ABORDAJE DIDÁCTICO DE LA ATENUACIÓN EN SISTEMAS DE FIBRA ÓPTICA

En esta oportunidad desarrollare de forma muy didáctica un tema bastante interesante, concretamente abordaremos La Atenuación en los sistemas de fibra óptica ; este texto servirá de abreboca para futuras entregas pues con su desarrollo se develan concepciones básicas que son tomadas en cuenta para temáticas que requieren un nivel más avanzado en cuanto al dominio de dichos sistemas.

En la transmisión de información, independientemente del medio que se esté utilizando, un fenómeno que prácticamente ningún sistema está a salvo, es la Atenuación, esta se entiende como la sumatoria de todas las condiciones propias del canal que contribuyen a la disminución de potencia de señal a lo largo de su trayectoria; en los diseños de sistemas de telecomunicaciones, es muy importante tener en cuenta los niveles aceptados de atenuación para que la comunicación sea efectiva, pues como se ha dicho ningún medio de transporte escapa a este fenómeno. El hecho de que en la actualidad no se cuente con un material “perfecto” para la transición de datos, no significa que no se hayan logrado avances significativos, todo lo contrario, en la evolución de las comunicaciones, el despliegue de nuevas tecnologías ha traído consigo un mejoramiento en el uso de los medios de transmisión , por ejemplo , los medios de cobre, como el par trenzado y el cable coaxial a pesar que aun cuentan con una gran aplicabilidad están siendo desplazados por nuevos medios y es que las fibras ópticas han acaparado una amplia cuota de mercado, esto es precisamente a los niveles de atenuación que este medio maneja, pues teóricamente son casi despreciables; uno de los factores más interesantes es que, con los medios de cobre las limitaciones en comunicaciones de datos son muy grandes conforme aumentamos en frecuencia, hablando en términos de microondas por ejemplo, un material de cobre es impráctico pues los niveles de atenuación imposibilitan la comunicación, por el contrario en las fibras, las pérdidas se mantienen constantes con la frecuencia.

A pesar de que se ha dicho que los niveles de atenuación en un medio óptico son muy bajos, conviene contemplar ciertas premisas que propiciaran una mejor implementación en distintas infraestructuras de datos; en este texto el lector podrá identificar las causas de la atenuación en fibras, así como su posible mitigación según el caso, de igual forma se procederá a explicar de forma muy sencilla el cómo calcular la atenuación total en un enlace de fibra óptica.

Fuente

Para dar inicio al desarrollo de esta entrega, se presenta la expresión general que define a la atenuación en un medio óptico, para ello, se establece una consideración teórica que define cada uno de los parámetros en la ecuación:

Como se dijo en principio la atenuación es una característica propia de cada medio de transmisión que afecta la potencia de la señal conforme esta se propaga, es decir que a la salida tendremos una potencia menor que la potencia de entrada, para definir este decrecimiento a lo largo de una fibra, se toma en cuenta la distancia del cable y la componente vectorial de propagación que para una fibra es el eje Z (dada la geometría de una fibra se emplean coordenadas cilíndricas y considerando el comportamiento electromagnético la propagación está definida en el eje Z), entonces para calcular esta variación de potencia se tiene que:

Donde

P: Potencia en la fibra
dP: variación de potencia a lo largo de la fibra (su rango comprende la potencia de entrada Pe y la potencia de salida Ps)
α: atenuación total
dz: diferencial del eje z, dirección de propagación definido por la longitud L de la fibra

Como se puede apreciar el escalar α define cuanto se reduce la potencia, para resolver esta ecuación diferencial de primer orden, desarrollamos:

Integrando en ambos términos:

Finalmente se tiene que :

Con esta ecuación se logra relacionar la potencia de salida , es decir la potencia que llega al receptor , con un factor que decrece con la longitud L.

Por conveniencia y atendiendo a los estándares en telecomunicaciones, los niveles de atenuación se “miden” en decibelios dB, por lo que basta con acoplar nuestra ecuación en función de esta unidad:

Este parámetro α puede ser nombrado por otros autores como αt; su unidad fundamental es el dB/Km y dependiendo la ventana de transmisión empleada, se pueden aproximar los valores permisibles para una comunicación efectiva. Se presentan los valores referentes a la ventana 3, 2 y 1 respectivamente:

Una vez que se ha definido la atenuación de forma general, surge la necesidad de describir los factores que propician dicho fenómeno, en concreto y de manera tradicional, se suelen clasificar en dos grupos: intrínsecos y extrínsecos.

Por su parte los factores intrínsecos, son aquellos que como su nombre lo indica, atienden a condiciones internas del material propiamente dicho, condiciones que bien pueden ser físicas y/o químicas que afectan a la señal y por consecuencia son ineludibles, esto está anclado además a los métodos de fabricación de la fibra, es por ello que anteriormente se podían encontrar acabados que generaban más atenuación pero los estándares de producción han ido mejorando con el tiempo. Sin embargo el principio de fabricación que actualmente predomina es el dopaje del silicio con partículas de germanio en el núcleo, internamente esta combinación tiende a ser “excitada” a determinadas longitudes de ondas, causando así microefectos atenuantes.

De lo anteriormente dicho, se desprenden varias “situaciones”, como es el caso de la absorción ultravioleta, en donde la radiación puede generar lo que se denomina “transiciones” , es decir, cambios de estados en las partículas que componen el material vidrioso de la fibra, específicamente , los electrones que se encuentran en las bandas de valencia se pasan a la banda de conducción ,absorbiendo así los fotones de las señal lumínica; lo que resulta interesante es que la radiación ultravioleta se ubica en una zona del espectro en la que no corresponde a ninguna de las bandas usadas para la transmisión , sin embargo, la región ultravioleta tiende a ser muy ancha y logra invadir en cierta medida el espacio de las ventanas de transmisión.

Figura N°1 Banda Ultravioleta --Fuente

Para poder especificar con más detalle estas interacciones de la radiación ultravioleta en las bandas de comunicaciones ópticas, se explora la “ley de Urbach” la cual deja en manifiesto lo que anteriormente se ha dicho. Formalmente esta ley afirma que los niveles dados de la absorción están inversamente relacionados con las longitudes de ondas , es decir, a medida que se aumenta la longitud de onda de la señal se irán despreciando cada vez más estas pérdidas, razón por la cual, las fibras que operan a 850nm(primera ventana) , tienden a ser la más susceptibles a estos efectos. La expresión genérica de urbach viene dada por:

En donde el coeficiente C representa la concentración molar del material, para este caso se analizan las curvas de un estudio experimental de óxido de germanio en un núcleo de fibra.

La X es la fracción molar en tanto % del óxido de germanio presente en el núcleo.

Para ilustrar la ecuación mostrada se presentan 2 curvas con dos valores de X :

Figura N°2 Cueva Comparativa entre dos concentraciones de Germanio – Fuente MOOC Comunicaciones Ópticas
(2013)

Lo que se puede inferir de estas curvas, es que para una concentración de germanio al 13,5% y al 5% las perdidas por atenuación son extremadamente bajas y más aún si la longitud de onda se incrementa (como se dijo anteriormente); este es un fenómeno relativamente despreciable pero que existe y tiene mayor relevancia en transmisiones de la primera ventana.

En el extremo opuesto del espectro, es decir, la zona considerada como “infrarroja” se manifiesta un efecto muy similar al caso que ya se ha estudiado, esta vez la absorción es producto de la activación de las moléculas de oxigeno que contraen y expanden repetitivas veces a las moléculas de silicio y germanio, tanto en el núcleo como en la cubierta, esta activación en las moléculas de oxigeno se traduce en energía fotonica que se pierde y afecta a la comunicación, como ocurría en el caso anterior estas perdías son muy pequeñas y se pueden modelar con la siguiente expresión:

Figura N°3 Banda Infrarroja Fuente

En este caso las longitudes de ondas más grandes serán las más afectadas en partes específicas del espectro; en la práctica la primera y segunda ventana de transmisión están exentas a este efecto y por lo general la tercera ventana es la que tiende a presentar ciertas perdidas.

Figura N°4 Cueva de las perdidas por la banda infrarroja– Fuente MOOC Comunicaciones Ópticas
(2013)

Otro efecto que genera pérdidas en la señal óptica es el previamente estudiado en la entrega “ PRUEBAS DE REFLECTOMETRÍA EN FIBRA ÓPTICA;” “efecto Rayleigh” , básicamente dada la distribución no homogénea del índice de refracción a lo largo del cable de fibra la luz tiende a incidir en estas imperfecciones y retro dispersarse de forma radial, causando retrasos en la transmisión.

Una vez analizadas las causas que originan la atenuación desde la perspectiva intrínseca, ahora se describen los mecanismos ajenos a la fabricación de la fibra, es decir, los mecanismos extrínsecos. En este apartado nos centraremos más en aspectos del tipo mecánico, aunque si bien es cierto que dentro de los factos extrínsecos derivan consecuencias del tipo físico como es el permeado del oxígeno hacia el núcleo y demás impurezas que logran colarse al material, los modelos de fibras estándar de la actualidad no presentan dichas afectaciones. Entre los efectos externos al material vítreo de la fibra que generan atenuaciones, se encuentran los doblajes por curvatura, estas alteraciones a la geometría del cable son básicamente producto de una mala instalación (recordar que la fibra es un material muy sensible) , la señal al toparse con estos nuevos obstáculos tiende a perder potencia o en el caso extremo a interrumpirse completamente.

Claro que el tendido y embobinado de las fibras nunca va a estar exento de un posible microdoblaje y esto se debe a la condición natural del material, sin embargo, los fabricantes suelen especificar el radios critico en las curvaturas , considerándose este como el punto más grave para que la transmisión se vea comprometida. De forma mas técnica, lo que sucede cuando existen curvaturas en el cableado, es que los modos de propagación confinados en el núcleo, de forma brusca se redirigen radialmente perdiendo así la guía en la señal.

Figura N°5 curvaturas en fibras -- Fuente

Así mismo, las atenuaciones pueden estar producidas por alguna desvariación entre el núcleo y la cubierta, por lo general son situaciones de tipo aleatoria que son inevitables, pero no representan una gran problemática y su relación con la longitud de onda es de tipo independiente, solo son consideradas cuando la longitud de onda de la señal respeta la siguiente relación:

Donde a es el radio del núcleo y Δ la diferencia relativa de índices.
Para mitigar estos efectos, se suelen considerar las siguientes alternativas:
Aumentar la diferencia de índices de refracción entre el núcleo y el revestimiento y Aumentar la sección de la fibra.

De forma muy concreta y sencilla se ha descrito el contenido de la atenuación en fibras, en futuras publicaciones se seguirán profundizando temas referentes a las comunicaciones ópticas.

Figura N°6 Midiendo la atenuación en un sistema de fibra óptica – Fuente imagen propia

Material audio visual:
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