Fibra òptica

Un feix de cables de fibra òptica.

La fibra òptica és un filament flexible de secció circular fet d'algun tipus de vidre o plàstic capaç de transportar feixos de llum en el seu interior. Funciona com a una guia d'ones per al rang de freqüències compreses entre 10¹⁴ Hz i 10¹⁵ Hz. És molt important generar la freqüència de llum adequada segons el tipus de fibra amb què es treballa.

És necessari també disposar d'una font de llum que emeti un feix molt direccional, de manera que es pugui introduir a la fibra òptica amb la major eficiència possible, ja que aquestes tenen un diàmetre molt petit, una fraccó de mil·límetre, aproximadament. Les utilitzades són els LED i els làsers. Es trien en funció de la propagació a través de la fibra òptica.

Origen i evolució

La idea de transmetre informació per mitjà de llum com a portadora es va començar a desenvolupar cap a mitjans del segle XIX. Als voltants de 1880, Alexander G. Bell va construir el fotòfon que enviava missatges vocals a curta distància per mitjà de la llum. No obstant això, resultava inviable per la falta de fonts de llum adequades. Amb la invenció i construcció del làser en la dècada de 1960 va tornar a prendre idea la possibilitat d'utilitzar la llum com suport de comunicacions fiables i d'alt potencial d'informació a causa de la seva elevada freqüència portadora. En aquells dies, van començar els estudis bàsics sobre modulació i detecció òptica. Els primers experiments sobre transmissió atmosfèrica van posar de manifest diversos obstacles com l'escassa fiabilitat deguda a precipitacions, contaminació o turbulències atmosfèriques. La utilització de fibres de vidre com a medi guia no va trigar a ressaltar com a possible solució: mida, pes, facilitat de maneig, flexibilitat i cost. En concret, les fibres de vidre permetien guiar la llum mitjançant múltiples reflexions internes dels feixos de llum, no obstant això, al principi presentaven elevades atenuacions. El 1966 es va publicar un article redactat per Kao i Hockman en el qual s'assenyalava que l'atenuació observada fins a llavors en les fibres de vidre, no es devia a al sistema utilitzat sinó a impureses originades en el procés de fabricació. A partir d'aquesta data comencen a produir-se esdeveniments que donaran com resultat final la implantació i utilització cada vegada major de la Fibra Òptica com alternativa als cables de coure, ja que aquests presenten alguns inconvenients que fan necessari buscar altres vies per a la transmissió de dades.

Després d'anys d'investigació, al 1977 es du a terme un experiment amb gran èxit que demostra la capacitat de la fibra òptica en comunicacions de veu, vídeo i dades utilitzant làsers i LED com a fonts de llum. Això deriva en el gran desenvolupament d'aquest material en el camp de les telecomunicacions. Així, al 1988 es posa en funcionament el TAT-8, el primer enllaç transoceànic fet de fibra òptica.

Característiques

La fibra òptica està formada per tres parts diferenciades:

• Nucli: Filament transparent fet d'algun tipus de vidre o plàstic el diàmetre del qual està comprés entre 8 i 600 micres depenent del tipus de fibra òptica. Té un índex de refracció alt.
• Revestiment: Permet retenir la llum dins el nucli i provocar la reflexió total d'aquesta. Per a que això sigui possible, l'índex de refracció del revestiment ha de ser inferior al del nucli.
• Coberta: Protegeix la fibra fent-la més robusta i evitant que es malmeti. Està formada per material plàstic

Interior de la fibra òptica: Nucli, revestiment i coberta.

Funcionament

El funcionament de les fibres òptiques es basa en el principi òptic de la reflexió total. La llum entra a la fibra amb un cert angle i es propaga fins a trobar-se la superfície que separa el nucli i el revestiment. Com aquestes dues superfícies tenen índexs de refracció diferents, en aquest punt la llum pateix una reflexió total de manera que tot el feix es reflexa dins del filament sense deixar escapar llum, pel que no s'aprecien pèrdues. Aquest principi òptic es compleix degut al fet que l'índex de refracció del revestiment és inferior al del nucli, i també perquè la llum penetra dins de la fibra amb un angle determinat calculat prèviament. Aquest angle d'íncidència no pot ser inferior a l'angle crític (respecte la normal perpendicular a ambdós materials) establert pels materials del nucli i el revestiment. Si no es complís aquesta condició, no es donaria la reflexió total i per tant s'observarien pèrdues.

Espectre electromagnètic.

Els sistemes de comunicació òptica utilitzen la part de la banda infraroja més propera a l'espectre visible. La longitud d'ona que s'utilitza depèn dels dispositius dels que es disposa. Actualment es treballa en les bandes de freqüència següents, també conegudes amb el nom de finestres:

- 1a finestra: 850 nm

- 2a finestra 1300 nm

- 3a finestra 1550 nm

És possible, també, utilitzar senyals amb una longitud d'ona dins de l'espectre visible, per exemple en certes aplicacions industrials, ja que el fet de que es puguin veure pot resultar útil malgrat les pèrdues que es donen.

Tipus

La següent classificació s'estableix en funció de la propagació de la llum a l'interior de la fibra:

Monomode

En la fibra monomode, el diàmetre del nucli es redueix a dimensions de l'ordre de la longitud d'ona. Això provoca que només hi passi un sol mode: el raig òptic central, també conegut com a raig axial. Aquest únic camí generat a causa de les petites dimensions del nucli evita la dispersió multimodal. S'utilitza en aplicacions de llarga dstància ja que ofereix més prestacions, tot i que és més cara. La font de llum és Làser, concretament s'utilitza el dispositiu ILD (Injection Laser Diode). Normalment la fibra monomode es fa servir en la segona i la tercera finestra.

Mode de propagació de la fibra monomode.

Multimode

En aquest cas el diàmetre és major que el de les fibres monomode, així que lallum viatja seguint molts camins que depenen de la longitud d'ona, la freqüència i l'angle d'inserció de la llum. La font de llum que sútilitza és el LED. S'utilitza normalment en la primera i la segona finestra.

Dintre de les fibres multimode existeixen dos tipus diferents en funció de les característiques dels indexs de refracció:

- Índex discret

Els índexs de refracció del nucli i del revestiment són diferents però uniformes i per tant el senyal es guia a causa de la reflexió total en la superfície de separació d'aquests. La relfexió total es dóna per a molts angles. Aquestes característiques possibiliten diversos modes de propagació lumínica, i per tant, diversos temps de recorregut lumínic. Aquest tipus de fibres són les més utilitzades en enllaços de distàncies curtes, fins a 1 km, i la seva aplicació més important està en les xarxes locals.

Mode de propagació de la fibra multimode d'índex discret.

- Índex gradual

Es produeix un disminció gradual de l'[[índex de refracció] del nucli des de l'interior a l'exterior fet que provoca una propagació ondulada a l'interior de la fibra. Aquest tipus no origina tants modes de propagació com l'anterior i són les utilitzades en enllaços de fins a 10 km.

Mode de propagació de la fibra multimode d'índex gradual.

Mode de propagació de la fibra multimode d'índex gradual.

Elements d'un sistema de fibra òptica

Els sistemes de fibra òptica estan composts per un emissor, que té com a funció convertir el senyal elèctric en senyal òptic per a enviar-lo a través d'una fibra òptica. En l'extrem oposat de la fibra es troba el detector, que converteix el senyal òptic novament en senyal elèctric. S'utilitza modulació d'amplitud, modulant la intensitat de llum generada per l'emissor.

Degut a que els emissors i els detectors introdueixen no lienalitats al convertir el senyal elèctric a òptic i viceversa, i també al soroll que s'afegeix en aquest tipus de sistemes, la transmissió és molt més apropiada per a senyals digitals (estats d'encès-apagat de l'emissor) que no pas analògics, tot i que també és possible treballar amb aquests últims.

- Emissors

Els dispositius utilitzats com a emissors de radiació lluminosa en els sistemes de comunicacions òptiques són el diode làser i el LED com ja s'ha vist anteriorment, i són també anomenats convertidors electro-òptics (I/O). En funció del sistema escollim un o l'altre. El làser ofereix millor rendiment en amples de banda grans i llargues distàncies, mentre que el LED se sol escollir per a amples de banda menors i curtes distàncies, ja que tant el circuit d'atac com el de control són més senzills.

- Detectors

El detector és un dispositiu que s'encarrega de convertir fotons en electrons, que també es coneix com a convertidor opto-electrònic (O/I). Els fotodetectores utilitzats en les comunicacions òptiques són el fotoconductor, el diode PIN i el fotodiode de devessall. La major part de sistemes instal·lats usen diodes PIN.

- Repetidors

El senyal òptic que es propaga a través de la fibra òptica es degrada per l'atenuació i restricció de l'amplària de banda de la fibra. El millor mètode per a regenerar el senyal transmès és tractar el senyal en forma elèctrica. Per tant, els convertidors I/O i O/I són components indispensables en un repetidor òptic. L'amplificador i igualador del senyal elèctric són similars als dels sistemes de transmissió convencionals.

Avantatges i desavantatges

Els sistemes de comunicació per fibra òptica presenten un conjunt important d'avantatges sobre altres suports utilitzats en la transmissió de senyals analògics i digitals, com per exemple:

• Molt flexible, menor pes i volum.
• Gran ample de banda: permet la transmissió d'un gran volum d'informació.
• Baixa Atenuació: permet realitzar enllaços de major longitud sense necessitat de repetidors. L'atenuació depèn del tipus de fibra òptica i de la longitud d'ona utilitzada.
• No és afectada per les interferències electromagnètiques. Es deu al fet que dintre seu no viatja senyal elèctric sinó llum. S'aconsegueix un índex menor d'errors en la transmissió de senyals digitals.
• Seguretat i aïllament elèctric. Molt útil en determinades aplicacions en ambients perillosos (ambients explosius o inflamables), on no es poden produir descàrregues elèctriques o espurnes.
• Seguretat enfront de possibles intervencions en la línia: Encara que no és impossible "punxar" una fibra òptica, és més difícil que en altres suports i normalment la intervenció es pot detectar.
• Més resistent a condicions ambientals desfavorables.
• Molt fiable: Les fibres no perden llum degut a la reflexió total.

La fibra òptica també presenta alguns inconvenients:

• Cost elevat en comparació amb els altres medis de comunicació més habituals
• No hi ha una estandardització dels productes: planteja problemes de compatibilitat.
• La instal·lació dels connectors és complexa i requereix un personal amb formació adequada.
• Les fibres són fràgils i la reparació d'un cable trencat o malmès és dificultosa.

Aplicacions

El camp d'aplicació de les fibres òptiques és molt ampli i augmenta dia a dia. Algunes de les aplicacions més importants són:

• Telecomunicacions. En aquest apartat cal incloure la xarxa d'enllaços i la xarxa d'abonament de les administracions públiques de telefonia. Cal destacar la importància de les fibres òptiques en el context de la xarxa digital de serveis integrats (RDSI).
• Xarxes locals i comunicació entre ordinadors.
• Enllaços de televisió. Aplicació molt útil en enllaços de televisió per a aplicacions de seguretat.
• Electromedicina: Transmissió de llum a punts difícils d’il·luminar, cirurgia amb làser...
• Aplicacions industrials: sensors, automatització industrial...
• Il·luminació, decoració i senyalització.
• Aplicacions militars: Les comunicacions per fibra òptica ofereixen molta seguretat.
• Altres: Degut a la seva lleugeresa i alta capacitat de transmissió de dades, són molt útils quan el pes és determinant, com per exemple en avions i vaixells.

Mentre que el preu del cable de coure augmenta any a any, en els sistemes de fibra òptica la tendència és al revés. A més la investigació en aquest camp és intensa i hi ha continus progressos. Per això és previsible que en el futur la importància de la fibra òptica en tots els camps sigui creixent.