¿Qué es la fibra óptica? Categorías, parámetros, tipos

Vamos a continuar con el contenido de la unidad 4, Medios de Transmisión, concretamente con el apartado de fibra óptica: su funcionamiento, tipos (monomodo/multimodo), parámetros y conectores**.

En esta lección estudiaremos el medio de transmisión más avanzado y de mayor capacidad: la fibra óptica. Veremos cómo funciona, los diferentes tipos de fibra, sus características técnicas, los conectores utilizados y los parámetros que definen su rendimiento.

Redes Locales (1º SMR)

¿Qué es la fibra óptica?

La fibra óptica es un medio de transmisión que utiliza pulsos de luz para transmitir datos. A diferencia del cobre, que transmite señales eléctricas, la fibra óptica es inmune a las interferencias electromagnéticas, que ofrece un ancho de banda enorme y puede cubrir distancias mucho mayores.

Ventajas de la fibra óptica sobre el cable de par trenzado

• Mayor ancho de banda: permite velocidades de decenas o cientos de Gbps.
• Mayor alcance: desde cientos de metros hasta decenas de kilómetros sin repetidores.
• Inmunidad electromagnética: no le afectan motores, fluorescentes, cables de potencia.
• Mayor seguridad física: es muy difícil interceptar la señal sin ser detectado.
• Menor atenuación: la señal se degrada mucho menos con la distancia.
• Menor peso y tamaño: los cables son más finos y ligeros.

Desventajas de la fibra óptica respecto al cable de par trenzado

• Mayor coste de los equipos, conectores y herramientas.
• Instalación más delicada: requiere personal formado y herramientas especiales (fusionadoras, cortadoras de precisión).
• Fragilidad: el núcleo de vidrio puede romperse si se curva excesivamente.
• Necesidad de conversión electro-óptica: los equipos finales suelen necesitar transceptores.

Aplicaciones más típicas de la fibra óptica:

• Backbones verticales y entre edificios (campus).
• Enlaces de larga distancia (MAN, WAN, Internet).
• Centros de datos (alta densidad y velocidad).
• Redes FTTH (Fiber To The Home – fibra hasta el hogar).

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Estructura de la fibra óptica

La estructura de la fibra óptica está formada por su núcleo, revestimiento, revestimiento primario y la cubierta exterior.

1. Núcleo (Core): cilindro central de vidrio o plástico por el que se transmite la luz. Su diámetro varía según el tipo de fibra (9 µm, 50 µm, 62,5 µm).
2. Revestimiento (Cladding): capa de vidrio con un índice de refracción menor que el núcleo. Provoca la reflexión interna total.
3. Revestimiento primario (Buffer): capa plástica que protege el núcleo y el revestimiento.
4. Cubierta exterior (Jacket): protección final del cable.

| Conector | Fibra óptica | Conector |
           |
           |--> Revestimiento (Cladding): capa exterior con menor índice de refracción
           |--> Núcleo (Core): centro por donde viaja la luz
           |--> Revestimiento primario (Buffer): protección mecánica

La fibra óptica tiene una estructura cilíndrica concéntrica, formada por capas con funciones ópticas y mecánicas bien diferenciadas.

1. Núcleo (core)

• Región central por donde se propaga la luz.
• Material: sílice (SiO₂) dopada, normalmente con germanio (GeO₂), para elevar su índice de refracción.
• Diámetro típico:
  • Monomodo: 8–10 µm.
  • Multimodo: 50 µm o 62,5 µm.
• Su perfil de índice puede ser escalón o gradual.

2. Revestimiento (cladding)

• Rodea al núcleo.
• Material: sílice pura o dopada con flúor o boro, para tener un índice de refracción menor que el núcleo.
• Condición fundamental: ( n_{\text{núcleo}} > n_{\text{revestimiento}} ).
• Diámetro estándar: 125 µm.
• Confina la luz dentro del núcleo mediante reflexión interna total.
• La interfaz núcleo-revestimiento es la superficie óptica clave.

3. Recubrimiento primario (coating)

• Capa polimérica aplicada directamente sobre el revestimiento.
• Materiales: acrilato, poliimida, entre otros.
• Diámetro típico: 250 µm.
• Protege la fibra de daños mecánicos, humedad y microcurvaturas.
• Se elimina para empalmes y conectores.

4. Buffer

• Capa adicional sobre el recubrimiento primario.
• Puede ser ajustado o holgado.
• Diámetro típico: 900 µm o varios milímetros.
• Facilita el manejo, identificación y protección de la fibra ya “vestida”.

5. Elementos de refuerzo

• Fibras de aramida (Kevlar), hilos de vidrio, varillas FRP, etc.
• Aportan resistencia a la tracción y evitan que el cable se deforme.

6. Cubierta exterior (jacket)

• Capa más externa del cable óptico.
• Materiales: PVC, LSZH, PE, etc.
• Protege frente a agentes ambientales, químicos y mecánicos.

Las dos primeras capas son las que confinan y guían la luz; las demás son protección y manejo.

¿Cuáles son los principios de funcionamiento de la fibra óptica?

a) Propagación de la luz

La fibra óptica se basa en el principio físico de la reflexión interna total. La luz viaja por el interior de un núcleo de vidrio o plástico, rebotando contra las paredes del revestimiento sin escaparse al exterior.

El índice de refracción

El índice de refracción es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en el medio. El núcleo tiene un índice de refracción ligeramente mayor que el revestimiento y cuando la luz incide con un ángulo superior al ángulo crítico, se refleja totalmente y queda confinada en el núcleo.

Explicación avanzada

El índice de refracción es una forma de medir cuánto se frena la luz cuando entra en un material.

Piensa en la luz como un coche:

• En el vacío, va a velocidad máxima: (c).
• En el agua, vidrio o sílice, va más lento.

Entonces:

[
n = \frac{c}{v}
]

• (n) = índice de refracción.
• (c) = velocidad de la luz en el vacío.
• (v) = velocidad de la luz en ese material.

Ejemplos:

• Vacío: (n = 1)
• Aire: (n \approx 1.0003)
• Agua: (n \approx 1.33)
• Sílice (vidrio de fibra): (n \approx 1.45)

Cuanto más grande es (n), más se frena la luz en ese material.

En fibra óptica:

El núcleo tiene un índice de refracción un poquito mayor que el revestimiento:

[
n_{\text{núcleo}} > n_{\text{revestimiento}}
]

Eso hace que la luz quede atrapada dentro del núcleo y se vaya reflejando, como si rebotara en las paredes. Esa diferencia es pequeña, normalmente del 0.3% al 1%.

También hay que saber que (n) cambia un poco según el color de la luz. Por eso una señal con varios colores se dispersa. Eso es la dispersión.

Y en una fibra real, el modo de luz no ve exactamente el índice del núcleo ni el del revestimiento, sino un valor intermedio llamado índice efectivo:

[
n_{\text{revestimiento}} < n_{\text{efectivo}} < n_{\text{núcleo}}
]

Y para un pulso completo, no se usa el índice normal sino el índice de grupo, que indica a qué velocidad viaja el paquete de luz, no cada onda por separado.

Resumen simple: el índice de refracción dice cuánto frena un material a la luz. En la fibra, la diferencia de índice entre núcleo y revestimiento es lo que guía la luz.

b) Fuentes de luz

• LED (Light Emitting Diode): usado en fibras multimodo de corta distancia. Es más barato y duradero, pero emite luz dispersa (varios modos).
• Láser (Laser Diode): usado en fibras monomodo de larga distancia. Emite luz coherente y concentrada (un solo modo), permitiendo mayores distancias y velocidades.

c) Ventanas de transmisión

La fibra óptica transmite mejor en ciertas longitudes de onda (ventanas), donde la atenuación es menor:

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¿Qué tipos de fibra óptica existen?

a) Fibra multimodo (MMF – MultiMode Fiber)

Descripción:

Tiene un núcleo relativamente grueso (50 µm o 62,5 µm) que permite que la luz viaje por múltiples caminos (modos) simultáneamente. Utiliza fuentes LED o láser VCSEL.

Características:

• Alcance: hasta 550 m (dependiendo del tipo y velocidad).
• Velocidad: desde 10 Mbps hasta 100 Gbps (distancias cortas).
• Coste: menor que la monomodo (equipos y transceptores más baratos).
• Uso: LAN, centros de datos, backbones de edificios, conexiones entre IDF y MDF.

Tipos de fibra multimodo (según ISO/IEC 11801):

b) Fibra monomodo (SMF – SingleMode Fiber)

Descripción:

Tiene un núcleo muy fino (9 µm) que permite que la luz viaje por un solo modo (camino directo). Utiliza fuentes láser.

Características:

• Alcance: desde 2 km hasta 100 km o más (dependiendo del transceptor).
• Velocidad: desde 1 Gbps hasta 400 Gbps o más.
• Coste: mayor que la multimodo (transceptores más caros).
• Uso: backbones de campus, enlaces entre edificios, MAN, WAN, FTTH.

Tipos de fibra monomodo:

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¿Qué parámetros son típicos de la fibra óptica?

a) Atenuación

Es la pérdida de potencia óptica a lo largo del cable. Se mide en dB/km (decibelios por kilómetro).

• En multimodo (850 nm): típicamente 3 dB/km.
• En multimodo (1300 nm): típicamente 1 dB/km.
• En monomodo (1550 nm): típicamente 0,4 dB/km.

Factores que aumentan la atenuación:

• Longitud del cable.
• Curvaturas excesivas (macrobending).
• Empalmes y conectores defectuosos.
• Suciedad en los conectores.

b) Dispersión

Es el ensanchamiento del pulso de luz a medida que viaja por la fibra. Limita la velocidad y la distancia.

• Dispersión modal: solo en multimodo, causada por los diferentes tiempos de llegada de los modos.
• Dispersión cromática: en monomodo, causada por las diferentes longitudes de onda.
• Dispersión por modo de polarización (PMD): en fibras monomodo de muy alta velocidad.

Efecto: si los pulsos se ensanchan demasiado, se solapan y el receptor no puede distinguirlos.

c) Apertura numérica (NA)

Es un parámetro que define el ángulo máximo de aceptación de la luz en la fibra. Cuanto mayor es la NA, más luz se puede acoplar, pero mayor dispersión modal.

• Multimodo: NA típica 0,2-0,3.
• Monomodo: NA típica 0,1-0,15.

d) Radio de curvatura mínimo

La fibra no debe curvarse por debajo de un radio mínimo para evitar pérdidas por curvatura (macrobending) y roturas.

• Durante la instalación: radio mínimo típico de 10 veces el diámetro del cable.
• Tras la instalación: radio mínimo de 15-20 veces el diámetro del cable.
• En cables de interiores, radios típicos: 30-50 mm.

e) Pérdidas en conectores y empalmes

• Conector: pérdida típica de 0,3-0,5 dB por conector.
• Empalme por fusión: pérdida típica de 0,05-0,1 dB.
• Empalme mecánico: pérdida típica de 0,2-0,5 dB.

¿Qué conectores de fibra óptica existen?

Los conectores de fibra son piezas mecánicas que permiten alinear los núcleos de dos fibras para que la luz pase de una a otra con las mínimas pérdidas.

Los principales conectores conocidosde la fibra óptica son:

a) SC (Subscriber Connector / Square Connector)

• Conector cuadrado con mecanismo de push-pull (tirar/empujar).
• Muy utilizado en redes LAN, FTTH y equipos de red.
• Disponible en simplex (una fibra) y dúplex (dos fibras).

b) LC (Lucent Connector / Little Connector)

• Conector pequeño de factor de forma compacto (mitad del tamaño del SC).
• Mecanismo de push-pull similar al RJ-45.
• El más utilizado en transceptores SFP y equipos de alta densidad.
• Ideal para centros de datos.

c) ST (Straight Tip)

• Conector circular con mecanismo de bayoneta (giro y bloqueo).
• Muy usado en redes antiguas y multimodo.
• En desuso progresivo, sustituido por SC y LC.

d) FC (Ferrule Connector)

• Conector circular con rosca de enganche.
• Usado en equipos de medición y entornos industriales.

e) MTP/MPO (Multi-fiber Push-On)

• Conector que agrupa múltiples fibras (8, 12, 24 o más) en un solo cuerpo.
• Utilizado en centros de datos para conexiones de alta densidad.
• Soporta 40G y 100G con múltiples hilos.

Tabla comparativa

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¿Qué herramientas y equipos se requieren para trabajar con la fibra óptica?

• Cortadora de precisión (cleaver): corta la fibra en ángulo recto perfecto antes de empalmar o conectorizar.
• Fusionadora de fibra: une dos fibras mediante un arco eléctrico (empalme por fusión).
• Pulidora de conectores: pule la punta del conector para minimizar pérdidas.
• Medidor de potencia óptica: mide la potencia de luz que sale de la fibra.
• OTDR (Optical Time Domain Reflectometer): reflectómetro que analiza la fibra, localiza empalmes, conectores y roturas. Es el equivalente al certificador de cobre.
• Localizador visual de fallos: lápiz de luz roja que permite ver fugas de luz en roturas o curvaturas excesivas.

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¿Qué deben saber los técnicos de instalación de fibra óptica?

• Elegir el tipo de fibra adecuado según distancia y velocidad.
• Conocer los conectores para seleccionar latiguillos y paneles compatibles.
• Realizar comprobaciones con medidor de potencia y OTDR.
• Manipular con cuidado para evitar curvaturas excesivas y suciedad.
• Documentar los enlaces de fibra (tipo, longitud, pérdidas).
• Aplicar seguridad: no mirar directamente al extremo de una fibra activa (riesgo de daño ocular por luz láser).

Resumen de la lección

• La fibra óptica transmite datos mediante pulsos de luz guiados por reflexión interna total.
• Se divide en multimodo (núcleo grueso, corta distancia) y monomodo (núcleo fino, larga distancia).
• Las categorías multimodo son OM1 a OM5; las monomodo son OS1 y OS2.
• Los parámetros clave son atenuación, dispersión, apertura numérica y radio de curvatura.
• Los conectores más comunes son SC, LC, ST, FC y MTP/MPO.
• Las herramientas esenciales incluyen cortadora, fusionadora, medidor de potencia y OTDR.
• La fibra es superior al cobre en ancho de banda, distancia e inmunidad, pero es más cara y delicada.

Preguntas de autoevaluación

1. Explica con tus palabras el principio de funcionamiento de la fibra óptica.
2. ¿Qué diferencia hay entre fibra multimodo y monomodo?
3. ¿Qué categoría de fibra multimodo usarías para un enlace de 10 Gbps a 400 m?
4. ¿Qué es la atenuación y en qué unidades se mide?
5. ¿Qué es la dispersión modal y en qué tipo de fibra se da?
6. Enumera tres conectores de fibra óptica y su uso principal.
7. ¿Qué herramienta se utiliza para localizar roturas y medir la calidad de una fibra?
8. ¿Por qué no se debe mirar al extremo de una fibra activa?
9. ¿Qué ventajas tiene la fibra óptica frente al par trenzado?
10. ¿Cuándo elegirías fibra monomodo en lugar de multimodo?

Redes Locales (1º SMR)

Con esto concluye el tema de la fibra óptica sus principio de funcionamiento, sus tipos (monomodo/multimodo), parámetros y conectores. Si te quieres seguir aprendiendo, continuamos con otros medios de transmisión, como el coaxial, inalámbrico o powerline.