A2. Fibra òptica

torna M7 - Planificació i administració de xarxes

Mitjans de fibra

Nocions d’òptica

La llum és energia electromagnètica que es produeix en la transició dels electrons entre els diferents nivells dels àtoms. Aquestes transicions generen uns “corpuscles” anomenats fotons que no tenen massa i es desplacen a la velocitat de la llum

(Fer dibuix model d’àtom en varis nivells i una transició a un nivell inferior d’un electró que genera un fotó).

Com no tenen massa a vegades també s’entenen com ones que es desplacen a la velocitat de la llum. Les seves mesures característiques són la longitud d’ona (λ) i la freqüència (ν).

(Fer dibuix en 2d d’una ona i anotar la longitud d’ona i la velocitat de propagació)

Aquestes dues quantitats es relacionen mitjançant la velocitat de la llum que és constant i val c = 2,998 x 10⁸ km/s en el buit.

c = ν· λ

λ es mesura en metres

ν es mesura en Hertz (1/s)

L’espectre electromagnètic ordena els diferents tipus d’ones en funció de la seva longitud d’ona, (inversament proporcional a la seva energia). Així tenim des de les ones més energètiques com els raigs gamma i els raigs X, passant per les ultravioletes la llum visible, els infrarojos fins les ones de televisió i radio que són les menys energètiques.

Per exemple les ones de l’espectre visible més energètiques amb una freqüència al voltant de 10¹⁵ Hz, en

el buit quina longitud d’ona tindran?

c = ν• λ, aleshores λ = c / ν = (3 · 10⁸ m/s) / (10¹⁵ Hz)= 3 · 10^-7 m = 0,0000003 m = 300 nm

És important destacar que de tot l’espectre l’ull humà només és capaç de detectar la part de l’espectre visible comprés entre les ones ultravioletes i els infrarojos. Així l’espectre visible que comprèn els colors segueix els següent ordre de més a menys energètics.

Violeta (400nm) / Blau / Verd / Groc / Taronja / Vermell (700nm)

La fibra òptica per exemple utilitza longituds d’ona entre els 850 nm i els 1550 nm (Infraroig)

Una altra propietat important de la llum és que la seva velocitat de propagació que depèn del medi per on viatja.

Així la velocitat màxima de la llum és en el buit, i és menor en qualsevol altre material, la relació entre aquestes dues velocitats és una propietat característica del material anomenada índex de refracció.

Índex de refracció material X = n = > 1

Alguns exemple són :

Material	Índex de refracció
Aire	1,000
Vidre	1,523
Diamant	2,419
Aigua	1,333

En general la velocitat de propagació de la llum en un material és menor quan major sigui l’índex de refracció del material. Podríem pensar que aquest indica la resistència del material a la propagació de la llum.

Reflexió i refracció

La transmissió en la fibra òptica es basa en els principis de reflexió i refracció.

Un feix de llum que canvia de medi, pensem per exemple en un feix de llum solar que incideix a al mar en un cert angle θ₁, es divideix en dues parts que anomenarem feix reflectit i feix refractat.

Les lleis de la òptica ens diuen:

• Llei de la reflexió : L’angle de reflexió és igual a l’angle d’incidència
• Llei de la refracció : L’angle de refracció depèn dels índex de refracció dels materials. Si n₂ > n₁ aleshores θ₁ > θ₂. (Llei d’Snell n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ )

Si ara fem l’esquema pensant en un feix que ve d’un material amb un índex major, la desviació de l’angle refractat serà inversa, s’allunyarà de l’eix.

En aquest cas, a mesura que el feix incident s’allunyi de l’eix, el feix refractat també s’allunyarà i arribarà un moment que estarà a 90º, o el que és el mateix es refractarà per la superfície que separa els dos materials.

Aquest angle, s’anomena angle crític, i per a feixos amb angle d’incidència superior, no hi ha refracció, tot el feix es reflexa totalment no hi ha pèrdua d’energia.

Aquest és el fet que aprofita la transmissió per fibra òptica, la llum que hi viatja no es refracta per evitar que es perdi energia i pugui arribar a l’altre extrem:

Exercici : Que facin el dibuix i marquin en cada cas els angles d’incidència, de reflexió, de refracció, i que intentin pensar quin material té major índex de refracció.

Els feixos incidents amb un angle igual a l’angle crític es divideixen en dos, el feix refractat està a un angle exacte de 90º de l’eix, o sigui paral·lel a la superfície

Els feixos incidents amb un angle superior a l’angle crític es reflecteixen totalment.

Així el cable de fibra òptica consta d’un nucli per on viatja la llum envoltat d’un revestiment, i s’han de complir dues condicions:

• El nucli ha de tenir un índex de refracció major que el revestiment que l’envolta
• L’angle d’incidència del feix (o dels feixos) ha de ser major que l’angle crític per al nucli i el revestiment.

Obertura numèrica : És el rang d’angles incidents que són reflectits totalment

Modes : Són els diferents trajectes que pot recórrer la llum quan viatja per la fibra.

Cable de fibra òptica

El cable de fibra òptica es composa dels següents elements

• El nucli : De sílice, quars fos o plàstic. És la zona per on es propaga la llum. Té un diàmetre que pot ser de 9, 50, 62,5 micròmetres. (Un cabell humà té un diàmetre entre 10 i 300 micròmetres)
• Revestiment òptic : Generalment dels mateixos materials amb additius per tal de reduir l’índex de refracció i no permetre que les ones es refractin. 125 micròmetres de diàmetre.
• Revestiment de protecció : Generalment de plàstic, serveix per protegir els elements òptics.
• Altres revestiments de protecció

Generalment en xarxes s’utilitzen cables amb dos fibres òptiques envoltades per un mateix revestiment. Una s’utilitza per la comunicació en un sentit i l’altre per la comunicació en l’altre. Això s’anomena comunicació full-duplex (Es pot transmetre i rebre alhora). Cada cable individualment realitza una comunicació simplex.

(Fer dibuix Tx – Rx, emissor – receptor)

Com el cable de fibra no té problemes d’interferències entre diferents cables propers, es poden agrupar molts cables de fibra en un sol cable (2, 12 ...48), això és una millora d’espai important respecte al cable de coure.

Components Òptics

Tot i que la senyal que es transmet per la fibra siguin polsos de llum, els dispositius de xarxa treballen amb senyals elèctriques, així que en una instal·lació de fibra sempre necessitarem en cada extrem elements per convertir electricitat en llum.

Components transmissors : Converteixen la senyal elèctrica en polsos de llum encenent-se i apagant-se molt ràpidament.

• LED (Diode emissor de llum): llum infraroja de longitud d’ona de 850 nm o 1310 nm.
• LASER (Amplificació de la llum per radiació per emissió estimulada): Llum infraroja més intensa que permet transportar la llum més lluny. Longituds d’ona de 1310 nm o 1550 nm.

Important : No mirar mai un extrem d’un cable de fibra òptica en funcionament!

Components receptors

• Fotodíodes (díodes semiconductors PIN) : Sensibles a la llum, generen voltatge quan reben un pols de llum. Estan fabricats per ser sensibles a les longituds d’ona anteriors.

Les capacitats de transmissió de la fibra arriben a superar els Tbps, les limitacions es produeixen en aquests components a l’hora de fer la conversió polsos de llum – senyals elèctriques.

Fibra multimode

En aquestes fibres existeixen varis modes (recorreguts) que pot seguir la llum a través de la fibra. El nucli pot tenir diàmetres de 50 o 62,5 μm. El revestiment 125 micròmetres.

Fibra multimode d’índex gradual

També tenen varis modes (recorreguts), i tenen una mida igual. La diferència és que l’índex de refracció que augmenta des de el centre als extrems (gradualment).

La fibra multimode és la que s’utilitza per les xarxes locals. Segons l’estàndard ANSI/EIA/TIA-568 s’ha d’utilitzar els color beige per als connectors.

El connector que s’utilitza generalment és el SC.

Fibra monomode

És molt més fina (9 micròmetres de diàmetre el nucli) i la llum només té un mode en línea recta.

S’utilitza per distàncies més grans, segons l’estàndard ANSI/EIA/TIA-568 s’ha d’utilitzar els color blau per als connectors.

El connector que s’utilitza generalment és el ST.