Introducción a los conectores de fibra óptica

Por Steve Somers, Vice President of Engineering

La transmisión de señales AV mediante fibra óptica ha alcanzado la madurez y ha llegado el momento de dar un paso más en este nuevo y apasionante camino. Una solución basada en fibra puede parecer ideal para aplicaciones exigentes de larga distancia o de alta seguridad, pero entonces aparece la realidad. La transmisión por fibra sigue representando una inversión importante que requiere una cuidadosa planificación e implementación. ¿Qué formato de transmisión debe utilizarse: analógico o digital? ¿Existe hardware disponible para transmisión digital? ¿Esta aplicación requiere fibra multimodo o monomodo? ¿Cómo debo tratar la fibra que el cliente ya tiene instalada? ¿Qué conectores de fibra debo utilizar?

En la edición anterior de Technically Speaking presenté las características básicas y las consideraciones relativas al conductor de fibra óptica. En esta ocasión analizaremos los conectores de fibra Subscriber Connector - SC, Straight Tip- ST, Fixed Connection - FC y Lucent Connector - LC, así como sus aplicaciones, rendimiento y requisitos de terminación. A diferencia del robusto y omnipresente conector BNC utilizado para el cableado coaxial de cobre en aplicaciones AV, los conectores de fibra evolucionan junto con la tecnología de fibra óptica. Mientras que las conexiones de cobre rara vez tienen un impacto significativo en la pérdida de señal, las conexiones de fibra sí producen pérdidas medibles en cada punto de contacto dentro de un sistema de distribución.

En última instancia, deben resolverse cuestiones relacionadas con la conexión física. En algunos casos, el propio equipo de transmisión determina la conectividad. En otros, la elección de la conectividad para toda o gran parte de la distribución de fibra queda en manos del diseñador. Aunque las pérdidas dentro del propio cable dependen del tipo y la calidad de la fibra instalada, cada punto de conexión introduce una pérdida específica. Dependiendo de las decisiones tomadas, las pérdidas acumuladas en los conectores pueden llegar incluso a superar las pérdidas del propio cable.

Mantener un margen de pérdida

La potencia óptica, al igual que la potencia eléctrica, suele medirse en decibelios (dB), con un valor de -3 dB, respecto al nivel de referencia de la fuente, que representa aproximadamente el punto de media potencia. En los circuitos de cobre, ya sean digitales o analógicos, normalmente se considera que el margen de pérdidas atribuible a los conectores es “cero” a efectos prácticos. En otras palabras, la pérdida óhmica causada por la resistencia de contacto de los conectores suele ser insignificante en comparación con la pérdida total del cable. En la mayoría de las instalaciones de fibra óptica ocurre justamente lo contrario. En aplicaciones AV con cableado de fibra de menos de aproximadamente 300 m (1 000 ft), la pérdida del cable puede ser fácilmente inferior a 3 dB. De hecho, el aumento de la dispersión de la luz, otra forma de pérdida comentada en mi artículo anterior, suele tener un impacto mayor que la pérdida básica por atenuación. En distribuciones de varios kilómetros, la dispersión de la fibra multimodo puede llegar a ser significativa, haciendo recomendable el uso de fibra monomodo, que presenta menores pérdidas.

En cualquier caso, cada conexión de conector por la que pasa la señal distribuida introduce una pérdida medible. A menudo, la mayor pérdida inicial se produce en el acoplamiento de salida de la fuente, seguida por el primer punto de parcheo del sistema. El objetivo de un buen conector de fibra es, por supuesto, minimizar las pérdidas en las conexiones entre las fibras conectadas, manteniendo así el sistema dentro de un margen de pérdidas que garantice su fiabilidad durante largos periodos de tiempo. La pérdida en la conexión del conector también se especifica en dB. Aunque la simple interrupción del trayecto óptico ya supone una cierta pérdida de señal debido al acoplamiento imperfecto de los extremos de las fibras, pueden existir otras anomalías que aumenten drásticamente las pérdidas más allá del nivel previsto, como el mal estado de la superficie de las fibras o una alineación no paralela de los terminales.

La evolución de los diseños de transmisión por fibra mediante láser de alta velocidad ha planteado además una nueva preocupación en el diseño de las terminaciones de fibra. A velocidades de transmisión muy elevadas, estas superficies se vuelven altamente reflectantes y requieren tratamientos especiales, como el pulido angular o el pulido esférico, para minimizar los efectos de las pérdidas.

Si hablamos específicamente del margen de pérdidas de los conectores, la pérdida nominal de una conexión puede variar aproximadamente entre 0,1 dB y 1,5 dB por conexión bajo condiciones normales de instalación. Si se tiene en cuenta la cantidad de conexiones de parcheo que pueden ser necesarias desde la fuente hasta los paneles de conexión de un rack, routers y espacios de trabajo, el margen de pérdidas puede aumentar rápidamente. Pero, ¿qué ocurre cuando se presentan condiciones imprevistas?

Sobre lo nominal

Cuando interactuamos diariamente con otras personas, ¿no solemos decir automáticamente, o quizás de forma retórica: «Hola, ¿cómo estás?» La respuesta obligada suele ser: «Bien, gracias.»

Mi respuesta siempre es: «Estoy nominal.» Se ha convertido en una especie de marca personal. Quienes me conocen bien ya esperan que responda así. Quienes no me conocen suelen quedarse desconcertados. ¿Nominal? ¿Qué significa eso? ¿Es lo mismo que estar bien? Pues significa que todo es normal y funciona dentro de las condiciones promedio y previstas. Supongo que para mí eso equivale a estar bien, pero nadie recordaría ni apreciaría especialmente mi respuesta si simplemente dijera “bien”.

En el diseño de sistemas de fibra óptica, nominal es exactamente lo que buscamos. Queremos un diseño que tenga en cuenta lo inesperado y que aun así funcione de manera nominal. Algunos lo llaman “margen de seguridad” de diseño. Otra forma de verlo es planificar para el peor escenario posible y esperar mejores resultados la mayor parte del tiempo. Creo que eso es precisamente lo que tienen en mente los diseñadores de conectores de fibra. Las conexiones de fibra trabajan con tolerancias mecánicas extremadamente pequeñas, donde la posibilidad de desalineación es más una regla que una excepción.

Una conexión fiable requiere que los extremos de la fibra sean ópticamente lisos y perpendiculares. Los extremos deben alinearse con absoluta precisión... y estamos hablando de unas pocas micras, es decir, millonésimas de metro. Recordemos de mi artículo anterior que los diámetros más comunes de la fibra multimodo son 50 y 62,5 micras. La fibra monomodo tiene un diámetro de apenas 8 a 9 micras. Compara estas dimensiones con el diámetro de un cabello humano típico, que oscila entre 17 y 180 micras. Una desalineación del tamaño de “un pelo” puede convertirse en un auténtico desastre.

Tolerancias tan estrictas exigen una limpieza impecable de las conexiones. Observa que en algunas de las fotografías de este artículo aparece una pequeña cubierta protectora sobre la punta de la férula del conector. Los conectores y conjuntos de fibra suelen suministrarse con esta protección por una razón muy importante. Una simple huella dactilar, o la presencia de polvo y suciedad, puede afectar seriamente al rendimiento del conector e incluso provocar el fallo completo de la transmisión. Utiliza siempre esa tapa protectora cuando la fibra no esté conectada.

La férula: la regla, no la excepción

La correcta orientación y codificación mecánica (keying) de los conectores de fibra óptica es esencial. Todos los diseños actuales de conectores de fibra incorporan un componente denominado férula (ferrule). Este elemento de precisión es el encargado de garantizar la alineación durante el acoplamiento de los conectores. El extremo de la fibra queda fijado dentro de la férula mediante adhesivos o mediante un proceso de crimpado, convirtiéndose así en parte permanente de ella. Una vez insertada la fibra, el extremo de la férula se termina o pule para proporcionar la superficie lisa necesaria para el acoplamiento óptico. La férula suele fabricarse con materiales endurecidos, como la cerámica, aunque también puede ser de acero inoxidable, plástico o carburo de tungsteno. Los diámetros de férula más comunes son 2,5 mm para los conectores SC, ST y FC, y 1,25 mm para los conectores LC.

Debido a que la férula puede fabricarse con tolerancias extremadamente ajustadas, constituye el principal elemento de alineación de la fibra. Los receptáculos con resorte se acoplan a la férula para proporcionar un soporte de alineación uniforme y concéntrico entre la fibra y la fuente LED o láser, así como con el fotodiodo del receptor. Además, los cables de fibra óptica pueden unirse mediante adaptadores que incorporan mecanismos de alineación por resorte similares.

Panorama general de los conectores

La conectividad mediante conectores de fibra óptica evoluciona constantemente junto con la tecnología y las aplicaciones. Actualmente existen probablemente una docena o más de tipos de conectores en uso; cada uno de ellos surgió para satisfacer necesidades específicas o para superar las limitaciones tecnológicas de su época. La tendencia actual apunta hacia conectores robustos, compactos, de coste moderado y capaces de soportar la mayor densidad de conexiones requerida por los sistemas de distribución más modernos. Como era de esperar, la industria de las telecomunicaciones impulsa gran parte de este desarrollo debido a la creciente demanda de conectividad por fibra óptica para todo tipo de servicios de comunicación y entretenimiento.

Mi primera experiencia con la fibra óptica fue en sistemas que utilizaban el conector ST. Véase la imagen 1. Presentado por AT&T a finales de los años ochenta, también se conoce como BFOC (Bayonet Fiber Optic Connector). El ST, Straight Tip (punta recta), es especialmente popular en redes LAN multimodo y sistemas de CCTV, aunque solo está reconocido por una norma de conectividad de fibra. El ST se asemeja a un conector BNC en miniatura con una punta cerámica que sobresale del cuerpo del conector. En la terminología de la fibra óptica, se trata de un conector simplex con cierre de bayoneta mediante giro. La manipulación de conectores ST requiere especial cuidado con la férula, ya que esta queda expuesta y es vulnerable a daños. Aunque sigue siendo popular en aplicaciones industriales, su uso está disminuyendo en favor de otros formatos más compactos y con mejores mecanismos de orientación.

Un “primo” del conector ST es el conector FC. Las siglas FC significan Fixed Connection (conexión fija) y se utiliza principalmente en aplicaciones monomodo dentro del ámbito de las telecomunicaciones. Este diseño se parece al ST por su sistema de orientación y construcción metálica, pero utiliza un sistema de fijación mediante rosca en lugar del bloqueo por bayoneta. Diseñado para entornos con altas vibraciones, el conector FC está contemplado en la norma TIA/EIA-604-04. Véase la imagen 2.

Probablemente el conector más conocido para la mayoría de nosotros sea el SC. Las siglas SC significan Subscriber Connector (conector de abonado). Es el conector especificado en la norma TIA/EIA-568B.3 y suele conocerse como conector para instalaciones en edificios (premises connector). Véase la imagen 3. Se trata de un diseño relativamente compacto fabricado en plástico rígido, estandarizado por primera vez en 1992 por la ISO/IEC. Este conector de tipo push-pull (inserción y extracción) está disponible en configuraciones simplex y dúplex, y utiliza un código de colores para identificar el tipo de fibra: beige para multimodo y azul o verde para monomodo. Aunque el SC se utiliza ampliamente en instalaciones interiores, no es el diseño más compacto disponible. Su versión dúplex ocupa una superficie de aproximadamente 2,44 cm² (0.378 in²), un espacio considerable cuando se diseñan equipos de distribución y enrutamiento de fibra óptica.

Un pariente más pequeño del conector SC es el LC. Véase la imagen 4. Diseñado por Lucent Technologies, fue el primer conector de pequeño formato realmente robusto concebido para aumentar la densidad de empaquetado en equipos de fibra óptica. El LC, que parece una versión reducida del SC, incrementa la densidad de conexiones en aproximadamente un 50% gracias a su huella reducida y a su diseño de bloqueo por presión (push/pull snap-lock). Esto supone una ventaja muy importante en entornos de conmutación de telecomunicaciones. Los conectores LC pueden agruparse fácilmente en configuraciones dúplex con orientación mecánica y disponen de una pestaña de bloqueo similar a la de un conector RJ45 convencional. Su popularidad sigue creciendo, en gran medida debido a su uso en módulos ópticos SFF - Small Form Factor de transmisión y recepción.

Si se comparan físicamente estos cuatro tipos de conectores en la fotografía de la imagen 5, resulta evidente por qué el conector LC está ganando terreno: combina bajas pérdidas de conexión con un tamaño muy reducido.

Qué hay que buscar

Independientemente del tipo de conector, lo que buscamos es precisión de alineación, robustez, repetibilidad y bajas pérdidas. Los conectores con sistemas de orientación mecánica (keyed connectors) pueden lograr una repetibilidad de pérdida de acoplamiento de aproximadamente 0,2 dB. Dado que el conector desempeña un papel importante en las pérdidas de transmisión, existen dos parámetros fundamentales que, al igual que ocurre con el cableado de cobre, adquieren especial importancia: la pérdida de inserción y la pérdida por retorno.

La pérdida de inserción, en este contexto, se refiere a la pérdida en decibelios introducida por la conexión del conector, tal como se comentó anteriormente. La pérdida por retorno, al igual que en los sistemas basados en cobre, se refiere a la energía que se refleja de vuelta hacia la fuente debido a la reflectividad de los terminales de la fibra. La especificación de estos parámetros depende, en cierta medida, de los métodos de ensayo utilizados. Sin embargo, aunque las especificaciones pueden variar de un fabricante a otro, la mayoría cumplen al menos con los requisitos de la norma TIA/EIA-568B.3 para redes comerciales de datos. La norma TIA/EIA-568B.3 establece una pérdida máxima de inserción de 0,75 dB tanto para fibra multimodo como monomodo. La pérdida por retorno mínima es de ≥20 dB para fibra multimodo y ≥26 dB para fibra monomodo. Véase la tabla 1. Por lo general, un conector SC presenta una pérdida de conexión de aproximadamente 0,3 dB, mientras que un conector LC puede llegar a tener pérdidas tan bajas como 0,1 dB.

Entonces, ¿qué significa todo esto? La pérdida de inserción es relativamente sencilla de calcular, basta con sumar todas las conexiones de conectores del recorrido y multiplicarlas por la pérdida prevista en dB por conector. A continuación, se añade la pérdida total del cable por la longitud calculada a la frecuencia crítica más alta. La suma de ambos valores proporciona la pérdida básica del sistema debida tanto a la línea de transmisión como a los conectores.

Ese resultado es un dato muy importante, ya que permite a los diseñadores determinar si el sistema funcionará de forma “nominal”, basándose en la diferencia entre la potencia óptica de salida del transmisor y la sensibilidad del receptor óptico. Sin embargo, esa no es toda la historia. El parámetro de pérdida por retorno indica cuánta energía puede reflejarse de vuelta a la fuente. La energía reflejada viaja nuevamente por el cable en forma de una señal retardada. Esta señal retardada puede considerarse como un “modo” adicional, similar a los modos descritos en el artículo anterior sobre fibra óptica.

Recordemos que la presencia de múltiples modos, o trayectorias ópticas, en la fibra se interpreta en el receptor como un mayor jitter en sistemas digitales y mayor tiempo de subida en sistemas analógicos. En otras palabras, un mal comportamiento de la pérdida por retorno en cada unión de conectores produce un efecto acumulativo que deteriora la capacidad de decodificación del receptor, incluso cuando el nivel de señal sigue estando dentro de los márgenes nominales. En sistemas digitales, este efecto se manifiesta como una degradación del cruce por cero en el diagrama de ojo, reduciendo la capacidad del receptor para seguir, sincronizar y recuperar los datos, hasta el punto de provocar fallos de funcionamiento. Por el contrario, en sistemas analógicos transmitidos por fibra, el efecto aparece como un aumento del tiempo de subida, lo que se traduce visualmente en una imagen muy borrosa o poco definida.

Por ejemplo, en un conector cuya pérdida por retorno es de solo 20 dB, aproximadamente el 1% de la señal se refleja. Esto puede llegar a ser significativo dependiendo del número de conectores presentes en el trayecto de la señal. Una pérdida por retorno de 26 dB reduce ese porcentaje a aproximadamente 0,3%, mientras que con 50 dB la reflexión se reduce a cerca del 0,001%.

Extensor de fibra óptica FOX 500 de Extron Steve Somers ha señalado en este artículo que el conector LC ofrece un alto rendimiento, bajas pérdidas de inserción y un formato compacto, y que está ganando popularidad en aplicaciones de telecomunicaciones que requieren conexiones de fibra óptica de alta densidad para equipos de conmutación.

Tras una amplia investigación sobre los distintos tipos de conectores de fibra óptica, nosotros también hemos optado por utilizar receptáculos tipo LC en el extensor de fibra óptica FOX 500 de Extron debido a su reducido tamaño. Gracias a ello, las conexiones de fibra óptica pueden coexistir fácilmente en el panel trasero junto con todas las conexiones necesarias para señales RGBHV, audio y control serie RS-232. Los receptáculos LC dobles también facilitan la conectividad mediante doble fibra para comunicaciones bidireccionales entre el transmisor y el receptor FOX 500, permitiendo comunicación completa de paso RS-232, control desde cualquiera de las dos ubicaciones y supervisión del sistema en tiempo real.

Consideraciones sobre la terminación

Tradicionalmente, la terminación de fibra óptica ha sido un proceso lento y costoso que además requería equipos caros y personal técnicamente cualificado. Estas preocupaciones siguen siendo válidas, especialmente cuando se trata de realizar terminaciones de fibra monomodo in situ. Sin embargo, parafraseando una vieja canción: “los tiempos están cambiando”. En muchos casos, los cables preterminados son una solución adecuada y pueden adquirirse en una variedad de proveedores en prácticamente cualquier tipo de conector. La mayoría de los latiguillos de corta longitud pertenecen a esta categoría.

Para instalaciones personalizadas, la terminación in situ puede ser la única opción disponible. Aun así, aún existen alternativas. Hoy en día, la terminación de fibra monomodo in situ se realiza con menor frecuencia gracias a la disponibilidad de kits de empalme que reducen tanto el equipamiento necesario como el nivel de especialización requerido. Incluso en el caso de la fibra multimodo, las nuevas metodologías de empalme emplean un sencillo proceso de corte preciso de la fibra, seguido del ensamblaje del cable con un conector o latiguillo preterminado. En la práctica, esta solución equivale a un empalme directo fibra a fibra más simple. Normalmente, estos sistemas utilizan un gel óptico especial que facilita el acoplamiento entre las conexiones de las fibras.

Como alternativa, la terminación de fibra puede realizarse mediante un nuevo sistema desarrollado por Corning, basado en una combinación sencilla de corte y crimpado. En este sistema, la conexión de la férula del conector viene preacabada con una fibra incorporada. Esta fibra interna dispone de un extremo previamente cortado y alojado dentro de un tubo de crimpado que contiene un gel óptico. El cable de fibra que se desea terminar se pela y se corta utilizando una herramienta de preparación económica. Posteriormente, el extremo preparado se inserta en el tubo de crimpado y se alinea con la fibra interna mediante un dispositivo óptico que permite al técnico comprobar fácilmente la alineación. Una vez conseguida la alineación correcta, se realiza el crimpado del conector y la terminación queda completada. Todo el proceso requiere aproximadamente dos o tres minutos.

Las terminaciones de cable multimodo suelen emplear dos tipos de pulido de la terminación: el tipo de cara plana con separación de aire (flat-face air gap) y el tipo de contacto físico. De los dos, el diseño simple de cara plana con separación de aire puede presentar una pérdida por retorno ≥14 dB, lo que equivale aproximadamente a una reflexión del 3,2% de la luz de vuelta hacia la fuente. El tipo de contacto físico es el preferido, ya que ofrece una pérdida por retorno ≥20 dB, lo que reduce la reflexión a tan solo un 1%.

Existen cinco métodos habituales de pulido de la terminación utilizados en la fábrica para cable monomodo, con el objetivo de controlar tanto la pérdida de inserción como la pérdida por retorno: plano, PC - Physical Contact (contacto físico), SPC - Super Physical Contact (súper contacto físico), UPC - Ultra Physical Contact (ultra contacto físico) y APC - Angled Physical Contact (contacto físico angular). Cada uno de los métodos de contacto físico, desde PC hasta UPC, utiliza diferentes niveles de precisión en la terminación, lo que proporciona pérdidas de acoplamiento progresivamente menores y mejores valores de pérdida por retorno. El acabado APC ofrece una pérdida por retorno de ≥65 dB, manteniendo las reflexiones en aproximadamente un 0,000032%. Aunque las conexiones monomodo con acabado APC proporcionan el mejor rendimiento, la superficie pulida en ángulo requiere que todos los puntos de conexión del conector dispongan de un sistema de orientación mecánica de alta precisión. Debido a la exactitud que esto exige, la mayoría de las conexiones monomodo se terminan en fábrica. Cuando se requiere una terminación in situ, la mejor práctica consiste en utilizar latiguillos preterminados, que posteriormente pueden unirse mediante un empalme directo fibra a fibra (butt splice).

Consideraciones finales de terminación

Saber cuándo terminar esta discusión es quizás tan importante como seleccionar el conector de fibra óptica adecuado y realizar correctamente su terminación. Hemos repasado algunos conceptos básicos sobre los conectores de fibra óptica que, con suerte, te resultarán útiles cuando tengas que trabajar con este tipo de aplicaciones. Además, los mismos parámetros analizados aquí también se aplican a otros estilos de conectores que no tuve oportunidad de abordar en este artículo. Prestar una cuidadosa atención a la selección del conector y al proceso de terminación de la fibra permite obtener el mejor rendimiento posible, independientemente de la tecnología de conector elegida. Después de todo, el objetivo es diseñar sistemas que funcionen de manera nominal, lo que se traduce en una alta fiabilidad del sistema a largo plazo.