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Fibra - Monomodo o Multimodo

El artículo muestra las principales diferencias y características de la fibra óptica tipo monomodo y multimodo y nos guía a seleccionar cada una acorde a las necesidades de tu proyecto.

Fibra - Monomodo o Multimodo

En este artículo que publicamos, Ingeniería e Instalaciones Industriales del Maresme S.L. nos muestra las principales diferencias entre la fibra óptica monomodo y multimodo, las características en que nos debemos fijar para seleccionar una u otra y aprenderemos la tecnología existente.

Antes de empezar, sería bueno aclarar algunos conceptos sobre la luz:

Longitud de onda

A efectos prácticos y para entender perfectamente este artículo nos referiremos a la longitud de onda como el color que tiene la luz que circula por el cable de fibra óptica. Por tanto a distinta longitud de onda, distinto color.

Veamos un ejemplo: De esta imagen deducimos que la luz que circula por una fibra óptica está entre 850nm y 1550nm, y por tanto es luz infra roja no visible.

A efectos prácticos nos imaginaremos que tiene un color determinado cercano al rojo y como hemos dicho anteriormente, a distinta longitud de onda, distinto color.

¿Porque estas longitudes de onda (850,1300 y 1550nm) exactamente?...

Atenuación

Es la pérdida de luz en un determinado trayecto. Normalmente las fibras ópticas están hechas de sílice (arena pura) y no reflejan de la misma forma todos los colores del espectro (longitudes de onda). Precisamente, las longitudes de onda que mejor refleja el sílice, es 850, 1300 y 1550nm. A estas 3 longitudes de onda, se les denomina “ventanas”.

Según la longitud de onda utilizada, la fibra óptica tendrá una cierta capacidad de propagación de la luz, y por tanto una longitud máxima aplicable.

La atenuación en fibra óptica de mide en dB/Km

Ancho de banda: La velocidad de luz en el vacío es de 300.000 Km/s. En un cristal de silicio la velocidad es menor, 200.000 Km/s. El ancho de banda de la fibra óptica se expresa en MHz por km. Un ancho de banda de 400MHz-km indica que a 400MHz la señal pude ser transmitida sobre
1 km de distancia.

- El ancho de banda para fibras multimodo suele der de 500Mhz por Km.
- El ancho de banda de las fibras monomodo está en el rango de los GHz, normalmente 100GHz sobre 1 km de distancia.

EL ancho de banda es inversamente proporcional a la distancia

Para entender esto, imaginemos un cable de cobre puro de 1Km y 1mm2 de sección, al que le aplicamos una señal de frecuencia conocida en un extremo y un voltaje de 1Vpp.

Determinaremos que una atenuación de más de 3dB ya no es admisible para nuestros propósitos. Una pérdida de 3dB significa tener en la salida la mitad de la señal de entrada (0.5Vpp).

Iremos subiendo la frecuencia en el origen y midiendo en todo momento el voltaje de la señal en la entrada y en la salida, aplicando la fórmula para calcular la atenuación de la señal en dB.

En el momento que el resultado supere 3dB, esa será la frecuencia máxima admisible en el cable, y por tanto el límite teórico de transmisión de datos. Para esa longitud de cable, con esa longitud de onda (frecuencia).

En fibra óptica substituiremos el voltaje por la potencia lumínica.

Reflectancia

Como cualquier material, el hecho que una luz incida sobre él, genera una reflexión en sentido y ángulo contrario a la luz incidente. Por ejemplo, encendiendo una linterna delante de un espejo plano, este, generará una reflectancia de casi el 100% sobre el espejo, que
provocará que la luz se vea reflejada hacia nosotros y la linterna

Lo mismo le ocurre a la fibra óptica cuando le incide un haz de luz (850,1300 o 1550nm). Parte de esa luz se refleja en el propio material y regresa al emisor. Por lo tanto si la luz reflejada es en algún momento superior a la emitida, el emisor quedará cegado, del mismo modo que si el 100% de la luz reflejada en el espejo volviera hacia nuestros ojos.

La medida de la reflectancia de la fibra óptica se mide en dB

Reflexión y Refracción

Para entender estos dos términos imaginemos un cable de fibra óptica como un túnel completamente redondo con las paredes cubiertas completamente de espejos.

Estos espejos tienen una capacidad de reflexión del 95%, es decir, reflejan solo el 95% de la luz que les incide. El otro 5% es absorbido por el propio espejo, que tiene tras de sí una cubierta de color negro.

Al principio de este túnel nos encontramos nosotros, iluminando con una linterna led potente el interior de este túnel. Los espejos, que reflejan el 95% de la luz, la transportan de un espejo a otro, hasta el final de este túnel… ¿o no? Veamos que dos fenómenos ocurren:

Pérdidas por refracción: Según la ley de Snell, si el ángulo sobre el que incide la luz es superior a 45º, la luz no se verá reflejada.

Pérdidas por reflexión: Cada vez que la luz rebota en un espejo, solo se refleja el 95% de dicha luz. Por tanto si no somos lo suficientemente buenos para enfocar en el mismo centro del túnel, estaremos ocasionando que la luz rebote demasiado, y quizás no podamos apreciar la luz al final del túnel.

Es fundamental realizar los empalmes de fibra lo más rectos posibles y si se usan conectores, que estos sean de la máxima calidad posible con el objetivo de alinear al máximo los dos lados de la fibra.

Si torcemos una fibra o hacemos una bobina demasiado cerrada con el sobrante, tendremos muchas pérdidas por reflexión y es posible que la atenuación que obtengamos sea superior a la permitida, perdiendo señal y dificultando las comunicaciones.

Para evitar el uso de términos con los que no estemos familiarizados, aquí tenéis la descripción equivalente:

Longitud de onda - Color de la luz.
Atenuación - Pérdida de luz en el camino.
Ancho de banda - Velocidad máxima de transmisión.
Reflectancia - Cantidad de luz que rebota en la fibra hacia el emisor.
Reflexión - Cantidad de luz reflejada en la fibra (hacia delante).
Refracción - Cantidad de luz absorbida por el revestimiento de la fibra (pérdida).

Ahora que ya tenemos claros algunos conceptos sobre la luz, veamos las partes de que se compone un cable de fibra óptica:

Parte de un cable de fibra óptica

Núcleo: Construido en vidrio de sílice (SiO2), dopado con materiales como B2O3, GeO2 o P2O5 para ajustar su índice de refracción, aunque también se encuentran en el mercado fibras ópticas con el núcleo de plástico o cuarzo fundido. El núcleo es macizo, no es un tubo.

Es el responsable de transportar la luz de un extremo a otro (baja atenuación 0.2dB/Km). Tiene un bajo índice de reflectancia y un alto índice de reflexión (muy, muy, muy transparente).

- Revestimiento (cladding): Construido en sílice (SiO2), al igual que el núcleo, pero con un índice de refracción distinto, de tal forma que la luz atraviese el núcleo, pero rebote en el revestimiento y así pueda viajar a través del núcleo. Son los espejos del ejemplo que hemos utilizado en el túnel.

Buffer: Generalmente fabricada en plástico que protege mecánicamente a los dos anteriores.

Material de refuerzo: Pueden ser fibras de aramida o poliamida, según el tipo de cable.

Envoltura: Material plástico PVC o similar, con estructuras reforzadas como fibra de vidrio/carbono o mallas de plástico o acero, como en el caso de cables submarinos.

Para aumentar el ancho de banda de un cable de fibra óptica, un mismo cable puede estar formado por diversos buffers, que hacen que el conjunto pueda transportar cantidades muy altas de información (TBytes/segundo).

Multimodo: es un tipo de fibra, que por su construcción (mayor diámetro del núcleo) permite el paso de más de un haz de luz de forma simultánea, y por tanto permite que varios “modos” de luz puedan entrar y salir de la fibra. Se basa en la reflexión contra sus paredes para la propagación de la luz.

Podríamos decir que la fibra multimodo permite el paso de distintos colores de forma simultánea.

Monomodo: es un tipo de fibra, que por su construcción (núcleo muy pequeño), solo permite el paso de un haz de luz, pero que por su construcción, este haz de luz, no rebota en las paredes, y viaja paralelo a la longitud del cable.

Por ese motivo, las pérdidas por reflexión (distorisión modal), son menores, y por tanto la fibra puede ser más larga que en las multimodo.

Ya habréis deducido que el coste de fabricación de una fibra monomodo será superior al costo de fabricación de una fibra multimodo. Pero no está aquí el problema.

El mayor costo es en el emisor de luz, ya que en fibras multimodo se utiliza un diodo tipo LED, que genera una luz difusa, y en fibras monomodo, se utilizan diodos laser, mucho más caros, pero de mayor potencia y direccionalidad.

Tipos de fibra OM1, OM2, OM3, OM4, OM5, OS1, OS2

El significado de OM, se aplica a la fibra óptica Multimodo (MM), la numeración hace referencia al tipo de núcleo, Distancia máxima, Ventana de operación (longitud de onda y por tanto…color de la luz) y Ancho de banda.

Por ejemplo, la OM2: sería una fibra multimodo con un diámetro de núcleo de 50um, un diámetro del revestimiento de 125um, Distancia máxima: 550 m. Longitud de onda: 850 nm, Atenuación máxima: 3,5 dB/km, Ancho de Banda: 500 Mhz-Km.

El significado de OS, se aplica a fibra óptica monomodo (SM – Single Mode)

Por ejemplo, la OS1: sería una fibra monomodo con un diámetro de núcleo de 9um, un diámetro del revestimiento de 125um. Longitud de onda: 1310nm y una atenuación de 0.5 dB/Km.

A mayor número (OM1..OM3..OM5), mayor es la calidad del material y por tanto, mayor transparencia tiene y más lejos puede llegar la luz.

Ya tengo fibra monomodo instalada, pero sólo voy a una corta distancia.

¿Puedo usar equipo multimodo de bajo coste?

No. El equipo multimodo no inyectará suficiente luz en una fibra monomodo ya que el núcleo que transporta luz de esta fibra es de sólo 9 micras de diámetro comparado con 50/62,5 micrones de diámetro para fibra multimodo.

Desafortunadamente, usted debe usar un equipo monomodo. Si la distancia de la fibra es corta sin embargo, el costo para reemplazar la fibra monomodo con fibra multimodo puede ser más económico que el costo más alto para la electrónica monomodo.

¿Puedo empalmar un cable de fibra multimodo de 50um con uno de 62,5um?

Dependerá del sentido de la luz y si el diámetro mayor está antes o después del empalme. Veamos un dibujo:

Esperamos que este artículo básico haya sido de ayuda para esclarecer las principales diferencias entre fibras ópticas monomodo y multimodo.

No olvides, tras la instalación de fibra óptica, pedir un certificado del cableado estructurado de fibra óptica, con un equipo OTDR a tu instalador de confianza. Es vital asegurar el correcto funcionamiento de la fibra para que luego la red funcione de forma eficiente.

En próximos artículos, entraremos en detalle de que es un OTDR, para que sirve y como funciona, así como los tipos de conectores y empalmes existentes, sus ventajas e inconvenientes.

Un saludo de parte de todo nuestro equipo.

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