Capacidad de transmisión
Un cable de fibra óptica transporta una cantidad de datos considerablemente mayor que un conductor de cobre de tamaño comparable.
LA TECNOLOGÍA DETRÁS DE FOTAS
OPTICS · ELECTRONICS · COMPUTER SCIENCEFOTAS es un sensor acústico distribuido por fibra óptica. Comprender este sistema solo es posible si se entienden las tecnologías en las que se basa.
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DISTRIBUTED ACOUSTIC SENSING PLATFORM
FOTAS: soluciones avanzadas de detección acústica distribuida
La tecnología de detección acústica distribuida (DAS) utiliza cables de fibra óptica como sensores para detectar señales acústicas. FOTAS combina esta tecnología con láseres, ingeniería de fibra óptica e inteligencia artificial.
La inteligencia artificial ayuda a analizar e interpretar las grandes cantidades de datos recopiladas por DAS. Esto hace que el sistema sea eficaz en ámbitos como la seguridad y la monitorización de infraestructuras.
Las secciones siguientes explican cómo funciona la tecnología, desde la propia fibra óptica hasta los láseres, la detección acústica distribuida y la reflectometría óptica en el dominio del tiempo.
THE SENSING MEDIUM
Fibra óptica
La fibra óptica es una rama de la óptica. Mientras que la óptica estudia la luz en general, la fibra óptica se ocupa únicamente de los fenómenos ópticos en fibras de vidrio. «Fibra» significa filamento, por lo que la fibra óptica se refiere a los filamentos de vidrio que permiten el paso de la luz.
Actualmente, la mayor parte de la infraestructura de telecomunicaciones se basa en cables de fibra óptica. Son los sucesores de los cables eléctricos de cobre; pero si ya existían cables eléctricos, ¿por qué se utilizan cables de fibra óptica?
Los antiguos cables estándar de telecomunicaciones estaban fabricados con cobre u otros metales conductores. Estos cables transportan electrones de un extremo al otro y, con ayuda de otros dispositivos, esta corriente transmite datos valiosos. Las antiguas líneas telefónicas y, posteriormente, las líneas de Internet se construyeron con este tipo de cable.
Al aumentar el volumen de datos transferidos, los cables basados en corriente empezaron a resultar insuficientes. En 1990 había aproximadamente 2,6 millones de usuarios de Internet; en 2016 la cifra había alcanzado los 3.406 millones. Los cables eléctricos convencionales no podían responder a esta demanda y la fibra óptica ocupó su lugar.
WHY FIBER REPLACED COPPER
Cable de fibra óptica frente a cable de cobre
Los cables de fibra óptica pueden transmitir muchos más datos que los cables de cobre; la diferencia es aproximadamente de 10 a 1.000 veces. La capacidad coloca la fibra óptica por delante, pero sus ventajas no terminan ahí.
Pérdida de datos
La transmisión óptica conserva la calidad de la señal durante distancias mucho mayores antes de necesitar amplificación.
Velocidad de transferencia
Los datos son transportados por fotones que viajan a través del núcleo de vidrio, no por electrones en un conductor metálico.
Resistencia a EMI
Los cables ligeros y duraderos no se ven afectados por interferencias electromagnéticas a lo largo de rutas exteriores.
El componente principal de un cable de fibra óptica es la propia fibra. Las fibras ópticas están hechas de vidrio o materiales similares y su finalidad es transportar luz, por lo que el material debe ser transparente. La luz que viaja por el cable se genera mediante dispositivos láser.
Además de transparente, el material debe ser duradero, flexible, económico y fácil de fabricar. El vidrio es sorprendentemente flexible con un diámetro de 9 micrómetros, y la humanidad acumula miles de años de experiencia artesanal e industrial con este material. Un bloque de vidrio se estira desde cierta altura y se procesa hasta hacerse cada vez más fino, hasta que el núcleo alcanza aproximadamente 9 micrómetros.
Un cable de fibra óptica no está formado únicamente por el núcleo de vidrio. La luz que se propaga por un núcleo sin protección se dispersaría en direcciones aleatorias, por lo que necesita una guía de ondas y capas protectoras para alcanzar el destino con pérdidas mínimas.
LIGHT PROPAGATION
Cómo viajan los fotones dentro de la fibra óptica
La luz viaja dentro del núcleo y rebota en las paredes de la fibra. Los cables están diseñados para impedir que los rayos luminosos se propaguen hacia el exterior; no obstante, algunos escapan. Este fenómeno se denomina pérdida óptica.
La ley física que hace que la luz rebote y permanezca dentro del cable es la ley de Snell. Cuando la luz permanece dentro del cable sin pérdidas mientras rebota, el fenómeno se denomina reflexión interna total.
Snell's Law
Governs refraction at the boundary between core and
cladding, redirecting light back into the core.
Total Internal Reflection
Keeps the light guided along the fiber over long distances
with minimum loss.
Optical Loss
The small portion of light that escapes or is absorbed as
the pulse propagates.
THE LIGHT SOURCE
Láser
La palabra láser es el acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación. Los sistemas DAS y muchos otros dependen de la tecnología láser. El sistema FOTAS utiliza luz láser para obtener datos de intrusión: la luz recorre el cable de fibra óptica y se dispersa en su interior; la luz dispersada es recogida por la unidad OTDR.
Un láser puede parecer una fuente de luz ordinaria, pero está muy lejos de serlo. La luz láser es colimada, coherente y polarizada, tres propiedades que hacen posibles Phase-OTDR y FOTAS.
Luz colimada
Todos los rayos láser son paralelos y unidireccionales. Viajan en la misma dirección sin cruzarse, de modo que casi no se pierde potencia durante el trayecto hasta el destino.
Sigue existiendo divergencia, pero es mínima en comparación con una bombilla o un LED, y esto es precisamente lo que permite grandes distancias de detección.
Coherencia y fase
Los fotones de un láser comparten la misma fase, dirección y polarización. «Fase» procede de la palabra griega que significa apariencia, por lo que una diferencia de fase implica que una onda se adelanta o retrasa respecto a otra.
La igualdad de fase concentra la energía, como si se combinaran muchos golpes débiles de martillo en uno solo eficaz. Esta igualdad es la que permite funcionar a Phase-OTDR y FOTAS.
Polarización
La polarización significa que las oscilaciones de una onda tienen una dirección definida con respecto a su propagación. Las ondas electromagnéticas son transversales: sus campos eléctrico y magnético oscilan perpendicularmente a la dirección de desplazamiento.
La dirección de polarización se define como paralela al campo eléctrico. Un ejemplo cotidiano son las gafas 3D, en las que girar la cabeza modifica el brillo percibido.
Cómo funciona un láser
Los láseres funcionan mediante emisión estimulada. Los átomos poseen niveles de energía cuantificados para sus electrones, es decir, niveles con valores discretos. Los electrones tienden a permanecer en niveles bajos, pero cuando absorben energía pasan a niveles superiores.
Como los niveles elevados no son energéticamente estables, los electrones tienden a emitir la energía adicional y regresar a niveles inferiores. La mayoría de las veces esto ocurre espontáneamente y se denomina emisión espontánea.
En un láser, la emisión se controla para que sea estimulada. Cuando un fotón es absorbido por un electrón ya excitado, este emite dos fotones idénticos. Esos fotones son absorbidos por otros electrones, que emiten muchos más: este es el principio básico de funcionamiento del láser.
TURNING FIBER INTO A SENSOR
Detección acústica distribuida
La detección acústica distribuida (DAS) es una tecnología que detecta señales acústicas. Una fuerza que se propaga a través de un material provoca desplazamientos de presión en el medio —aire, tierra, agua, etc.—. Estos fenómenos de desplazamiento se denominan ondas acústicas y las ondas sonoras son su ejemplo más común.
Los sensores puntuales detectan señales únicamente en un lugar, como la punta de una aguja. En los sensores distribuidos, por el contrario, la estructura sensora es continua. FOTAS utiliza cables de fibra óptica para la detección acústica distribuida: las ondas de luz que se propagan por el cable se ven afectadas por ondas acústicas y la luz afectada se detecta mediante dispositivos como la reflectometría óptica en el dominio del tiempo (OTDR).
La detección acústica distribuida se refiere a un sistema de productos optoelectrónicos que realizan control y medición en tiempo real mediante cables de fibra óptica extendidos a lo largo de los límites objetivo.
La forma más sencilla de comprender la tecnología FOTAS es imaginar a una persona caminando sobre una cinta de correr. Al moverse en dirección contraria a la cinta, las ondas sonoras se propagan a su alrededor. Una persona situada a cierta distancia puede saber en tiempo real que alguien está sobre la cinta, incluso sin encontrarse en la misma sala.
Durante todo este proceso, las señales acústicas se miden en cada punto del cable de fibra. A diferencia de los sensores que miden en puntos fijos determinados, el sistema DAS utiliza el propio cable como sensor. En otras palabras, un sensor acústico distribuido convierte el cable de fibra en micrófonos.
Sensores puntuales
La detección solo tiene lugar donde se ha instalado físicamente un sensor.
- Un punto de detección por dispositivo
- Espacios no monitorizados entre sensores
- Más dispositivos y conexiones en campo
- Visibilidad limitada a lo largo de rutas extensas
Detección distribuida FOTAS
La estructura sensora es continua a lo largo de toda la ruta de fibra instalada.
- Medición en cada punto del cable
- El propio cable actúa como sensor
- Monitorización en tiempo real de toda la ruta
- Localización de eventos a lo largo de la fibra
MEASUREMENT AND CHARACTERIZATION
Reflectometría óptica en el dominio del tiempo
La reflectometría óptica en el dominio del tiempo es un método de medición empleado para caracterizar numerosas propiedades de los cables de fibra óptica. Se utiliza principalmente para evaluar el estado del cable y localizar problemas: si existe una incidencia relacionada con la transmisión, un OTDR puede encontrarla.
El uso más frecuente es localizar roturas. Los cables de fibra óptica pueden transportar datos durante aproximadamente cien kilómetros antes de necesitar amplificación, por lo que inspeccionar manualmente cada punto sería prácticamente imposible. Debe existir un dispositivo que examine el cable a distancia: esa es la finalidad del OTDR.
¿Qué es un OTDR?
Un OTDR envía pulsos luminosos a la fibra y mide la amplitud de la luz retrodispersada. A partir de la diferencia de tiempo calcula la longitud de la fibra y, mediante la pérdida de amplitud, determina las pérdidas generales, los puntos de rotura y otros efectos a lo largo del cable.
La amplitud de la luz retrodispersada disminuye siempre a lo largo de la ruta debido a impurezas y a la interacción entre luz y partículas dentro de la fibra. A partir de esta disminución, el OTDR calcula un coeficiente de pérdida, similar a la resistencia que encuentra una corriente eléctrica. Este principio revela si la fibra está rota o sometida a cualquier otro efecto que provoque pérdidas.
Cuanto más lejos se toma la medición a lo largo del cable, menor es la amplitud dispersada. El dispositivo también registra la diferencia de tiempo, lo que permite identificar y diagnosticar la ubicación de un problema.
FIELD MEASUREMENT DEVICE
OTDR VIAVI MTS-2000
En la parte superior de la unidad hay dos puertos de conexión: uno para cables de fibra óptica multimodo y otro para cables monomodo. Para obtener mediciones válidas, el cable debe conectarse al puerto correcto, ya que distintos cables pueden utilizar diferentes longitudes de onda.
Una vez conectada la fibra, el OTDR envía un pulso láser al cable; el pulso se propaga y se dispersa hacia atrás, y el dispositivo mide las características de esa luz retrodispersada.
Qué puede detectar un OTDR
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