Fibras ópticas y transmisión por fibra
A 10 Gb/s, una fibra multimodo tiene potencia de sobra para 2 km, pero la dispersión corta el enlace en 300 m. En una monomodo, el mismo transmisor llega a decenas de kilómetros.
01Luz por un hilo de vidrio
Una fibra óptica es una guía de onda dieléctrica que trabaja a frecuencias de unos 200 THz. Tiene un núcleo de vidrio de sílice rodeado por un revestimiento de índice de refracción apenas menor, y la luz queda atrapada en el núcleo. Frente a un cable de cobre tiene tres ventajas decisivas: pierde 0,2 dB por kilómetro en lugar de decenas de dB, admite anchos de banda de terahertz y no la afectan las interferencias electromagnéticas ni las diferencias de potencial de tierra entre sus extremos.
Por eso casi todo el tráfico de datos del mundo viaja por fibra: los cables submarinos entre continentes, las troncales entre ciudades, la conexión de las radiobases celulares y, cada vez más, el último tramo hasta cada casa.
02Reflexión total y apertura numérica
Un rayo que viaja por el núcleo y llega al revestimiento con un ángulo mayor que el crítico se refleja entero, sin pérdida, como se vio en óptica geométrica. Eso limita el ángulo con que la luz puede entrar por la cara de la fibra y quedar guiada:
Una apertura grande facilita acoplar la luz de una fuente barata, pero, como se ve enseguida, permite más caminos distintos dentro de la fibra.
03Multimodo y monomodo
Igual que en una guía metálica, en la fibra solo se propagan ciertas configuraciones de campo, los modos. Cuántos caben lo dice la frecuencia normalizada, que combina el radio del núcleo \( a \), la apertura y la longitud de onda:
| Fibra | Núcleo / revestimiento | Apertura | Uso |
|---|---|---|---|
| Multimodo OM3 / OM4 | 50 / 125 µm | 0,2 | Centros de datos y redes de edificios, hasta cientos de metros |
| Monomodo G.652 | 8,2 / 125 µm | Alrededor de 0,12 | Troncales, acceso FTTH, enlaces de decenas de kilómetros |
| Monomodo G.657 | Similar a la G.652 | Mayor | Instalaciones interiores, tolera curvas cerradas |
Con un núcleo de 8,2 µm y NA = 0,12, V vale 2,36 a 1310 nm: la fibra es monomodo por encima de unos 1285 nm, su longitud de onda de corte. La multimodo de 50 µm a 850 nm tiene V ≈ 37 y cientos de modos.
04Atenuación y ventanas
La luz se pierde por absorción del vidrio y de impurezas, y sobre todo por dispersión de Rayleigh: las fluctuaciones microscópicas de densidad del vidrio desvían la luz con una intensidad proporcional a \( 1/\lambda^4 \). Entre 850 y 1550 nm esa pérdida baja 11 veces. Hacia el infrarrojo lejano crece la absorción del propio sílice, y entre las dos queda el mínimo, cerca de 1550 nm.
| Ventana | Pérdida típica | Fuente y fibra |
|---|---|---|
| 850 nm | Unos 3 dB/km | VCSEL de bajo costo sobre multimodo |
| 1310 nm | Unos 0,35 dB/km | Láser sobre monomodo; dispersión cromática casi nula |
| 1550 nm | Unos 0,2 dB/km | Láser DFB sobre monomodo; se amplifica con fibra dopada con erbio |
A la pérdida de la fibra se suman la de cada empalme por fusión (alrededor de 0,1 dB) y la de cada conector (hasta 0,5 dB), y las curvas demasiado cerradas, que dejan escapar luz del núcleo.
05Dispersión: el pulso se ensancha
Un pulso de luz llega más ancho de lo que salió, y si se ensancha demasiado se superpone con el siguiente. Hay dos causas principales:
- Dispersión modal, en las multimodo: cada modo recorre un camino distinto y llega en otro momento. En una fibra de índice escalón con \( n_1 - n_2 = 0{,}02 \), la diferencia es de unos 67 ns por kilómetro. Las multimodo modernas son de índice gradual: el índice baja hacia el borde del núcleo, los modos que viajan por afuera van más rápido y la diferencia se reduce en órdenes de magnitud. Se la especifica con el producto ancho de banda por distancia: 2000 MHz·km en una OM3 a 850 nm.
- Dispersión cromática, en todas: la velocidad depende de la longitud de onda, y ninguna fuente emite una sola.
A 10 Gb/s cada bit dura 100 ps, así que la dispersión cromática limita los enlaces largos a 1550 nm. Un transmisor de 10 Gb/s sin compensación tolera una dispersión acumulada \( D \cdot L \) del orden de 1000 ps/nm, unos 60 km de G.652. Más allá se usan fibras compensadoras o receptores coherentes que la corrigen por procesamiento digital.
06Emisores, receptores y el balance del enlace
La fuente es un LED, un VCSEL o un láser de semiconductor, y el receptor, un fotodiodo PIN o de avalancha, como se vio en optoelectrónica. El diseño de un enlace empieza por un balance de potencias en decibeles, igual que el de potencia en líneas: a la potencia del transmisor se le restan todas las pérdidas y lo que llega tiene que superar la sensibilidad del receptor con un margen, típicamente 3 dB, para el envejecimiento y las reparaciones futuras.
La potencia óptica en dBm a lo largo del enlace: dos conectores de 0,5 dB, un empalme cada 2 km (el largo de una bobina) y la pendiente de la atenuación de la fibra. El receptor es un PIN con la sensibilidad típica para la velocidad elegida. Los valores son típicos de catálogo.
07Dónde aparece en la electrónica
| Sistema | Cómo usa la fibra |
|---|---|
| Fibra hasta el hogar (GPON) | Una fibra monomodo por casa, con divisores ópticos pasivos; bajada a 1490 nm y subida a 1310 nm |
| Centro de datos | Transceptores enchufables con VCSEL sobre multimodo para los tramos cortos |
| Cable submarino | Monomodo a 1550 nm con amplificadores de erbio cada 50 a 100 km y decenas de longitudes de onda por fibra |
| Radiobase celular | Fibra entre la unidad de banda base y la radio en la torre |
| Subestación eléctrica | Aislación galvánica total entre equipos con potenciales de tierra muy distintos |
La instalación, los conectores y las mediciones en campo se ven en fibra óptica, de la tecnicatura.
08En el laboratorio
Iluminar una fibra multimodo con un láser rojo, proyectar el cono de salida sobre una pantalla y medir su diámetro a una distancia conocida. Calcular el semiángulo y la apertura numérica.
Con una fuente y un medidor de potencia óptica, medir la pérdida de un rollo de fibra, de un conector y de un empalme. Armar el balance de un enlace y compararlo con la medición de punta a punta.
Enrollar una fibra monomodo sobre mandriles de diámetro decreciente y medir el aumento de la pérdida a 1310 y a 1550 nm. Explicar por qué 1550 nm es más sensible.
09Errores frecuentes
- Mezclar multimodo y monomodo. Un transceptor monomodo sobre una multimodo, o al revés, pierde decenas de dB o sufre dispersión modal.
- Mirar la punta de una fibra conectada. La radiación de 1310 y 1550 nm es invisible y puede dañar la retina.
- Olvidar la dispersión en el balance. A 10 Gb/s sobre multimodo, la potencia alcanzaría para kilómetros pero la dispersión modal limita a unos cientos de metros.
- Conectores sucios. Una partícula de polvo sobre un núcleo de 8 µm agrega decibeles; se limpian e inspeccionan antes de cada conexión.
10Autoevaluación
¿Cuál es la apertura numérica de una fibra con \( n_1 = 1{,}48 \) y \( n_2 = 1{,}46 \)?
\( \sqrt{1{,}48^2 - 1{,}46^2} \approx 0{,}24 \), con un semiángulo de aceptación de 14°.
¿Es monomodo a 1310 nm una fibra de núcleo de 8,2 µm con NA = 0,12?
Sí: \( V = 2\pi \cdot 4{,}1 \cdot 0{,}12 / 1{,}31 \approx 2{,}36 < 2{,}405 \).
¿Cuánto llega de un transmisor de 0 dBm por 40 km de fibra a 0,25 dB/km con 1 dB de conectores?
\( 0 - 10 - 1 = -11 \) dBm.
¿Por qué los enlaces de 10 Gb/s sobre multimodo llegan a unos 300 m?
Por la dispersión modal: con 2000 MHz·km y unos 6,7 GHz de ancho de banda necesarios, la distancia máxima es de 0,3 km, mucho menos que lo que permitiría la potencia.
11Para ampliar
- Gerd Keiser. Optical Fiber Communications. 5.ª ed., McGraw-Hill, 2015. El texto de curso más usado: fibras, fuentes, detectores y diseño de enlaces con balances de potencia y de tiempo de subida.
- Govind P. Agrawal. Fiber-Optic Communication Systems. 5.ª ed., Wiley, 2021. El tratamiento riguroso de la dispersión, los amplificadores ópticos y los sistemas coherentes.
- John M. Senior. Optical Fiber Communications: Principles and Practice. 3.ª ed., Pearson, 2009. Muy completo en la física de la fibra y en los componentes, con muchos ejemplos numéricos.