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Sistema de ComunicacionesFibras Ópticas

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Introducción a las fibras ópticas

Resumen:

En este artículo se describen los principios de funcionamiento y las característicasgenerales de las fibras ópticas que se utilizan en la actualidad en un importantecampo de aplicaciones.

Desarrollo:

Introducción

La idea de transmitir información por medio de ondas luminosas tiene muchossiglos de antigüedad. De hecho, el clásico heliógrafo (telégrafo óptico de luz solar)y la transmisión de mensajes por antorchas responden a esa idea.

En el año 1958 se desarrolló un método para la producción de radiacioneselectromagnéticas en las longitudes de onda del espectro visible, utilizando loscambios de los niveles energéticos de los átomos para producir radiacioneselectromagnéticas controladas. El aparato utilizado se denominó LASER (LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation).

Las fuentes luminosas habituales (lámparas incandescentes, fluorescentes, etc.)producen un espectro compuesto por una banda ancha de señales con distintasfrecuencias y fases, así como diferentes amplitudes y polarizaciones (luz nocoherente).En cambio, el láser se caracteriza por ser un generador de luz monocromática(ondas de la misma frecuencia y en fase) constituyendo su salida un haz de luzcoherente. Además, las trayectorias de los rayos emergentes del láser resultanparalelas, lo que permite concentrar una alta cantidad de energía en superficiesreducidas, como es el caso de las fibras de vidrio.

Con la invención del láser como fuente de luz coherente, se volvió a considerar laidea de utilizar aquella como soporte de comunicaciones y sistema sustitutivo delos existentes, formulando al mismo tiempo los primeros conceptos sobretransmisión por guías de ondas de vidrio.

Su utilización para comunicaciones digitales resultaba particularmente atractiva, yaque con una fuente láser disparada a alta velocidad fácilmente se puedentransmitir los unos y ceros de una comunicación digital.Poco tiempo después, en 1975, aparecieron los primeros modelos experimentales yse publicaron los resultados del trabajo teórico. Estos indicaban que era posible

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confinar un haz luminoso en una fibra transparente flexible y proveer así unanálogo óptico de la transmisión electrónica por alambres metálicos.

En aquel tiempo empezaron a producirse vidrios muy puros. Este gran avance dioímpetu a la industria de las fibras ópticas. Se usaron láseres o diodos emisores deluz como fuente luminosa en los cables de fibras ópticas. Ambos debieron serminiaturizados para componentes de sistemas fibro-ópticos, lo que ha exigido unaconsiderable labor de investigación y desarrollo.

La instalación comercial de las fibras ópticas se difundió de modo creciente a partirde 1980. En la actualidad, su campo de empleo abarca una amplia gama deaplicaciones tales como acoplamientos optoelectrónicos, sensores, artefactos deiluminación, etcétera; pero el uso que se destaca claramente es el de vínculo detransmisión de datos, ya que constituye el medio terrestre de comunicaciones demayores prestaciones y de más alta potencialidad.

circuitos de fibra óptica son filamentos de vidrio (compuestos de cristalesnaturales) o plástico (cristales artificiales), del espesor de un cabello. Llevaninformación en forma de haces de luz que los atraviesan de un extremo a otro,donde quiera que el filamento vaya (incluyendo curvas y esquinas) sininterrupción.

Ahora las fibras ópticas pueden usarse como los alambres de cobreconvencionales, tanto en pequeños ambientes autónomos (tales como sistemas deprocesamiento de datos de aviones), como en grandes redes geográficas (comolos sistemas de líneas urbanas telefónicas).

Principio de funcionamiento

Las fibras ópticas son básicamente canales conductores de radiación luminosabasados en el principio de reflexión interna total, y se componen por dosmateriales con índices de refracción distintos, dispuestos en forma de cable coaxil.

Uno de los materiales forma el núcleo de la fibra y debe tener un índice derefracción N1 mayor que el índice N2 correspondiente al material que forma elrecubrimiento.(figura 1)

Cabe recordar que el índice de refracción de un medio es el cociente entre lavelocidad de la luz en el mismo y la velocidad de la luz en el vacío.

Cuando la luz incide sobre la interfase entre dos materiales con distintos índices derefracción se cumple la Ley de Snell, que establece:

N1 sen ( Φ1) = N2 sen (Φ2)

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Donde Φ1 es el ángulo de incidencia y Φ2 el ángulo de refracción. Se busca que elángulo Φ2 sea mayor o igual a 90 grados para lograr un reflexión total interna (sinrefracción, como en un espejo), de manera que la luz se refleje dentro de la fibra yno salga de la misma, lográndose así que no haya pérdidas de radiación.

Sustituyendo Φ2 =90 grados en la ecuación anterior tenemos que :

sen(Φc) = N2 / N1

Donde Φc es el denominado ángulo crítico. Por lo tanto, para evitar pérdidas, elángulo con que la luz incide en la interfase debe ser superior al ángulo crítico.

Además, debe recordarse que la luz se propaga en línea recta, y por lo tantodichas reflexiones internas son las que permiten que la fibra óptica puedatransmitir la luz en las trayectorias curvas que pueda encontrar en su montaje.

El ángulo de incidencia crítico determina un cono de admisión (o aceptación)dentro del cuál estarán todos los rayos que es capaz de transmitir la fibra óptica.(figura 2)

El seno del ángulo de admisión de dicho cono se denomina apertura numérica(AN).

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Parámetros característicos

A continuación se presenta un cuadro con la clasificación general de losparámetros característicos de las fibras ópticas:

1 - Parámetros estáticos.

1.1 Ópticos.

1.1.1 Apertura numérica.1.1.2 Perfil del índice de refracción.

1.2 Geométricos.

1.2.1 Diámetro del núcleo.1.2.2 Diámetro del revestimiento.1.2.3 Excentricidad.1.2.4 No circularidad del núcleo.1.2.5 No circularidad del revestimiento.

2 - Parámetros dinámicos.

2.1 Atenuación.

2.1.1 Atenuación intrínseca de la fibra.

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2.1.2 Atenuación por causas extrínsecas.

2.2 Dispersión temporal.

2.2.1 Dispersión modal.2.2.2 Dispersión del material.2.2.3 Dispersión por efecto guía de ondas.

En los párrafos siguientes presentaremos una breve descripción de estos ítems.

Los parámetros estáticos son constantes a lo largo de la fibra, dentro de lastolerancias propias de la fabricación, y se refieren a las características ópticas ygeométricas de la misma.

Figura 3

Las características ópticas comprenden:

La apertura numérica (AN), determinante de la cantidad de luz que puede aceptaruna fibra y, en consecuencia, de la energía que puede transportar, nonecesariamente ligada a la calidad de la información correspondiente. La misma esfunción de los índices de refracción de los materiales.

El perfil del índice de refracción, que define la ley de variación del mismo ensentido radial, y siendo la velocidad de la luz en cada punto función de dichoíndice, dará lugar a diversas velocidades en diferentes puntos.

Las características geométricas como los diámetros y excentricidades son funciónde la tecnología utilizada en la fabricación de las fibras, y las toleranciascorrespondientes serán consecuencia de la misma.

Cubierta Presión Externa

Núcleo

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Los parámetros dinámicos son característicos de la fibra que afectan la progresiónde la señal a lo largo de la misma.

La atenuación, que aún correspondiendo al mismo concepto que en losconductores metálicos, no debe hablarse de igual forma que en mismos, pues nodepende de la frecuencia de cada una de las componentes espectrales de la señal,sino de la longitud de onda de la luz portadora misma.Los mecanismos que provocan esta atenuación pueden tener su origen en causasintrínsecas a la propia fibra o en factores externos a la misma, tales como elenvejecimiento, el tendido, los procesos de fabricación, etc. Cabe señalar que elprogreso tecnológico ha reducido la atenuación tipica, de 1000 dB/km en los años60 a 0,2 dB/km en la actualidad.

La dispersión temporal (o modal) es causada por las características dispersivas dela fibra sobre la señal en el transcurso del tiempo, lo que provoca unensanchamiento en el tiempo de los impulsos, a medida que progresan en surecorrido, y en consecuencia, una deformación de los mismos acarreando erroresque, en definitiva, son los que limitan la velocidad de información que puedetransportar la fibra.

En general se puede decir que cuanto mayor sea la anchura espectral de la fuentede luz utilizada, menor será la capacidad de transmisión de información de la fibra.

Finalmente recordemos las equivalencias de algunos submúltiplos del metro, quese utilizarán en los apartados siguientes:

Micrómetro 1 mm = 10-6 mNanómetro 1 nm = 10-9 m

Fibras monomodo y multimodo

Si se quiere estudiar rigurosamente la propagación de la luz en el interior de lafibra óptica, es preciso trabajar con las ecuaciones de Maxwell. Al resolver dichasecuaciones de campo aparece un parámetro "V", llamado frecuencia normalizada,relacionado con el número de veces que el radio "a" de la fibra contiene la longitudde onda.

Este factor V depende de la longitud de la onda que se está propagando, deldiámetro del núcleo, del índice de refracción del mismo y de la apertura numérica.El parámetro V se utiliza para identificar el número de modos posibles en unatransmisión por una guía de ondas, demostrándose que para valores de V menoresa 2,405 existe únicamente un solo modo de propagación, mientras que paravalores superiores es posible la existencia de más modos.

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En la expresión de frecuencia normalizada, y para una determinada longitud deonda incidente, se pueden combinar diversos de los índices de refracción delnúcleo y revestimiento, de modo que en todo caso que se mantenga una V menoro igual que 2,405, de lo que resultarán diferentes fibras con una característicacomún: la transmisión, por lo que se les denomina "fibras monomodo".

A medida que el valor de V se incrementa, aumenta el número de modostransmitidos y a estas fibras se les denominan "fibras multimodo". Es importantemencionar que la presencia de muchos modos de transmisión provocaatenuaciones en la señal de información que se este transmitiendo.

Características constructivas

Si para transmitir la luz se utiliza un cilindro de vidrio muy fino y de gran longitud,resulta un producto muy frágil. Es por ello que en la actualidad, para brindar unamayor flexibilidad también se emplean fibras sintéticas.

Los principales modelos constructivos son:

1) Fibras con núcleo de plástico y capa plástica.2) Fibras con núcleo de vidrio y capa plástica. "PCS"3) Fibras con núcleo de vidrio y capa de vidrio. "Silica-cald-silica"

Sin perjuicio de lo anterior, algunos textos presentan estos tres tipos de fibraóptica:

A) La fibra a salto de índice (200/380 mm): constituida de un núcleo y de una fajaóptica en vidrio de diferentes índices de refracción. Esta fibra provoca unadispersión grande de las señales que la atraviesan, por la importante sección delnúcleo, que genera una deformación de la señal recibida.

B) La fibra a gradiente de índice: cuyo núcleo está constituido de sucesivas capasde vidrio con un índice de refracción similar. Se aproxima así a una igualación delos tiempos de propagación, lo que quiere decir que se ha reducido la dispersionnodal. Banda pasante típica 200-1500 MHz por km. Es este tipo de fibra esutilizada en el interior de los edificios (62,5/125 mm) y entre ciertos sitioscomunicados por los PTT (50/125 mm).

C) La fibra monomodo: cuyo núcleo es tan fino que el camino de propagación delos diferentes modos es prácticamente directo. La dispersión nodal se hace casinula. La banda pasante transmitida es casi infinita (> 10 GHz/km). Esta fibra esutilizada esencialmente para los sitios a distancia. El pequeño diámetro del núcleo(10 mm) necesita una potencia grande de emisión, por lo que son relativamenteonerosos.

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Una gran cantidad de cables de fibras ópticas se fabrican a partir de arena o sílice,que es una materia prima abundante en comparación con el cobre. Con unoskilogramos de vidrio pueden fabricarse muchos kilómetros de fibra óptica.

Cada cable consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico condiámetro de 50 a 125 mm, con un revestimiento que rodea y protege al núcleo.

Habitualmente las fibras ópticas se disponen en cables multifilares con unaprotección exterior, que según la aplicación, puede dar lugar a cables blindados,antiflamas, protegidos contra roedores, sumergibles, autoportantes, libre dehalógenos, etcétera.

También hay cables híbridos, que incluyen conductores de cobre para redes dedatos o para energía eléctrica. Un caso particular es el empleado como hilo deguardia de redes aéreas, que incluye una fibra óptica en su núcleo paratransmisión de datos entre subestaciones.

Un cable de fibra óptica típico cuenta con los siguientes elementos.

1. Núcleo. Compuesto por una región cilíndrica, por la cual se efectúa lapropagación de la luz (puede ser de vidrio o plástico).

2. Cubierta primaria. Se aplica durante el estirado de la fibra. Es la zona externa ycoaxial con el núcleo, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo depropagación, también se denomina envoltura o revestimiento (es de plástico).

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3. Cubierta secundaria. Proporciona protección radial, contra esfuerzos mecánicos.Por su forma puede ser: de tubo apretado (d=0.8 a 1 mm) o tubo holgado (d=1 a3mm). Por sus materiales puede ser de poliuretano, nylon o teflón.

4. Miembro de tensión. Proporciona un elemento que absorbe las cargaslongitudinales del cable óptico.

5. Barrera contra la humedad. Evita la penetración de humedad al cable, se utilizanpetrolato o jelly (repelente al agua), o jalea contra la humedad. En fibrassubmarinas existe la presurización por nitrógeno o por aire seco.

6. Cubiertas del cable. Protege a las fibras y demás elementos del cable, deimpactos, fricción y elementos corrosivos. Se emplea el polietileno PVC.

7.Armadura. Protege contra daños mecánicos, roedores y termitas, se utilizanacero o aluminio.

8. Barrera térmica. Protege térmicamente a los elementos del cable durante suextrusión de cubiertas y previene posibles daños causados por cambios muybruscos de temperatura. Se utiliza la cinta mylar.

Por otro lado, para que se cumpla la exigencia de la reflexión total dentro de lafibra y que no escape radiación de la superficie de la misma (bajas pérdidas), hayque tener en cuenta los siguientes puntos :

a) Cualquier imperfección de la superficie (ondulaciones, rayas o fallas) puedeproducir un escape de la luz que viaja por el interior de la fibra.b) Una simple gota de aceite (cuyo índice de refracción es cercano al vidrio) puedemodificar el comportamiento en el punto de reflexión. Esto puede producirpérdidas de energía en la fibra.

Al realizar la instalación de comunicaciones fotónicas con fibras ópticas se debecontar con los siguientes componentes:

· Emisor o transmisor (es el equipo que provee la fuente luminosa modulada).· Fibra óptica (es el conductor de la luz).· Soporte físico (utilizado para sujetar la fibra).· Receptor o detector (es el equipo que demodula la información luminosa).

El transmisor óptico tiene la función de convertir las ondas eléctricas en señalesópticas conducidas al núcleo de la fibra, mientras que el receptor realiza el procesoinverso mediante un fototransistor o un fotodiodo.

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Los transmisores utilizados deben operar en las longitudes de onda en las que lafibra posee bajas pérdidas y poca dispersión.

Para la transmisión simultánea de varias señales eléctricas a través de un tramo defibra óptica existen varios posibilidades fundamentales distintas. En el primer casose dispone para cada señal de un sistema con una fibra propia. Todos los sistemasse encuentran estructurados simultáneamente; esta disposición se denominaMúltiplex de Fibras.Si se utilizan transductores electroópticos con longitudes de ondas diferentes y secaracteriza su potencia lumínica emitida a través de acopladores selectivos ópticospara la transmisión es suficiente solo una fibra. Esta disposición se denominaMultiplex de Longitudes de Onda.

Si se emite luz desde diferentes fuentes y con longitudes de onda distintas una deotra, puede modularse cada rayo lumínico individualmente. En los acopladoresópticos puede juntarse la luz de diferentes fuentes al comienzo del tramo, siendoseparada nuevamente al final del tramo mediante desacopladores de rayosselectivos ópticos.

El transmisor es un convertidor electroóptico y consiste en una unidad cuyasentradas son la señal procedente del codificador y la señal de reloj, y su salida sonimpulsos luminosos que se acoplan a la fibra óptica mediante un conector óptico.Actualmente, la fuente que genera los impulsos luminosos a partir de la señaleléctrica es un diodo semiconductor en el que la radiación luminosa está basada enla emisión de fotones debido a la recombinación de pares electrón-huecoprovocada al circular una corriente por la unión PN. Las fuentes fundamentales sonel LED ("Diodo de Efecto Luminiscente") y el LD ("Diodo Láser").

En general, la elección de uno u otro tipo de emisor es función de la potencia desalida necesaria y de la velocidad binaria requerida: el láser tiene una mayorpotencia de salida que el LED y presenta mejores posibilidades de acoplamiento ala fibra. Sin embargo, es más caro que el diodo LED y su vida es menor, aunqueúltimamente esto no sea rigurosamente cierto.

Existen dos tipos básicos de LED: el LED con emisión de superficie y el LED conemisión en el borde (ELED). Los primeros emiten luz perpendicular al plano de launión PN, a través de la superficie, por lo que gran parte de la radiación quedaabsorbida en el sustrato. En los ELED la luz se emite en el plano de la unión, con loque la absorción es muy pequeña. Esta estructura permite un mejor rendimientocuántico externo y un acoplamiento a las fibras. De las características se deduceque la aplicación idónea del LED está en sistemas con:

-Fibras multimodo de apertura numérica alta.-Baja velocidad de transmisión.

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-Pequeña sección de regeneración.

Además de las características anteriormente expuestas, la gran fiabilidad, elevadavida media (superior a 100.000 horas) y un precio aceptable, convierten al LED enla fuente óptica más conveniente para muchos sistemas por fibra óptica.

Además, cabe acotar que hay LED que funcionan en el rojo visible (850 nm) y seutilizan para el estandard Ethernet FOIRL; y también hay diodos a infrarojo queemiten en la región invisible a 1300 nm.

El láser semiconductor es un diodo electroluminiscente, construido por una uniónPN con fuerte polarización directa, cuya estructura está especialmente diseñadapara favorecer la emisión estimulada de fotones, se utilizan heterouniones paracontrolar la anchura de la región de recombinación.

Actualmente existen una gran variedad de láseres semiconductores para trabajar alongitudes de onda de 850 nm. La pérdida considerablemente más baja, así comola menor dispersión de las fibras de sílice a 1300 y 1550 nm han alentado el rápidodesarrollo de láseres que operan a esas longitudes de onda. Los lasershabitualmente son utilizados para la fibra monomodo.

Los dos principales métodos empleados para codificar la señal óptica de salida delos diodos láser son: La modulación PCM para sistemas digitales y la modulaciónAM, para sistemas analógicos. La limitación para aumentar la velocidad demodulación del láser depende directamente del tiempo de vida de los portadores yde los fotones.

La adecuación de la señal al medio de transmisión exige darle determinada forma,lo que se consigue mediante los llamados códigos de línea. En los sistemas detransmisión por fibra se incluyen, además de las señales de tráfico propiamentedichas, otras de control de la tasa de errores, sincronización, supervisión ytelealimentación.

En ciertos casos, antes de que la atenuación y la dispersión de la señal inyectadala hagan irreconocible para el receptor, es preciso regenerarla. Esta funcióncorresponde a los repetidores o regeneradores, que no son propiamenteamplificadores, ya que no sólo restituyen el nivel de la señal, sino que laconforman. Para regenerar la señal procedente de la fibra es preciso procederpreviamente a una conversión optoeléctrica; la señal eléctrica obtenida se trata enel regenerador y se pasa después por otro convertidor optoeléctrico, lanzándolanuevamente al medio de transmisión.

En el otro extremo de la fibra, el detector convierte la señal óptica que procede dela fibra en una señal eléctrica como primera parte del proceso de recepción; a

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continuación, la señal se regenera para llevarla a un equipo terminal o para serincorporada a la siguiente etapa de un repetidor óptico.

Los sistemas que operan actualmente incorporan la detección directa de una señalque moduló en intensidad a la portadora de la fuente láser; el detector se limita aobtener una fotocorriente a partir de la luz modulada incidente, por lo que estacorriente será proporcional a la potencia recibida, y corresponderá a la forma deonda de la moduladora.

En principio, el tipo más sencillo de detector corresponde a la unión PN de unsemiconductor cuyo intervalo de energía entre las bandas de valencia y deconducción sea pequeño, lo que permitirá que un fotón que incida en la unióntenga energía para permitir la creación de un par electrón-hueco. Ambosportadores circularán en sentidos opuestos, creando una fotocorriente sobre elcircuito externo.

Ventajas y desventajas

Entre las ventajas que ofrece la utilización de fibras ópticas modernas, se puedencitar:

· Bajas pérdidas· Inmunidad a interferencias electromagnéticas exteriores· No generan interferencias en el medio· Amplio ancho de banda· Capacidad de multiplex amplio· Reducidas dimensiones y bajo peso· Fácil instalación y mantenimiento· Inmune a la corrosión· Larga vida útil

La fibra presenta un gran ancho de banda, lo que supone más información porconductor que con los medios convencionales. Se manejan valores desde cientosde MHz hasta decenas de GHz.

La atenuación que presenta es independiente de la velocidad de transmisión a laque se explota, lo cual no ocurre en cables convencionales. La fibra óptica estotalmente adecuada en virtud de esta característica para transmitir las más altasjerarquias digitales. Sin embargo presenta cierta atenuación, función de suscaracterísticas físicas, que, además,es variable con la longitud de onda de la señalque la atraviesa. Esta atenuación pasa por unos mínimos en determinadaslongitudes de onda.

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La fibra óptica es inmune al ruido y las interferencias por ser un medio dieléctrico,característica muy positiva en muchas aplicaciones, sobre todo cuando el cabledebe pasar por zonas donde hay instalaciones con mucha contaminaciónelectromagnética.

La información que viaja por la fibra no se puede detectar, porque la luz no essensible a ningún fenómeno de tipo inductivo por la especial configuración de sucampo electromagnético. Esto explica que cerca del 10% de la producción mundialde fibra se destine a instalaciones militares.

El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos,redundando en su facilidad de instalación. A igualdad de prestaciones, mientrasque un cable de fibra óptica puede pesar unos 190 Kg/km, uno coaxial ronda los7900 Kg/km.

El silicio tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura,pues funde a 600C. La fibra óptica presenta un funcionamiento uniforme desde -55ºC a +125ºC sin degradación de sus características.Estos limites pueden variar según se trate de fibras realizadas a partir del vidrio oa partir de materiales sintéticos.La materia prima para fabricarla es abundante en la naturaleza, lo cual lleva loscostos a la baja según mejoran los procesos tecnológicos, al contrario de lo queocurre con el cobre, cuyo precio depende fundamentalmente de las reservas. Dehecho, el precio de los cables de fibra ha ido disminuyendo progresivamente desdesu nacimiento.

La calidad de la señal por fibra óptica es por mucho más alta que por satélitesgeoestacionarios, situados en órbitas de unos 36.000 km de altura, y el retardopróximo a 500mseg. introduce eco en la transmisión, mientras que en las fibraseste se sitúa por debajo de los 100mseg admitidos por el CCITT.

Entre las desventajas que ofrece la utilización de fibras ópticas modernas, sepueden citar:

A) Costos de instalación elevados.

B) Dificultad de reparar un cable roto en el campo.

C) La fibra óptica por si sola no tiene características adecuadas de tracción quepermitan su utilización directa; es por esto que deben agregarse elementos que laayuden en ese aspecto e incluso que la sustituyan. Cuando el cable se estira ocontrae se pueden producir esfuerzos que rebasen el límite de elasticidad de lafibra óptica y se rompa o formen microcurvaturas que deformen la señal enviada.

Edgardo Faletti