Módulo 5. Técnicas digitales. Fibra óptica.
5.10 Fibras ópticas. Las fibras ópticas han sido utilizadas ampliamente como un medio de transmisión para redes de comunicaciones de datos basadas en tierra y redes de área local (conocidas por sus siglas en inglés LAN, Local Area Network) durante muchos años y ahora están siendo introducidas en los últimos modelos de aeronaves de transporte de pasajeros para satisfacer las necesidades de ancho de banda de las redes de aviónica y los sistemas de mantenimiento de cabina. En virtud de su poco peso, tamaño compacto, y el excepcionalmente ancho de banda, las fibras ópticas son muy adecuadas para sustituir las redes convencionales de cableado de cobre. Sin embargo, esta tecnología es relativamente nueva en la industria de las aeronaves civiles y trae con ella un conjunto nuevo de problemas y desafíos para aquellas personas relacionada con la operación y el mantenimiento de las aeronaves.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS. Las fibras ópticas ofrecen algunas ventajas significativas sobre los cables convencionales de cobre. Éstas son: •
Son ligeras y de tamaño pequeño.
•
Son capaces de soportar grandes anchos de banda a altas velocidades de transmisión de datos.
•
Están relativamente libres de la interferencia electromagnética.
•
Tienen un reducido ruido y cruce de datos comparadas con los cables de cobre convencionales.
•
Tienen relativamente valores bajos de atenuación debido al medio de transmisión.
•
Tienen una alta fiabilidad junto con una larga vida operativa.
•
Tienen aislamiento eléctrico y están libres de conexión a tierra.
La reducción en peso resultante del uso de fibra óptica puede reportar ahorros significativos de combustible. El cableado de cobre es normalmente cinco veces más pesado que un cableado de fibra óptica de polímero y 15 veces más pesado que la fibra óptica de sílice. En una aeronave grande de la última generación con sofisticados sistemas de aviónica, el peso total que puede ser ahorrado puede llegar a 1.300 kg. Las fibras ópticas tienen algunas desventajas: •
La resistencia de la industria a la introducción de una nueva tecnología.
•
Necesidad de un alto grado de precisión cuando se conectan cables y terminales o conectores.
•
Necesidad de tener en cuenta la resistencia mecánica de las fibras y la necesidad de asegurar que las curvas que dan los cables tengan radios suficientemente grandes para minimizar las pérdidas o la posibilidad de daños a las fibras.
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Se puede afirmar que las fibras ópticas frente a los cables convencionales: a.‐ Son más pesadas y de mayor tamaño b.‐ Son más fáciles de instalar c.‐ Tienen mayor fiabilidad y mayor vida operativa d.‐ En ambos casos deben ser conectadas a tierra ¿Un ventaja significativa de las redes de fibra óptica en las aeronaves grandes de transporte de pasajeros es …? a.‐ Tener menores costes de instalación b.‐ Tener un peso global reducido c.‐ Ser fáciles de instalar y mantener d.‐ No aporta ninguna ventaja
PROPAGACIÓN EN LAS FIBRAS ÓPTICAS Esencialmente, una fibra óptica consiste en un núcleo cilíndrico de sílice rodeado de un revestimiento cristalino. La fibra actúa como un canal (o como una guía de ondas) a lo largo del cuál una onda electromagnética puede pasar con muy pocas pérdidas. El funcionamiento de la fibra está regido por las leyes fundamentales de la reflexión y de la refracción. Por ejemplo, cuando una onda luminosa (o rayo luminoso) pasa de un medio con un índice de refracción mayor a uno menor, la onda (o el rayo) se dobla hacia la perpendicular de la superficie que separa ambos medios, como se muestra en la figura 5.10.1 (a).
Perpendicular
Rayo refractado
2
Índice de refracción n2
Frontera
Índice de refracción n1
Rayo incidente
1
(a) Refracción hacia la perpendicular (n2 > n1)
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Perpendicular
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Rayo refractado 2
Índice de refracción n2
Frontera
Índice de refracción n1
Rayo incidente
1
(b) Refracción alejándose de la perpendicular (n2 < n1) Fig. 5.10.1. Refracción de un rayo de luz en la frontera de dos materiales Igualmente, cuando el rayo de luz pasa desde un medio con un índice de refracción menor a otro mayor, el rayo se aleja de la perpendicular a la superficie que separa ambos medios, como se muestra en la figura 5.10.1 (b). En este último caso (figura 5.10.2), parte de la luz incidente se refleja en la frontera de separación de ambos medios (es decir, no atraviesa dicha frontera de separación) y, a medida que el ángulo de incidencia se aumenta (respecto a la mencionada perpendicular), el ángulo de refracción también aumenta hasta que, llegado a un determinado valor crítico, el rayo es totalmente reflejado (es decir, ninguna parte del rayo atraviesa la superficie de separación, el rayo refractado ya no existe). El ángulo de incidencia para el cuál esto ocurre se conoce como ángulo crítico, θc. El valor de θc depende de los índices de refracción absolutos de los medios implicados y se determina por:
θC =
2 ( n1 − n2 ) n1
donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios más denso y menos denso respectivamente.
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Rayo refractado
Aire
Rayo refractado
Frontera
Frontera superior
Cristal Fuente
Fuente
Rayo reflejado
Rayo reflejado Frontera inferior
(a) Ángulo de incidencia igual que el crítico (θc = θ)
(a) Ángulo de incidencia menor que el crítico (θc > θ)
Sin rayo refractado
Fuente (c) Ángulo de incidencia mayor que el crítico (θc < θ)
Fuente (d) Múltiples rayos con reflexión interna total Fig. 5.10.2. Refracción y reflexión para distintos ángulos de incidencia Las fibras ópticas se fabrican a partir de sílice fundido que es cuando se les da su forma cilíndrica. El medio más denso (el núcleo) se rodea por el medio menos denso (el revestimiento). Siempre que el ángulo de incidencia de la onda de entrada sea mayor que el ángulo crítico, dicha onda luminosa se propagará por el interior del núcleo mediante una serie de reflexiones totales internas. Sin embargo, cualquier otra onda luminosa que sea incidente en la frontera entre los medios a un ángulo menor que el ángulo crítico (θc > θ) pasará (por refracción) al medio exterior (el revestimiento) y se perderá por dispersión y/o absorción. ¿En una fibra óptica, el índice de refracción del núcleo es…?
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a.‐ De igual valor que el índice del revestimiento b.‐ De menor valor que el índice del revestimiento c.‐ De mayor valor que el índice del revestimiento d.‐ Es indiferente el valor que tenga
Inicio de la onda: Habiendo considerado brevemente el mecanismo de propagación dentro de la fibra óptica, conviene describir como se introducen las ondas dentro de la misma. El cono de aceptación (ver figura 5.10.3) es el conjunto completo de ángulos con los que las ondas serán reflejadas internamente de forma completa. Cono de aceptación
c
a
ti crí yo Ra
Índice de refracción n1
co
Índice de refracción n2
Fibra óptica
Figura 5.10.3. Cono de aceptación Los rayos que entran por los bordes recorrerán una longitud mayor a lo largo de la fibra pero viajarán más rápido debido al menor índice de refracción del revestimiento. La apertura numérica determina el ancho de banda de la fibra y viene dado por la función seno del ángulo crítico de entrada: Apertura numérica, A = sen θa
Claramente, cuando un determinado número de ondas luminosas entran en el sistema con diferentes ángulos de incidencia, una parte de estas ondas (o modos) son capaces de propagarse. Esta propagación multimodal es relativamente sencilla de alcanzar pero tiene la desventaja de que como las ondas tardan tiempos diferentes en recorrer la fibra, la variación del tiempo de tránsito da como resultado una dispersión de valores que impone una obvia restricción a la máxima velocidad de transmisión de datos que el sistema puede soportar. Hay dos métodos para reducir la propagación multimodal. Uno de ellos utiliza una fibra con un índice de refracción graduado mientras que el otro utiliza una fibra de un único modo especial (o fibra monomodo). El núcleo interior de este tipo de fibra se reduce en diámetro de forma que tenga el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la onda incidente. Esto asegura que solamente se propagará un único modo. ¿Si una fibra óptica tiene un cono de aceptación de 45º, la apertura numérica sería …? a.‐ 0,5
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b.‐ 0,707 c.‐ 0,910 d.‐ 1 ¿Si la apertura numérica de una fibra óptica tiene un valor de 1, esto indicaría que …? a.‐ Toda la luz de la fuente emisora es capturada por la fibra b.‐ Nada de la luz de la fuente emisora es capturada por la fibra c.‐ El 50 % de la luz de la fuente emisora es capturada por la fibra d.‐ El 75 % de la luz de la fuente emisora es capturada por la fibra
Atenuación: Las pérdidas dentro de una fibra óptica provienen de una serie de causas: •
Absorción.
•
Dispersión en el núcleo (debido a la no homogeneidad del índice de refracción).
•
Dispersión en la frontera entre el núcleo y el revestimiento.
•
Pérdidas debidas a la radiación en las curvas de la fibra.
Debe notarse que el coeficiente de atenuación de una fibra óptica (ver figura 5.10.4) se refiere solamente a las pérdidas en la propia fibra y no tiene en cuenta las pérdidas por acoplamiento o por radiación (las cuales pueden ser significativas). En general, la atenuación de una fibra de buena calidad puede esperarse que sea menor que 2 dB por km para longitudes de onda de 1,3 μm (1,3 • 10‐6 m, infrarrojo). Por tanto, una fibra de 50 m de longitud tendría una pérdida de alrededor de 0,1 dB. Si bien el coeficiente de atenuación de una fibra óptica es muy dependiente de la calidad y consistencia del cristal utilizado para el núcleo y el revestimiento, la atenuación de todas las fibras ópticas varía ampliamente con la longitud de onda. La típica relación característica de atenuación y longitud de onda para una fibra monomodo se muestra en la figura 5.10.4. Debe notarse que el pico abrupto que aparece sobre 1,39 μm aparece de un exceso de absorción dentro de la fibra monomodo. Coeficiente de atenuación (dB/km) 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
Longitud de onda ( m)
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1,4
1,5
1,6
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Figura 5.10.4. Atenuación en una fibra óptica Actualmente las fibras monomodo son un elemento habitual de los sistemas de comunicación de datos de alta velocidad ubicados en tierra y se han desarrollado técnicas de fabricación que aseguran productos consistentes y fiables con baja atenuación y amplios anchos de banda operacionales. Sin embargo, como las fibras monomodo son significativamente más pequeñas en diámetro que sus predecesoras multimodo (ver figura 5.10.5), es esencial disponer de medios consistentes y fiables para cortar, preparar la superficie, alinear e interconectar la fibra, y por esta razón fibras multimodo más lentas todavía prevalecen en los diseños de las actuales aeronaves. Revestimiento Núcleo
50 μ m 125 μ m
(a) Fibra multimodo Revestimiento Núcleo
50 μ m 125 μm
(b) Fibra monomodo Figura 510.5. Comparación de las fibras multimodo y monomodo
¿El diámetro típico del revestimiento de una fibra monomodo es …? a.‐ 1,25 μm b.‐ 12,5 μm c.‐ 125 μm d.‐ 1.250 μm ¿La longitud de onda típica que se usa en una fibra óptica es …? a.‐ 1,3 μm b.‐ 13 μm c.‐ 130 μm d.‐ 1.300 μm ¿El diámetro típico del núcleo de una fibra óptica monomodo es …? a.‐ Entre 5 y 7 μm
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b.‐ Entre 50 y 70 μm c.‐ Entre 200 y 280 μm d.‐ Entre 500 y 700 μm
Dispersión y ancho de banda En la figura 5.10.6 se muestra un enlace de datos simple de sentido único (simplex en inglés) de fibra óptica. El transmisor óptico consiste en un diodo emisor de luz infrarroja (LED) o un diodo láser semiconductor de baja potencia acoplado directamente a la fibra óptica. El diodo es alimentado con pulsos de corriente desde una interfaz. Estos pulsos de corriente producen pulsos equivalentes de luz que viajan a lo largo de la fibra hasta que alcanzan la unidad óptica receptora. Esta unidad óptica receptora consiste en un fotodiodo o un fototransistor que produce una corriente relativamente alta cuando se ilumina y no produce apenas corriente cuando no se ilumina. Por tanto, lo pulsos de corriente del extremo transmisor se reproducen en el extremo receptor. Revestimiento Entrada lógica
Transmisor óptico
Receptor óptico
Núcleo
Salida lógica
Fibra óptica
Figura 5.10.6. Enlace de datos con una única fibra óptica de sentido único La máxima tasa de transmisión de datos (y consecuentemente el ancho de banda) de la conexión de datos óptica depende de la habilidad del sistema mostrado en la figura 5.10.6 de reproducir fielmente un tren de estrechos pulsos digitales. Desafortunadamente, en una fibra multimodo diferentes modos viajan a diferentes velocidades, como se mostró anteriormente en la figura 5.10.2 (d). Este fenómeno se conoce como dispersión y tiene el efecto de estirar el pulso de salida, como se muestra en la figura 5.10.7 (b).
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Amplitud
Tiempo (a) Pulso de entrada Amplitud
Tiempo (b) Pulso de salida
Figura 5.10.7. Pulsos de entrada y de salida para la figura 5.10.6 Amplitud
0
0
1
0
1
Tiempo (a) Salida de la fibra sin dispersión Amplitud
0
0
1
1
0
Tiempo (b) Salida de la fibra con dispersión
Figura .10.8. Efecto de la dispersión en el ancho de los pulsos recibidos a través de una fibra óptica Cuando se suministran datos digitales al transmisor óptico, el estiramiento de los pulsos impone un límite superior a la velocidad con la que los pulsos pueden ser transmitidos. En otras palabras, la velocidad de transmisión de los datos está determinada por la cantidad de dispersión ya que un intervalo mayor entre cada bit significa que un menor número de bits puede ser transmitido en la misma cantidad de tiempo. Fig. 5.10.8. ¿Un transmisor óptico adecuado para ser usado con la fibra óptica sería …? a.‐ Un fotodiodo b.‐ Un diodo láser semiconductor de baja potencia
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c.‐ Un fototransistor d.‐ Un diodo emisor de luz ultravioleta ¿Con vistas a soportar una alta velocidad de transmisión de datos, un cable de fibra óptica debería tener …? a.‐ Un ancho de banda de cero b.‐ Un ancho de banda limitado c.‐ Un ancho de banda grande d.‐ No depende del ancho de banda
Redes ópticas en la práctica El Boeing 777 fue el primer avión comercial en ser fabricado con una LAN (red de área local) basada en fibra óptica para las comunicaciones de datos de abordo. El sistema fue originalmente desarrollado en los años 1980 y consistía en una red de área local de aviónica (siglas en inglés AVLAN Avionics Local Area Network) acoplada en la cubierta de vuelo (fligth deck) y en la sala de equipos eléctricos (electrical equipment bay) junto con una red de cabina (siglas en inglés CABLAN Cabin Local Area Network) acoplada en el techo de la cabina del pasaje. Estas dos redes de fibra óptica cumplen el estándar ARINC 636 que fue adoptado para aviónica a partir de la Fibre Distributed Interface (FDDI) con vistas a suministrar una red capaz de soportar velocidades de transmisión de datos de has 100 Mbps (100 Megabits por segundo, 100 • 106 bits por segundo).
Construcción de un cable de fibra óptica: La construcción de un cable típico de fibra óptica se muestra en la figura 5.10.9. Ésta incluye: •
Cinco fibras ópticas y dos filamentos de relleno.
•
Un relleno separador.
•
Una armadura resistente de aramida.
•
Una cubierta exterior.
¿Cuál es el estándar de aviación que se aplica a las redes de fibra óptica …? a.‐ ARINC 429 b.‐ ARINC 573 c.‐ ARINC 636 d.‐ ARINC 777
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Vista de la sección
Armadura de aramida Relleno de poliéster Cubierta exterior
Cubierta Revestimiento Núcleo
Figura 5.10.9. Un cable típico de fibra óptica El cable tiene un diámetro total de unas 0,2 pulgadas (0,51 centímetros) y cada una de las fibras ópticas individuales tienen un diámetros de unos 140 μm (140 • 10‐6 m, 0,140 mm). El núcleo suele tener un diámetro típico de 50 a 70 μm (50 a 70 • 10‐6 m, 0,05 a 0,07 mm). Una cubierta protectora recubre cada fibra y la protege durante la fabricación, incrementa su resistencia mecánica y su diámetro con vistas a facilitar su ensamblaje y su manipulación. Las cubiertas están codificadas con colores para su fácil identificación (azul, rojo, verde, amarillo y blanco). Los filamentos de relleno están hechos de poliéster y son de un diámetro aproximado de 0,035 pulgadas (0,9 mm). Un relleno separador de poliéster recubre el conjunto de cinco fibras y los dos filamentos. Este relleno está fabricado de poliéster de baja fricción y sirve para hacer el cable más flexible. Una armadura de tejido de aramida (o Kevlar) suministra mayor resistencia mecánica y mayor protección para el conjunto del cable montado. La cubierta termoplástica exterior (normalmente de color púrpura) se añade para proteger contra la humedad y suministrar aislamiento. ¿En un cable de fibra óptica se verifica que …? a.‐ Los núcleos de cada fibra se colorean como forma de codificación b.‐ Los revestimientos de cada fibra se colorean como forma de codificación c.‐ Las cubiertas de cada fibra se colorean como forma de codificación d.‐ Todos los elementos tienen el mismo color
Conectores de fibra óptica: Los requisitos esenciales para los conectores utilizados con las fibras ópticas deberían ser:
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•
Fiable.
•
Robusto.
•
Preciso y repetible (incluso después de numerosas operaciones de acoplamiento).
•
Adecuado para su instalación sin herramientas especializadas.
•
Baja pérdida.
•
Bajo coste.
Si bien las pérdidas en la señal que provoca un conector pueden ser determinadas en valor absoluto, a menudo se especifican mediante la longitud de fibra óptica que provocarían unas pérdidas similares. Si, por ejemplo, se utilizan seis conectores en un cable y cada cable tiene unas perdidas de 0,5 dB, las pérdidas totales debidas a los conectores serán de 3 dB. Y esto será equivalente a las pérdidas de varios kilómetros de cable de fibra óptica de baja pérdida. La configuración típica de un conector de fibra óptica se muestra en la figura 5.10.10. Esta configuración incluye: •
Terminales y ranuras de alineación.
•
Cavidades y clavijas guía.
•
Bandas coloreadas de alineación.
•
Tres roscas. Figura 5.10.10. Conector es de fibra óptica
Cada conector tiene terminales de alineación en el macho del conector y sus correspondientes ranuras en la hembra. Se utilizan para alinear de forma segura los componentes del conector óptico; las clavijas
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guía del macho se ajustan en las cavidades de la hembra cuando se conecta el conector. Con el fin de asegurar que el conector no está demasiado apretado (lo cual podría causar daños a las fibras) las clavijas del macho están diseñadas de manera que sus extremos topen con el fondo de las cavidades de la hembra. El macho y la hembra del conector tienen contactos cerámicos diseñados para producir el contacto físico cuando el conector está adecuadamente conectado (la señal luminosa pasa por los agujeros de los contactos cerámicos cuando están en contacto físico directo). La tuerca de acoplamiento en el macho tiene una banda amarilla mientras que la hembra tiene una banda amarilla y otra roja. La conexión se hace correctamente cuando la banda roja de la hembra está cubierta al menos en un 50 % por la tuerca de acoplamiento. Esta posición indica una conexión efectiva en la que las fibras ópticas del macho están alineadas en cada extremo con los respectivos extremos de las fibras ópticas de la hembra. Tres roscas en el macho y en la hembra del conector aseguran una correcta alineación inicial. Los componentes intermedios de la hembra previenen la posibilidad de daños si se hace incidir el macho en la conexión con cierto ángulo con respecto a la alineación correcta. Tanto el macho como la hembra del conector se sellan automáticamente para prevenir la entrada de humedades y polvo. Nota: Deben tomarse precauciones cuando se instalan los conectores de fibra óptica relativos a una correcta alineación del macho y de la hembra y a una adecuada limpieza del área de contacto (esto es esencial para asegurar un nivel de pérdidas bajo y un acoplamiento eficiente). Antes de intentar examinar los contactos cerámicos del conector es esencial desconectar el cable del equipo en ambos extremos. La luz de una fibra óptica es invisible y puede ser lo suficientemente intensa como para causar daños permanentes en los ojos. ¿Cuándo se reemplaza un tramo de fibra óptica, es esencial asegurarse de que …? a.‐ Los conectores se alinean correctamente antes de conectar el macho y la hembra b.‐ No se cubre nada de la banda roja cuando se aprieta la tuerca de acoplamiento c.‐ Se cubre la banda roja completamente cuando se aprieta la tuerca de acoplamiento d.‐ Ninguna de las anteriores
Redes ópticas en la práctica Otros componentes además conforman las redes de fibra óptica. Éstos incluyen acopladores (con tres o cuatro puertas), interruptores (que usan espejos para reflectar los haces de luz en diferentes fibras del cable), y routers. Estos últimos se diseñan para controlar el movimiento de las señales a través de la LAN (red de área local) e incluyen interruptores, procesadores, controladores y una o más interfaces de “buses” (un “bus” es un subsistema que transfiere datos entre partes o entre ordenadores, y puede ser tan sencillo como un cable eléctrico o tan complicado como un “cuasi‐ordenador”). El procesador del “router” envía señales a la unidad del conmutador de derivación (BSU por sus siglas en inglés Bypass Switch Unit). Las señales de control de BSU típicas son: •
PRI HI
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•
PRI RTN
•
SEC HI
•
SEC RTN
Recordando el tema de “Circuitos Lógicos”; una lógica alta (representación del 1 en binario) en PRI HI o SEC HI conecta la BSU al anillo de fibra óptica. Una lógica baja (representación del 0 en binario) en PRI HI o SEC HI desconecta la BSU del anillo de fibra óptica. Las señales de control PRI RTN y SEC RTN son entradas activas bajas para los relés de conexión de la BSU. Las interfaces de fibra óptica cambian las señales de las unidades BSU de la fibra óptica en señales electrónicas y viceversa.
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