una distancia más larga. También tiene un ancho de banda considerablemente mayor que la fibra multimodo. La fuente de luz utilizada para este tipo de fibra es normalmente un láser. De hecho, suele ser más cara porque requiere cálculos precisos para producir la luz láser en una abertura más pequeña.

Dentro de un cable de fibra monomodo típico (Véase el dibujo de arriba), el núcleo delgado está rodeado por un revestimiento aproximadamente diez veces mayor de diámetro, una capa exterior de plástico (aproximadamente el doble del diámetro del revestimiento), algunas fibras de refuerzo hechas de un material resistente, con una cubierta exterior protectora en el exterior.

La fibra multimodo se utiliza para distancias más cortas porque la mayor abertura del núcleo permite que las señales de luz reboten y se reflejen más a lo largo del camino. El diámetro mayor permite enviar múltiples pulsos de luz a través del cable de una sola vez, lo que resulta en una mayor transmisión de datos. Esto también significa que hay más posibilidades de pérdida, reducción o interferencia de la señal. Este tipo de fibras por su parte suelen utilizar un LED para crear el pulso de luz.

Mientras que los cables de cobre fueron la opción tradicional para telecomunicaciones, redes y conexiones de cable durante años, la fibra óptica se ha convertido la alternativa utilizada actualmente. La mayoría de las líneas de larga distancia de las compañías telefónicas están hechas de cables de fibra óptica. La fibra óptica lleva más información que el cable de cobre convencional, debido a su mayor ancho de banda y velocidades más rápidas. Debido a que el vidrio no conduce electricidad, la fibra óptica no está sujeta a interferencias electromagnéticas y las pérdidas de señal son mínimas.

Además, los cables de fibra óptica pueden sumergirse en el agua y se utilizan en entornos de mayor riesgo, como los cables submarinos. Los cables de fibra óptica también son más fuertes, delgados y ligeros que los cables de alambre de cobre y no necesitan ser mantenidos o reemplazados con tanta frecuencia. Sin embargo, el cable de cobre es a menudo más barato que la fibra óptica, está instalado en muchas áreas donde no se ha desplegado el cable de fibra óptica. La fibra de vidrio también requiere más protección dentro de un cable exterior que el cobre, y la instalación de cableado nuevo requiere de técnicos cualificados en esta tecnología, como ocurre normalmente con cualquier instalación de cable.

Para qué se usa la red fibra óptica

A pesar del conocimiento que tiene la gente en general de este tipo de redes, aún no somos conscientes de lo omnipresentes que se han vuelto los cables de fibra óptica. Las señales impulsadas por láser que se transmiten por estos cables están enterradas bajo el pavimento e incluso bajo el fondo del océano. Las tecnologías que utilizan estos cables son tan variadas como las propias señales de luz.

Los sistemas de redes infomáticos son un caso común de uso de fibra óptica, debido a la capacidad de la fibra para transmitir datos y proporcionar un alto ancho de banda. En el pasado, las computadoras profesionales  se conectaban a largas distancias por medio de líneas telefónicas o cables Ethernet, pero los cables de fibra han reemplazado esas opciones porque las computadoras de red con fibra óptica son asequibles, confiables, seguras y ofrecen mayor capacidad.

Algunas de las causas de su frecuente uso son:

  • Menor pérdida de señal: la información viaja 10 veces más lejos antes de necesitar amplificación
  • No producen interferencias: los cables de fibra óptica son menos susceptibles a las interferencias electromagnéticas
  • Mayor ancho de banda: los cables de fibra óptica transportan muchos más datos que los cables más antiguos del mismo tamaño.

De manera similar, se utiliza frecuentemente en la radiodifusión y la electrónica para proporcionar mejores conexiones y rendimiento. Mientras que las primeras señales de televisión y radio utilizaban ondas electromagnéticas para transmitir señales, las compañías de televisión por cable hicieron la transición utilizando cables coaxiales. A medida que el número de consumidores de cable aumentó y las redes de televisión comenzaron a ofrecer más canales y programas, los operadores de cable pasaron de los cables coaxiales a las fibras ópticas, de la radiodifusión analógica a la digital.

Las industrias militar y espacial utilizan la fibra óptica como medio de comunicación y transferencia de señales, debido a su capacidad para proporcionar detección de temperatura. Además de ser beneficiosos debido a su menor peso y tamaño. Los cables de fibra óptica son baratos, ligeros, de alta capacidad, delgados, robustos contra ataques y muy seguros. Como tales, son una manera perfecta de conectar las bases militares con los sitios de lanzamiento de misiles y las estaciones de seguimiento de radar. No emiten radiación electromagnética, fácilmente detectable por el enemigo, y son resistentes cuando se dirigen a un objetivo con interferencia electromagnética.

Las fibra óptica se utiliza frecuentemente en una variedad de instrumentos médicos para proporcionar una iluminación precisa. También, permite cada vez más la utilización de sensores biomédicos que ayudan en procedimientos médicos mínimamente invasivos. Debido a que la fibra óptica no está sujeta a interferencia electromagnética, es ideal para varias pruebas como las de resonancia magnética. Otras aplicaciones médicas de la fibra óptica son la radiografía, la endoscopia, la fototerapia y la microscopia quirúrgica.

Los dispositivos médicos que ayudan a los médicos a mirar dentro de los cuerpos humanos sin cortarlos para abrirlos fueron la primera aplicación de la fibra óptica hace más de 50 años. Ahora, las gastroscopias y artroscopias son comunes en la medicina, y la fibra óptica sigue siendo un componente importante en los nuevos dispositivos de diagnóstico y exploración médica.

Otro uso frecuente de este tipo de redes se produce en las telecomunicaciones debido a sus enormes ventajas de ancho de banda y distancia sobre los cables de cobre. Los sistemas comerciales de hoy en día producen más conversaciones telefónicas sobre un par de fibras que las que podrían llevar miles de pares de cobre y pueden llegar a cientos de kilómetros entre repetidores totalmente ópticos. Los costos de materiales, la mano de obra de instalación, empalme y la confiabilidad están a favor de la fibra, sin mencionar las consideraciones de espacio.

El peso relativamente ligero de los cables de fibra en comparación con los cables tradicionales es otra ventaja. Tanques, aviones militares y helicópteros han comenzado a cambiar de cables metálicos a cables de fibra óptica. Ahorrar peso y costes es un gran beneficio, pero la fibra óptica también mejora la fiabilidad.

Como diseñar y configurar una red de fibra optica.

Para el diseño de una red de fibra óptica existen varios métodos o formas de llevar a cabo su configuración. En esta ocasión detallaremos algunas consideraciones y consejos de los más utilizados que espero te puedan servir de ayuda para comprender el proceso.

1. Seleccionar un módulo de comunicaciones o convertidor que se ajuste al formato de datos que desea transmitir.

El primer paso es elegir el tipo de sistema necesario. Los productos de comunicaciones de fibra óptica existen para casi todos los tipos de sistemas de comunicaciones, desde sistemas de telefonía de alta velocidad y hasta otros más simples tipo RS-232 de baja velocidad o enlaces de cierre de relés. Muchos son convertidores de medios de interfaces eléctricas estándar como Ethernet que tienen varias opciones en velocidades de datos. Algunos son enlaces propietarios para equipos especializados utilizados para el monitoreo de servicios públicos, control industrial, videovigilancia, etc.

2. Seleccionar un producto de fibra óptica que se especifique para trabajar en el rango de su aplicación.

Tener en cuenta el tipo de fibra y otros componentes, como los conectores necesarios para este producto:

  • Considerar el alcance del enlace ya que esto afecta al tipo de fibra y a los transceptores necesarios.
  • Los enlaces cortos utilizan fuentes multimodo de fibra y LED, mientras que los enlaces más largos utilizan láseres y fibras monomodo.
  • La mayoría de los productos de comunicaciones por fibra óptica ofrecen varias versiones que cubren diferentes gamas.
  • Alternativamente, si ya sevtiene instalada una planta de cable de fibra óptica, seleccionar un producto que opere sobre su planta de cable de fibra óptica, considerando tanto el tipo de fibra como la distancia.

3. Seleccionar un tipo de cable de fibra óptica apropiado para la aplicación. 

  • Determinar el entorno de trabajo de la planta de cable de fibra óptica. Algunas aplicaciones se encuentran en entornos de oficina, otras en fábricas, por encima de techos y otras al aire libre.
  • Al aire libre, algunos cables se instalan por vía aérea, ya sea anclados a un mensajero o autoportantes, otros se entierran directamente o en conductos y otros deben correr bajo el agua.
  • Todos los cables para exteriores requieren protección contra la entrada de agua y cualquier otro factor ambiental específico de la instalación.
  • Cada aplicación impone requisitos sobre el diseño del cable que deben discutirse con los fabricantes de cables, quienes pueden recomendar los tipos de cable adecuados para esa aplicación.
  • No todos los fabricantes fabrican el mismo tipo de cable, por lo que hablar con varios proveedores puede ofrecer opciones en cables que afectan al precio o al rendimiento.
  • Considerar la posibilidad de instalar varias fibras adicionales en caso de que alguna se dañe en la instalación o si se necesitan fibras adicionales para una futura expansión. (De hecho, para aplicaciones complicadas, puede ser aconsejable instalar un enlace de respaldo completo y/o una planta de cable de fibra óptica redundante en una ruta diferente.)
  • A menudo se añaden fibras monomodo a los cables multimodo (denominados cables híbridos) en caso de que las redes futuras necesiten un mayor ancho de banda.
  • En esta etapa, se ha de decidir también sobre el hardware de instalación necesario, como conductos internos para cables o regletas y amarres para cables aéreos.

4. Planificar con anticipación los requisitos de los empalmes.

  • Es posible que sea necesario empalmar cables de gran longitud, ya que el cable de fibra óptica rara vez se fabrica en longitudes superiores a varios kilómetros debido a consideraciones de peso y fricción de tracción.
  • Si las fibras necesitan empalme, determinar cómo empalmar las fibras (fusión o mecánica) y qué tipo de hardware como los cierres de empalme son apropiados para la aplicación.

5. Elejir conectores de un estilo y tipo de terminación adecuados para la aplicación.

  • Los cables necesitarán terminaciones para interactuar con los productos de comunicaciones.
  • Los conectores deben elegirse adecuadamente o se necesitarán conectores con un extremo terminado con conectores compatibles con los productos de comunicaciones.
  • Los conectores de fibra óptica tienen varios métodos de terminación, algunos usando adhesivos y pulido, otros usando empalmes, que tienen compensaciones en el rendimiento.
  • Consultar los conectores adecuados con los fabricantes e instaladores antes de tomar esta decisión.

6. Asegurar de que la pérdida de enlace calculada es sustancialmente menor que el margen de enlace de los productos de comunicaciones.

  • Calcular el presupuesto de energía/pérdida para el enlace.
  • Utilizando las especificaciones de los componentes típicos y el diseño de la red (tipo de fibra, longitud, longitud de onda del transceptor, número de conectores y empalmes) se puede calcular la pérdida óptica aproximada de la red.
  • Comparar con el margen del enlace para los productos de comunicación que se haya elegido.
  • Pronosticar los posibles problemas de margen con los proveedores de equipos de comunicaciones.

7. Instalar la red de cables.

  • Utilizando el diseño desarrollado en este proceso, instalar la red de cables.
  • Algunos usuarios aprenden a instalar y mantener la red de cable de fibra óptica por sí mismos, mientras que otros utilizan contratistas.
  • Los instaladores o contratistas deben estar capacitados y tener experiencia en el tipo de instalación que se está realizando, tener referencias de trabajos anteriores y estar certificados por las organizaciones competentes en cada país, región o comunidad.

Como instalar una red fibra óptica

La fibra óptica es uno de los sistemas de comunicación y transporte de datos más utilizados en la actualidad junto a la tecnología por cable, el ADSL, el satélite y el acceso telefónico que libran una dura batalla por el control y dominio del acceso a Internet. Aunque no está disponible en todas las áreas, su mayor velocidad y fiabilidad lo convierten en un gran competidor. Su instalación requiere de la presencia de un técnico especializado, aunque cada día hay más empresas en la industria que tiene personal cualificado en redes para realizar su instalación. A continuación os planteo algunos consejos para la instalación de redes de fibra óptica.

  • Verificar la disponibilidad en su área. El servicio de fibra óptica es usualmente ofrecido por compañías, la mayoria de empresas de telefonía. Si el servicio está disponible, debe haber una caja de distribución de fibra óptica montada en un poste telefónico en algún lugar cercano de donde se pretende instalar la red. También debe haber otra caja que contenga el cable de la caja de distribución en un poste a unos pocos metros de tu casa, oficina o industria.
  • Enhebrar el cable de fibra óptica desde la carcasa hasta donde se va a realizar la instalación. Realizar pruebas previas para asegurarse de que emite señal.
  • Instalar un terminal de red óptica en el lateral del lugar de la instalación o en el interior. Se recomienda que se produzca en una planta baja o sótano.

Ventajas y desventajas de los cables de fibra óptica

Dadas las ventajas de velocidad y ancho de banda que tiene la fibra óptica sobre el cable de cobre, también presenta algunos inconvenientes. Aquí están las ventajas y desventajas del cable de fibra óptica.

Ventajas:

  • Los cables de fibra son mucho más ligeros
  • La capacidad de una fibra para la transmisión de datos es de magnitud más alta
  • La atenuación de una fibra puede ser muy baja
  • Un gran número de canales pueden ser re-amplificados en un solo amplificador de fibra.
  • La transmisión óptica de datos a través de fibras es difícil de interceptar y manipular,
    proporcionando una mayor ciberseguridad
  • Las conexiones de fibra son inmunes a los EMPs
  • Las fibras no son un peligro de incendio

Sin embargo, las fibras tienen desventajas:

  • Las conexiones de fibra son sensibles y difíciles de manejar, especialmente en modo simple.
  • La alineación debe ser precisa y se requiere una limpieza óptima.
  • Las fibras de vidrio deben permanecer relativamente rectas para evitar pérdidas o roturas.

En general, está claro que las ventajas superan a las desventajas, lo que hace de la fibra óptica una innovación notable.

Conclusión

Aunque la fibra óptica ha existido durante décadas, esta tecnología en la actualidad está alcanzando su máximo potencial. En un futuro cercano, los científicos e investigadores continuarán encontrando formas de incorporar la fibra óptica a nuestras vidas.

Con su capacidad para mejorar la comunicación y los dispositivos, no hay duda de que la fibra óptica continuará evolucionando y permitirá a los humanos seguir mejorando nuestra comunicación, la medicina, las fuerzas armadas, la tecnología aeroespacial y otros campos aún por investigar.

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