fibra optica

INTRODUCCIÓN A LA FIBRA ÓPTICA LECCIÓN 2: Comunicación con Fibra Óptica EDSEL ENRIQUE URUEÑA LEÓN

Lección 2. Comunicación con fibra óptica Objetivos del curso El material está ordenado por niveles de modo que los alumnos lo puedan seguir en forma fácil, comenzando con términos básicos y siguiendo al final hacia los temas más avanzados. Por lo tanto, recomendamos avanzar las lecciones una tras otra, no obstante aquellos que estén parcialmente familiarizados con la tecnología de fibras ópticas podrán proceder en forma diferente. Este es un curso técnico dirigido a estudiantes que tengan conocimientos básicos de matemáticas y ciencias. El curso a veces podrá incluir detalles dirigiéndose a estudiantes con un conocimiento preliminar más avanzado, pero éstos no son obligatorios para el completo entendimiento del tema en cuestión, y podrán saltearse.  Al inicio de cada capítulo se indican los objetivos del curso. Estos objetivos sirven como información previa para saber saber qué es lo que va a aprender en el capítulo. A continuación se enumeran los objetivos del curso. Enfatizamos los términos importantes que aparecen por primera vez mostrándolos en color. Nociones fundamentales fundamentales de Comunicaciones con fibra óptica. Fibra óptica. Conceptos. Comunicaciones funcionamiento.

con

fibra óptica,

componentes

y

características

de

Objetivos de la lección Esta segunda lección introductoria cubre una variedad de temas como sigue: Concepto de fibra óptica.

Bienvenidos a la lección 2 El fenómeno de la luz y su efecto en las fibras ópticas.

Concepto de fibra óptica Las Fibras ópticas se ocupan de la transmisión de la energía luz a través de fibras transparentes. Cómo la guía de luz de fibra óptica depende de la naturaleza de la luz y de la estructura de la fibra óptica. La onda de luz es una forma de energía que se desplaza con movimiento ondulatorio.

Lección 2. Comunicación con fibra óptica Objetivos del curso El material está ordenado por niveles de modo que los alumnos lo puedan seguir en forma fácil, comenzando con términos básicos y siguiendo al final hacia los temas más avanzados. Por lo tanto, recomendamos avanzar las lecciones una tras otra, no obstante aquellos que estén parcialmente familiarizados con la tecnología de fibras ópticas podrán proceder en forma diferente. Este es un curso técnico dirigido a estudiantes que tengan conocimientos básicos de matemáticas y ciencias. El curso a veces podrá incluir detalles dirigiéndose a estudiantes con un conocimiento preliminar más avanzado, pero éstos no son obligatorios para el completo entendimiento del tema en cuestión, y podrán saltearse.  Al inicio de cada capítulo se indican los objetivos del curso. Estos objetivos sirven como información previa para saber saber qué es lo que va a aprender en el capítulo. A continuación se enumeran los objetivos del curso. Enfatizamos los términos importantes que aparecen por primera vez mostrándolos en color. Nociones fundamentales fundamentales de Comunicaciones con fibra óptica. Fibra óptica. Conceptos. Comunicaciones funcionamiento.

con

fibra óptica,

componentes

y

características

de

Objetivos de la lección Esta segunda lección introductoria cubre una variedad de temas como sigue: Concepto de fibra óptica.

Bienvenidos a la lección 2 El fenómeno de la luz y su efecto en las fibras ópticas.

Concepto de fibra óptica Las Fibras ópticas se ocupan de la transmisión de la energía luz a través de fibras transparentes. Cómo la guía de luz de fibra óptica depende de la naturaleza de la luz y de la estructura de la fibra óptica. La onda de luz es una forma de energía que se desplaza con movimiento ondulatorio.

Definimos al movimiento ondulatorio como una perturbación repetitiva que avanza a través del espacio con o sin el uso de un medio físico. En las fibras ópticas, el movimiento ondulatorio es el desplazamiento de la energía de la luz a través de la fibra óptica.  Antes de introducirnos en el tema de la transmisión de luz a través de fibras ópticas, primero deberá entender la naturaleza de la luz y las características de las ondas de luz.

 Algunos parámetros básicos Para que entendamos cuáles son las características únicas, primero repasemos los parámetros básicos de una onda. Observe que el período y la frecuencia son la inversa uno del otro, es decir.

Longitud de Onda:

Período:

Frecuencia:

Máximo y mínimo:

Longitud de onda, frecuencia, y velocidad Quizá nos preguntamos alguna vez: ¿Con qué velocidad viaja una onda? Recordemos que:

Sabemos que una onda viaja una distancia de una longitud de onda en un tiempo igual a su período. La velocidad de la onda (v) la expresamos por 

Puesto que el período es la inversa de la frecuencia, también podemos escribir  esto así

Y en nuestro caso específico V = C = 3 x 108 m/s = 300,000 km/s la velocidad de la luz. En la óptica, trabajamos con longitudes de onda muy cortas; por eso es más cómodo usar los submúltiplos del metro. Las unidades más usadas son: Micrómetro (µm) = 10-6 m Nanómetro (nm) = 10-9 m  Angstrom (Å) = 10-10 m.

Ley de Snell Cuando un rayo de luz se transmite a un nuevo medio óptico, la relación entre el ángulo incidente y el ángulo refractado viene dada por la siguiente ecuación.

INDICES DE REFRACCIÓN TÍPICOS

Espectro electromagnético Las ondas electromagnéticas se extienden en frecuencia desde transmisores de radio de onda larga hasta la frecuencia más alta de radiación de energía gamma. En la siguiente tabla se muestra una división simplificada de este enorme ancho de banda:

Sensibilidad espectral Las tres curvas de la figura muestran la respuesta normalizada del ojo humano medio a distintas cantidades de luz ambiente. El cambio en la sensibilidad ocurre porque dos tipos de foto receptores son los responsables de la respuesta del ojo a la luz, llamados conos y bastones. La curva de la derecha muestra la respuesta del ojo bajo condiciones normales de iluminación se la llama respuesta fotópica. Los conos responden a la luz bajo estas condiciones.

Sensibilidad espectral Las tres curvas de la figura muestran la respuesta normalizada del ojo humano medio a distintas cantidades de luz ambiente. El cambio en la sensibilidad ocurre porque dos tipos de foto receptores son los responsables de la respuesta del ojo a la luz, llamados conos y bastones. La curva de la derecha muestra la respuesta del ojo bajo condiciones normales de iluminación se la llama respuesta fotópica. Los conos responden a la luz bajo estas condiciones.

Reflexión de la luz

Un rayo de luz que incide sobre una superficie reflectante, cumple la siguiente ley: El ángulo formado por el rayo reflejado y la normal es igual al ángulo formado por el rayo incidente y la normal.

La ley de reflexión nos permite saber la ubicación de la imagen reflejada en un espejo plano donde la distancia de la imagen detrás del espejo es igual a la distancia del objeto delante del espejo.

Reflexión de Fresnel En óptica, la reflexión de una porción de la luz incidente en un interfaz discreta entre dos medios que tienen distintos índices refractivos. La reflexión de Fresnel ocurre en las interfaces aire-vidrio en los extremos de la entrada y salida de una fibra óptica. Produciendo pérdidas de transmisión del orden del 4% por interfaz, que se puede reducir considerablemente usando un adaptador de índice de materiales. El coeficiente de reflexión depende de la diferencia del índice de refracción, del ángulo de la incidencia, y de la polarización de la radiación incidente.

Los cálculos de R y T dependen de la polarización del rayo incidente, la ecuación es la siguiente.

Si n1 > n2 luego Rs = Rp = 1 este fenómeno se conoce como Reflexión interna total. Cuando la luz incidente es casi la normal a la interfaz ( i ~ t ~ 0) y el coseno de los ángulos es casi igual a uno, entonces los coeficientes de reflexión y de transmisión se pueden expresar así:

Refracción de la luz Refracción es el cambio de dirección de una onda debido al cambio de velocidad. Esto ocurre cuando las ondas pasan de un medio con un índice de refracción dado a un medio con otro índice de refracción. La ref racción de la luz al pasar de un medio rápido a otro de densidad óptica más lenta, el haz de luz se quiebra acercándose a la normal de la frontera entre los dos medios.

 Absorción de la luz Cada material absorbe una cierta energía de luz. La cantidad de absorción depende de la longitud de onda y del material. Por ejemplo, puede ver que un rayo de luz se refleja y se difunde al llegar a una hoja de papel blanca. Si en cambio el rayo de luz llega a una hoja de papel negra, este absorberá la mayor parte de los rayos de luz y reflejará una parte muy pequeña de la luz. Si la superficie es perfectamente negra, no hay reflexión; es decir, la luz es absorbida por completo. No importa a qué clase de superficie llegue la luz, algo de la luz se absorbe.

La fracción de luz restante después de la distancia D es: Por ejemplo, esto significa que después de pasar por 1 m (100 centímetros) de vidrio, la fracción de luz restante será: (1 - 0.01) 100 = 0.366 ,

o

36.6 %

 Absorción en fibras ópticas La absorción es la causa más importante de la pérdida de la señal en una fibra óptica. La absorción se define como la porción de atenuación resultante de la conversión de la energía óptica en otra forma de energía, tal como calor. Explicamos la absorción en fibras ópticas por medio de tres factores.

Imperfecciones en la estructura atómica del material de la fibra Las imperfecciones en la estructura atómica inducen a la absorción por la presencia de moléculas faltantes o defecto de oxígeno. La absorción también es inducida por la difusión de las moléculas de hidrógeno en la fibra de vidrio. Puesto que las características materiales intrínsecas y extrínsecas son la causa principal de la absorción, las discutiremos más adelante.

Las características intrínsecas o básicas del material de la fibra La absorción intrínseca es causada por las características básicas del material de la fibra. Si una fibra óptica fuera absolutamente pura, sin imperfecciones o impurezas, entonces toda la absorción sería intrínseca. La absorción intrínseca fija el nivel mínimo de absorción. En fibras ópticas es más común usar las fibras de silicio (vidrio puro). Estas tienen una baja absorción intrínseca del material en las longitudes de onda de trabajo. En el vidrio de silicio, el rango de longitudes de onda de trabajo va desde 700 nm a 1600 nm.

Esta longitud de onda de trabajo está entre dos regiones de absorción intrínseca, la región ultravioleta, debajo de la longitud de onda de 400 nanómetros, y la región infrarroja, por encima de 2000 nm. La causa principal de la absorción intrínseca en la región infrarroja es la frecuencia característica de la vibración de enlaces atómicos. En los vidrios de sílice, la absorción es causada por la vibración de los enlaces del óxido de silicio (Si-O). La interacción entre el enlace que vibra y el campo electromagnético de la señal óptica causa la absorción intrínseca. La energía de la luz se transfiere del campo electromagnético al enlace. La absorción intrínseca en la región ultravioleta es causada por las bandas de absorción electrónica. Básicamente, la absorción ocurre cuando una partícula

de luz (fotón) interactúa con un electrón y lo excita a un nivel de energía más alto.

Las características extrínsecas (presencia de impurezas) del material de la fibra La absorción extrínseca es causada por las impurezas introducidas en el material de la fibra. Las impurezas de los metales, tales como el hierro, níquel, y cromo, se introducen en la fibra durante la fabricación. La absorción extrínseca es causada por la transición electrónica de los iones del metal al pasar de un nivel de energía a otro. La absorción extrínseca también ocurre cuando los iones del radical hidróxilo (OH-) se introducen en la fibra. El agua en las redes de sílice forma enlaces de hidrógeno entre grupos silanol (Si-OH). Este enlace tiene una absorción fundamental en 2700 nanómetro. Sin embargo, las armónicas de la absorción fundamental ocurren en la región de operación. Estas armónicas aumentan la absorción extrínseca en 1383, 1250, y 950 nanómetros.

Presencia de la tercera armónica del radical OH-.

Estos límites de absorción definen tres regiones o ventanas de trabajo preferidas. La primera ventana está centrada en 850 nm. La segunda ventana está centrada en 1300 nm. La tercera ventana está centrada en 1550 nm. Los sistemas de fibra óptica funcionan a longitudes de onda definidas por una de estas ventanas.

La cantidad de agua (OH`) impura presente en la fibra debe ser menor que unas pocas partes por billón. La atenuación de la fibra causada por la absorción extrínseca es afectada por el nivel de impurezas (OH`) presente en la fibra. Si la cantidad de impurezas en una fibra se reduce, reducimos la atenuación de la fibra.

Dispersión de la luz

Parte de la luz que golpea en los átomos y otras partículas inevitablemente se dispersa. La luz no se absorbe, sólo se la envía hacia otras direcciones en un proceso llamado dispersión de Rayleigh, en nombre del Científico británico Lord Rayleigh (1842-1919), Nobel de Física quien descubrió cómo pequeñas partículas presentes en la atmósfera dispersan determinadas longitudes de onda de los rayos del sol. Sin embargo, la distinción entre dispersión y absorción no es muy importante si se envía la luz a través de la fibra, porque en cualquier caso la luz se pierde en la fibra. Como la absorción, la dispersión es uniforme y acumulativa. Cuanto más lejos viaja la luz dentro del material, es más probable que ocurra dispersión. La función es igual que para la absorción de la luz, pero la fracción de la luz dispersada se expresa con la letra S.

La dispersión no depende del tipo específico de material sino del tamaño relativo de las partículas con respecto a la longitud de onda de la luz.

De hecho, la cantidad de dispersión aumenta muy rápidamente a medida que la longitud de onda  disminuye. La pérdida de dispersión en decibeles por kilómetro se expresa por:

Dispersión en fibras ópticas Básicamente, las pérdidas por dispersión son causadas por la interacción de la luz con las fluctuaciones de la densidad dentro de la fibra. Los cambios de densidad se producen en el momento de fabricación de las fibras ópticas. Durante la fabricación se crean regiones de densidad molecular mayores y menores respecto a la densidad media La gráfica muestra la dispersión de la luz en todas las direcciones, y el desplazamiento por la fibra interactuando con las áreas de densidad.

En fibras comerciales que operan entre longitudes de onda de 700 nm y 1600 nm, la fuente principal de pérdida se llama dispersión de Rayleigh. La dispersión de Rayleigh es el mecanismo principal de pérdida entre las regiones ultravioletas e infrarrojas.

La dispersión de Rayleigh ocurre cuando el tamaño de la fluctuación de densidad, defecto de la fibra, es menos de una décima de la longitud de onda de operación de la luz. La pérdida causada por la dispersión de Rayleigh es inversamente proporcional a la longitud de onda elevada a la cuarta. La pérdida por Rayleigh disminuye a medida que aumenta la longitud de onda.

Llamamos mecanismo de dispersión de Mie cuando el tamaño del defecto es mayor que un décimo de la longitud de onda de la luz. La dispersión de Mie, causada por los defectos grandes en el núcleo de la fibra, dispersa la luz fuera del núcleo de la fibra. Sin embargo, en fibras comerciales, los efectos de dispersión de Mie son insignificantes. Las fibras ópticas se fabrican con un valor muy bajo de este tipo de defectos.

Reflexión interna total Este fenómeno ocurre cuando la luz se refracta en el límite de un medio tal que pueda retornar, con eficacia la reflexión de toda la luz. La operación de las fibras ópticas se basa en el principio de Reflexión interna total. La fibra óptica es un filamento flexible de vidrio. Un cable de fibra óptica generalmente se fabrica con muchos de estos filamentos, cada uno transporta una señal constituido por pulsos de luz láser. La luz que viaja a lo largo de la fibra óptica, se refleja en las paredes de la fibra. Con una fibra recta o levemente flexionada, la luz golpeará la pared en un ángulo mayor que el ángulo crítico y será totalmente reflejada nuevamente dentro de la fibra.  Aún cuando la luz experimenta una gran cantidad de reflexiones al viajar a lo largo de la fibra, no hay pérdida de luz.

Reflexión interna total en fibras ópticas La ley por la cual depende esta transmisión de la luz se llama Reflexión interna total. La luz viaja dentro del centro de la fibra golpeando la superficie exterior con un ángulo de incidencia mayor que el ángulo crítico, para reflejar toda la luz hacia el interior de la fibra sin pérdida. Esta importante aplicación técnica de la reflexión interna total significa que la luz se puede transmitir en largas distancias siendo reflejada miles de veces. De esta manera, casi toda la luz que entra en la fibra emerge en el otro extremo a miles de kilómetro más lejos.

La reflexión interna total causa que la luz se guíe dentro de la fibra. La reflexión interna total se relaciona directamente con el hecho de que el índice de refracción del revestimiento es menor que el índice de refracción del núcleo.

Difusión de la luz  Al reflejarse la luz en un espejo, el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia. Cuando la luz se refleja en un papel blanco liso; sin embargo, el haz de luz reflejado se dispersa, o disemina. Como la superficie del papel no es lisa, la luz reflejada se quiebra en muchos rayos de luz que se reflejan en todas las direcciones.

Alta difusión de la luz y transpiración óptima Por ejemplo, esto permite que los rayos beneficiosos alcancen las cosechas, previniendo la radiación dañina, mientras que la trama de la tela permite una excelente transpiración creando un microclima ideal.

 Atenuación de la luz La atenuación de la luz determina con qué rapidez disminuye la intensidad de la luz en relación a la distancia de los objetos. Con 100% de atenuación obtenemos que al duplicar la distancia la intensidad es cuatro veces menor. La atenuación de la luz tradicional es cuadrática, significa que la intensidad de la luz es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Otras atenuaciones útiles, por ejemplo es la lineal donde la intensidad de luz disminuye en la misma relación que la distancia aumenta, y la constante donde la intensidad de luz nunca disminuye. Fijando la atenuación en 50%, la atenuación es linear y en 0% la atenuación es constante. Los valores entre 0% y 50% de atenuaciones producen resultados entre constantes y lineales y valores entre 50% y 100% darán lugar a atenuaciones más rápidas que lineal pero más lento que cuadrática.

 Atenuación en fibra óptica La atenuación en fibras ópticas es causada por la absorción, dispersión, y pérdidas de curvatura. La atenuación es la pérdida de potencia óptica al viajar la luz a lo largo de la fibra. Definimos a la atenuación de la señal como la relación entre la potencia óptica de entrada (Pin) y potencia óptica de salida (Pout). La potencia óptica de entrada es la potencia que se aplica a la fibra desde una fuente óptica.

La potencia de salida óptica es la potencia recibida en el extremo de la fibra o el detector óptico. La siguiente ecuación define la atenuación de la señal por unidad de longitud: La cantidad de atenuación en la mayoría de las hojas de datos es el número de dB/km, donde

La atenuación de la señal es una relación logarítmica. La longitud (L) se expresa en kilómetros. Por lo tanto, la unidad de la atenuación es decibeles/kilómetro (dB/km).

Según lo indicado previamente, la atenuación es causada por la absorción, dispersión, y pérdidas de curvatura. Cada mecanismo de pérdida es influenciado por las características del material de la fibra y la estructura de la fibra.

Pérdida total o Atenuación: La dispersión y la absorción se combinan para dar la pérdida total, o la atenuación, que es la cantidad importante en los sistemas de comunicaciones.

 Atenuación en fibra óptica El gráfico abajo compara la dispersión teórica y la absorción del sílice puro con la atenuación medida a través del espectro. Esto es la atenuación total que es un dato importante en la comunicaciones con fibra óptica, y que es lo qué generalmente se mide. Los decibeles son unidades muy útiles para el cálculo de la señal y la atenuación. Si desea calcular los efectos de dos atenuaciones sucesivas, simplemente agrega atenuaciones para así obtener la pérdida total.

Los cálculos son más simples si conoce la pérdida por unidad de longitud y desea conocer la pérdida total de un tramo más largo (o más corto) de la fibra.

Pérdida de curvatura Las pérdida de curvatura se clasifican según el radio de curvatura: Pérdidas por micro curvatura o Pérdidas por macro curvatura. Las micro curvaturas son las pequeñas curvas microscópicas del eje de la fibra que ocurren principalmente cuando se extiende el cableado de la fibra. Las macro curvaturas son curvas que tienen un radio de curvatura grande comparado con el diámetro de la fibra.  Ambas son mecanismos de pérdidas muy importantes. La pérdida de la fibra causada por micro curvatura puede ocurrir aunque la fibra se instale correctamente. Durante la instalación ocurrirán pérdidas por macro curvaturas si las fibras se doblan demasiado. Pérdidas por micro curvatura

Las pérdidas por macro curvaturas se observan cuando las curvas tienen un radio de curvatura grande comparado con el diámetro de la fibra. Estas curvas se convierten en una gran fuente de pérdida cuando el radio de curvatura es menor que varios centímetros. La luz que se propaga en el lado interno de la curva viaja una distancia más corta que aquella que viaja en el lado externo. Para mantener la fase de la onda de luz, se debe aumentar la velocidad de la fase de modo. Cuando la curva de la fibra es menor que un cierto radio crítico, la velocidad de fase del modo se debe aumentar a una velocidad mayor que la velocidad de la luz. Sin embargo, es imposible exceder la velocidad de la luz. Esta condición hace que una parte de la luz dentro de la fibra se convierta a los modos de orden superior. Estos modos de orden superior se pierden o irradian fuera de la fibra.

Dispersión en la fibra óptica

Existen dos tipos distintos de dispersión en las fibras ópticas. Los tipos son dispersión intramodal e intermodal. En todos los tipos de fibra ocurre la dispersión intramodal o cromática. En cambio la dispersión intermodal o modal ocurre sólo en las fibras multimodo. Cada tipo de mecanismo de dispersión hace que los pulsos pierdan su forma (se extiende).  A medida que esto sucede, se superponen las energías. La extensión del pulso óptico a medida que viaja a lo largo de la fibra limita la capacidad de información de la fibra.

Dispersión en la fibra óptica Dispersión intramodal Intramodal, o cromática, esta dispersión depende principalmente de los materiales de la fibra. Hay dos tipos de dispersión intramodal. El primer tipo es la dispersión del material. El segundo tipo es la dispersión de la guía de onda.

Dispersión intermodal La dispersión intermodal o modal hace que los pulsos de luz de entrada pierdan su forma (se extiende). El pulso de la luz de entrada se compone de un grupo de modos. Mientras que los modos se propagan a lo largo de la fibra, la energía de la luz distribuida entre los modos es retrasada en diferentes cantidades. Hay dispersión del pulso pues cada modo se propaga a lo largo de la fibra a distintas velocidades. Puesto que los modos viajan en diversas direcciones, algunos modos recorren trayectorias más largas. La dispersión modal ocurre porque cada modo viaja distintas distancias en el mismo intervalo de tiempo. Los modos de un pulso de luz que entran en la fibra al mismo tiempo, salen de la fibra en distintos instantes. Esta condición hace que el pulso de luz se extienda. A medida que aumenta la longitud de la fibra, también aumenta la dispersión modal.

 Apertura numérica La Apertura numérica (NA) es una característica óptica básica de la configuración específica de la fibra. La apertura numérica es una medida de la capacidad de la fibra óptica de capturar luz. El NA también se usa para definir  el cono de aceptación de una fibra óptica. Matemáticamente, se define a la apertura numérica como el seno de la mitad del ángulo del cono de aceptación (sen ). Un rayo de luz que no se encuentra dentro de este cono se perderá en el revestimiento y nunca retornará al cono. Cuanto más grande es la apertura numérica, mayor será la cantidad de luz aceptada por la fibra.

Por otro lado, si aumenta la NA, disminuye el ancho de banda de la fibra.

En esta ecuación, MAX es la mitad del ángulo del cono, n0 el índice de refracción externo en el extremo de la fibra (aire =1.0), n CO el índice de refracción del núcleo, y nCL el índice de refracción del revestimiento.

Cómo un rayo de luz entra a una fibra óptica El rayo incidente L1 ingresa a la fibra con un ángulo a. L1 se refracta por  encima de la entrada de la fibra y se transmite a la interfaz del núcleorevestimiento. L1 luego golpea la interfaz del núcleo-revestimiento con un ángulo crítico c. L1 es totalmente reflejado hacia el núcleo y prosigue la propagación a lo largo de la fibra.

Pulse en el botón siguiente para continuar. El rayo incidente L2 ingresa a la fibra con un ángulo mayor que a. Una vez más L2 se refracta por encima de la entrada de la fibra y se transmite a la interfaz del núcleo-revestimiento. L2 golpea la interfaz del núcleo-revestimiento con un ángulo menor que el ángulo crítico c. L2 se refracta en el revestimiento y se pierde. El rayo de luz incidente en el núcleo de la fibra debe estar dentro del cono de aceptación definido por el ángulo a. Definimos al ángulo a como el ángulo de aceptación. Este, a, es el ángulo máximo al eje de la fibra por donde puede ingresar la luz para que se propague. El valor del ángulo de aceptación a depende de las características de la fibra y de las condiciones de transmisión.

Fenómeno de entrada-salida Si el rayo incidente L1 ingresa a la fibra con un ángulo , en forma ideal saldrá de la fibra con un ángulo . En la práctica, sin embargo, el ángulo acimutal en la salida varía con , la longitud, el diámetro de la fibra, etc. El extremo de la fibra actuará como un prisma si no está cortado perpendicular  al eje de la fibra. Un corte diagonal inclinará el cono de la salida según se muestra en el corte biselado de la fibra - A. Así, donde b es el eje del rayo y desviado, y a es el ángulo de corte a la normal de la fibra. La preservación del ángulo  en la salida es sólo una aproximación. La difracción en los extremos, la flexión, estrías, y aspereza de la superficie causará la decolimación o apertura anular. Las estrías y asperezas causan decolimación progresiva. La difracción y la flexión se pueden mirar como factores de extremo a extremo (vea el corte biselado de la fibra - B). El efecto es más evidente en sistemas en los cuales se acentúa la transmisión colimada.

Polarización Dirección del campo eléctrico en la onda luminosa. Si el campo eléctrico de la onda luminosa está en el eje Y, se dice que la luz está polarizada verticalmente. Si el campo eléctrico de la onda luminosa está en el eje X, se dice que la luz está polarizada horizontalmente.

Fibra óptica mantenedora de polarización: Está diseñada para permitir la propagación de una única polarización de la señal óptica de entrada.

Dispersión por Modo de Polarización (PMD, por sus siglas en inglés): La dispersión por modo de polarización es una propiedad inherente de todos los medios ópticos. Es causado por la diferencia en las velocidades de la propagación de la luz en los estados de polarización principal ortogonal del medio de transmisión. El efecto en la red es que si un pulso óptico contiene ambos componentes de polarización, estos componentes viajaran a distintas velocidades, llegando en distintos instantes, diseminando la señal óptica recibida.

Teoría de modo La teoría de modo, junto con la teoría del rayo, se usa para describir la propagación de la luz a lo largo de la fibra óptica. La teoría de modo se usa para describir las características de la luz que la teoría del rayo no puede explicar. La teoría de modo usa el comportamiento de la onda electromagnética para describir la propagación de la luz a lo largo de una fibra. Llamamos modos de la fibra a sistema de ondas electromagnéticas guiadas.

Propiedades de la luz para la teoría de modo.

Onda plana Una onda plana en dos o tres direcciones en dos o tres dimensiones es como una onda sinusoidal en una dimensión salvo que los mínimos y máximos no son puntos, sino líneas (2-D) o planos (3-D) perpendiculares a la dirección de la propagación de la onda. Los planos que tienen la misma fase se llaman Frentes de onda. La longitud de onda () de la onda plana viene dada por:

Donde C es la velocidad de la luz en el vacío, f es la frecuencia de la luz, y n es índice de refracción del medio de la onda plana. La figura muestra la dirección y la propagación de los frentes de ondas de la onda plana. Las ondas planas, o frentes de ondas, se propagan a lo largo de la fibra en forma similar a los rayos de luz. Sin embargo, no todos los frentes de ondas inciden en la fibra a ángulos inferiores o iguales al ángulo crítico de la propagación luz de aceptado a lo largo de la fibra.

Los frentes de ondas pueden experimentar un cambio en la fase para prevenir  la transferencia acertada de la luz a lo largo de la fibra.

Frente de onda Los frentes de ondas se requieren para permanecer en fase para que la luz se transmita a lo largo de la fibra. Considere el frente de onda incidente en el núcleo de una fibra óptica, como se ve en la figura.

Sólo aquellos frentes de ondas incidentes en la fibra a ángulos inferiores o iguales al ángulo crítico se propagaran a lo largo de la fibra. El frente de onda experimenta un cambio de fase gradual a medida que viaja por la fibra. Los cambios de fase también ocurren cuando se refleja el frente de onda. El frente de onda debe permanecer en fase después de atravesar el frente de onda de la fibra dos veces y ser reflejado dos veces. La distancia transversal se muestra entre el punto A y el punto B. Las ondas reflejadas en el punto A y el punto B están en fase si la cantidad total de fase recogida es un múltiplo entero de 2p radianes. Si los frentes de ondas propagados no están en fase, ellos desaparecen. Los frentes de ondas desaparecen por interferencia destructiva. Los frentes de ondas que están en fase interfieren con los frentes de ondas que están fuera de fase. Esta interferencia es la razón por la que solamente una cantidad finita de modos se puede propagar a lo largo de la fibra. Las ondas planas se repiten como viajan a lo largo de la "Dirección Z" en el eje de la fibra. Mientras que la longitud de onda cambia, el valor de la constante de propagación también debe cambiar.

Modos de orden inferior y de orden superior  El orden del modo también se determina por el ángulo que el frente de onda forma con el eje de la fibra.

La figura ilustra los rayos de luz mientras viajan en la fibra. Estos rayos de luz indican la dirección de los frentes de ondas. Los modos de orden superior  atraviesan el eje de la fibra a ángulos más pronunciados. Modos de orden inferior y de orden superior. Esta penetración de los modos de orden inferior y de orden superior dentro de la región del revestimiento indica que una porción se refracta fuera del núcleo. Los modos refractados pueden quedarse atrapados en el revestimiento debido a la dimensión de la región de revestimiento. Los modos atrapados en la región de revestimiento se llaman modos de revestimiento. A medida que los modos de revestimiento y de núcleo viajan a lo largo de la fibra, ocurre un acoplamiento de modos. El acoplamiento de modo es el intercambio de la energía entre dos modos. El acoplamiento del modo revestimiento da lugar a la pérdida de energía de los modos de núcleo.

Modo de fuga El modo de fuga o modo túnel en una fibra óptica o guía de ondas es un modo que tiene un campo eléctrico que decae en forma monótona para una distancia finita en la dirección transversal pero llega a ser oscilatorio en todas partes más allá de esa distancia finita. Dicho modo "se fuga" gradualmente fuera de la guía de onda a medida que viaja en ella, produciendo atenuación aún si la guía de onda es perfecta. A fin de poder definir al modo de fuga como un modo, la amplitud relativa de la parte oscilatoria (la tasa de fuga) deba ser  suficientemente pequeña de forma que el modo mantenga substancialmente su forma mientras decae. Desde el punto de vista de la terminología de la óptica geométrica el modo de fuga corresponde a los rayos que se fugan. Los modos de fuga son similares a los rayos de fuga. Los modos de fuga pierden potencia a medida que se propagan a lo largo de la fibra. Para que un modo permanezca dentro del núcleo, el modo debe resolver ciertas condiciones de límite. Un modo permanece en los límites si la constante de propagación b cumple la siguiente condición de límite.

Donde n1 y n2 son los índices de refracción para el núcleo y el revestimiento, respectivamente. Cuando la constante de propagación llega a ser menor que 2/, la potencia se escapa fuera del núcleo y penetra en el revestimiento. En general, los modos de fuga en el revestimiento se pierden en algunos centímetros. Sin embargo, el modo de fugas puede transportar una cantidad grande potencia en fibras cortas.

Frecuencia normalizada La frecuencia normalizada es una cantidad sin dimensión, obtenida tomando la relación entre una frecuencia real y un valor de referencia, o un valor nominal. En una fibra, la frecuencia normalizada, V se expresa con:

Donde a es el radio del núcleo,  es la longitud de onda en el vacío, n1 es el índice de refracción máximo del núcleo, y n2 es el índice de refracción del revestimiento homogéneo. En fibra óptica multimodo que tienen un perfil de índice de refracción dado, la cantidad aproximada de modos límite viene dado por 

Donde V es la frecuencia normalizada, la cuál debe ser mayor que 5, y g es el parámetro del perfil. Para una fibra de salto de índice, el volumen de modo viene dado por V²/2. Para trabajo en monomodo V < 2.405. Parámetro del perfil. (g): En el perfil de índice de ley de potencia de una fibra óptica, el parámetro, g, define la forma del perfil del índice refractivo. Nota: El valor óptimo de g para una dispersión mínima es aproximadamente 2.

Para una fibra de salto de índice, el volumen del modo (el número de modos límite que una fibra óptica es capaz de soportar) viene dado por V²/2. Para operación monomodo, V < 2.405. También el número V es la relación entre la frecuencia real y un valor de referencia, y la relación entre una frecuencia real y su valor nominal.

Longitud de onda de corte Para un modo dado, un cambio en la longitud de onda puede evitar que el modo se propague a lo largo de la fibra. El modo no es un límite a la fibra. El modo se dice estar cortado. Los modos que están limitados en una longitud de onda pueden no existir en longitudes de onda más largas. La longitud de onda a la cual un modo deja de estar limitado se llama longitud de onda de corte para dicho modo. Sin embargo, una fibra óptica puede siempre propagar por lo menos un modo.  A este modo se lo llama modo fundamental de la fibra. El modo fundamental no se debe cortar nunca. La longitud de onda que evita que el modo superior siguiente se propague se llama longitud de onda de corte de la fibra. Una fibra óptica que funciona por  encima de la longitud de onda de corte (en una longitud de onda superior) se llama fibra monomodo. Una fibra óptica que funciona por  debajo de la longitud de onda de corte se llama fibra multimodo. Más adelante en esta lección se discute el funcionamiento de las fibras monomodo y multimodo.

Modo transversal en las fibras ópticas El campo magnético tiene la dirección de la propagación. Otro tipo de modo transversal es el modo transversal magnético (TM). Los modos TM son opuestos a los modos TE. En los modos TM, el campo magnético es perpendicular a la dirección de propagación. El campo eléctrico está en la dirección de propagación. Los patrones de campo del modo TE indican el orden de cada modo. El orden de cada modo viene indicado por la cantidad de máximos del campo dentro de núcleo de la fibra.

Por ejemplo, TE0 tiene máximos de un campo. El campo eléctrico tiene un máximo en el centro de la guía de onda y decae hacia el límite del núcleorevestimiento. TE0 se considera el modo fundamental o la onda estacionaria de orden inferior. A medida que la cantidad de máximos del campo aumenta, el orden del modo es más alto. Generalmente, los modos con más de algunos máximos del campo (5-10) se refieren como modos de orden superior.

Tipos de fibras ópticas Las fibras ópticas se han convertido en una parte de nuestras vidas, pues tienen una amplia variedad de aplicaciones, especialmente en sistemas de telecomunicaciones, e institutos médicos. El uso más simple de fibras ópticas es la transmisión de la luz a desde y hacia lugares que de otra manera sería muy difícil alcanzar. Otra aplicación ampliamente usada es la transmisión de imágenes por fibras ópticas en equipos médicos para ver dentro del cuerpo humano, especialmente en partos, para la cirugía con láser, y otras aplicaciones como en sistemas de facsímil, y gráficos de computadora.

Sistemas de telecomunicaciones Este sistema permite ampliar la red de teléfono a lo largo de muchas edificaciones. Es tan simple como conectar un bastidor de expansión remoto desde la base del bastidor, con cables de fibra óptica.

Institutos médicos Por ejemplo tratamiento del cáncer con el uso de una droga sensible a la luz y un haz láser  para destruir las células de cáncer.

Tipos de fibras ópticas Las fibras ópticas se fabrican en tres tipos principales: multimodo de salto de índice, multimodo de índice gradual, y monomodo.

Fibra óptica multimodo de salto de índice La fibra óptica multimodo de salto de índice debido a su gran diámetro es fácil de empalmar y terminar. Comparada con otros tipos es relativamente barata de fabricar. Sin embargo, tiende a ser demasiada lenta para la mayoría de los propósitos y prácticamente desapareció de los sistemas modernos.

Estas fibras tienen el rango más grande de tamaños de núcleo (50 a 1500 micrones), y se encuentran disponibles para las mejores relaciones de eficiencia de núcleo a revestimiento. Consecuentemente, pueden aceptar luz de un rango muy amplio de ángulos. Cuanto más amplio es el ángulo de aceptación, sin embargo, más larga es la trayectoria de la luz para un rayo dado. La existencia de muchas trayectorias distintas a través de la fibra causa que los pulsos de la señal se "diseminen ", haciendo este tipo de fibra inadecuado para las telecomunicaciones. Debido a su gran diámetro del núcleo, son la mejor opción para iluminación, colección, y uso en paquetes como guías de luz.

Fibra óptica multimodo de índice gradual La fibra óptica multimodo de índice gradual se construye de modo tal que el índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento varía gradualmente. Esto

hace que los rayos de luz doblen gradualmente. El patrón resultante de reflexiones tiende a ser más uniforme, reduciendo la dispersión. Esto suministra un rendimiento mejorado para un aumento moderado en el costo. Las fibras de índice gradual proveen un ancho de banda mucho más amplio que las de de salto de índice.

Estas fibras tienen la siguiente gama más grande del tamaño de núcleo (50 100 micrones). El núcleo de índice gradual tiene una tendencia a doblar rayos de ángulos entrantes más amplios a través de una curva más aguda. Esto da lugar a menor difusión de pulso que con las fibras de salto de índice, se usa frecuente en la comunicación en casos de poco alcance. En general no se los ata debido a las dificultades de obtenerlos en protectores apropiados.

Fibras monomodo Las fibras monomodo de las tres, son las que mejor rendimiento tienen. Se las fabrica usando una fibra de diámetro muy bajo (típicamente 8 um), cuando se introduce la luz en la fibra, las reflexiones se mantienen a un mínimo por las dimensiones del núcleo. Virtualmente la luz viaja derecho a través del núcleo y los pulsos introducidos en un extremo se reproducen en el otro extremo con muy poca dispersión. Típicamente, las fibras monomodo transportan señales con longitud de ondas de 1320 nm o 1550 nm. La fibra monomodo es relativamente más costosa, y es más difícil de empalmar y de terminar puesto que el núcleo se debe alinear con mucha exactitud.

Estas fibras tienen el rango más pequeño de tamaños de núcleo (micrón 5-10). Su pequeño tamaño los hace difíciles de manipular, así que su revestimiento es más grueso. Se transmite en único modo y se evita la dispersión multimodal, con muy poca atenuación, y con un ensanchamiento muy pequeño del pulso en

una longitud de onda predeterminada (generalmente cercana al IR). Estas fibras permiten transmitir elevadas tasas de bit y alcanzar grandes distancias, pues requieren pocas repetidoras. Tienen ángulos de aceptación intrínsecamente pequeños, así que no se usan en aplicaciones que requieren colección de luz.

Transmisión de la luz a través de fibras ópticas

La transmisión de la luz a lo largo de fibras ópticas depende no sólo de la naturaleza de la luz, sino también de la estructura de la fibra óptica. Dos métodos se usan para describir cómo la luz se transmite a lo largo de la fibra óptica. El primer método, teoría del rayo, usa los conceptos de la reflexión y refracción de la luz. El segundo método, teoría de modo, trata a la luz como ondas electromagnéticas. Primero debemos entender las propiedades ópticas básicas de los materiales usados para hacer fibras ópticas. Estas propiedades indican cómo se transmite la luz a través de la fibra.

Propiedades de la transmisión de fibra óptica Los principios de la transferencia de la luz a lo largo de una fibra óptica se discutieron anteriormente en este capítulo. Estudió acerca de cómo la propagación de la luz depende de la naturaleza de la luz y de la estructura de la fibra óptica. Sin embargo, no se describió cómo las fibras ópticas afectan al rendimiento del sistema. En este caso, el rendimiento del sistema se ocupa de las pérdidas y del ancho de banda de la señal. La pérdida de la señal y el ancho de banda del sistema describen la cantidad de datos transmitidos sobre una longitud especificada de fibra. Muchas propiedades de la fibra óptica aumentan la pérdida de la señal y reducen el

ancho de banda del sistema. Las propiedades más importantes que afectan al rendimiento del sistema son la atenuación y la dispersión de la fibra.

Propiedades de la transmisión de fibra óptica

La atenuación reduce la cantidad de potencia óptica transmitida por la fibra. La atenuación controla la distancia que una señal óptica (pulso) puede viajar  según se ve en la figura. Cuando se reduce la potencia de un pulso óptico a un nivel tal que el receptor no la puede detectar se produce un error. La atenuación es principalmente el resultado de la absorción de la luz, la dispersión, y pérdidas de curvatura. La dispersión disemina el pulso óptico a medida que viaja a lo largo de la fibra. Esta diseminación del pulso de la señal reduce el ancho de banda del sistema o la capacidad de la fibra de transportar información. La dispersión limita con qué velocidad se transfiere la información, según se ve en la figura. Cuando el receptor no puede distinguir entre los pulso de entrada causado por la diseminación de cada pulso se produce un error. Los efectos del aumento de la atenuación y de la dispersión a medida que el pulso viaja a lo largo de la fibra.

Los pulsos se diseminan y pierden potencia a lo largo de la fibra óptica

 Además de la atenuación y de la dispersión de la fibra, otras propiedades de la fibra óptica afectan al rendimiento del sistema. Las características de la fibra, tales como ruido modal, ensanchamiento del pulso, y polarización, reducen el rendimiento funcionamiento del sistema. El ruido modal, el ensanchamiento del pulso, y la polarización son temas demasiado complejos para discutir como material de nivel prelimi nar. Sin embargo, es muy importante saber que la atenuación y la dispersión no son las únicas características de la fibra que afectan a su rendimiento.

Construcción del cable Como en el alambre de cobre, el cable de fibra óptica se encuentra disponible en una amplia variación física. Hay construcciones de conductores simples y múltiples, de tipo subterráneos, para el uso aéreo, e incluso de tipo militar ultrarugoso cables tácticos que pueden soportar severos abusos mecánico. El cable que uno elige, por supuesto, depende de la aplicación. Estas fibras están protegidas por una construcción interna que es única al cable de fibra óptica. Los dos esquemas más comunes de la protección que se usan hoy en día es incluir la fibra minúscula en un tubo apropiado flojo, tipo adherente, o cubrir la fibra con una capa ajustable de amortiguación, tipo suelto.

Tubo ajustable

En el método del tubo suelto, la fibra está adjuntada a un tubo adherente plástico que es más grande en diámetro interno que el diámetro externo de la fibra misma. Este tubo se llena a veces de un gel siliconado para prevenir la acumulación de humedad. Puesto que la fibra básicamente está libre "flotando" dentro del tubo, las fuerzas mecánicas que actúan en el exterior del cable en general no llegan a la fibra. El cable para ductos tipo suelto (tubo ajustable) tiene mucha tolerancia a los esfuerzos axiales del tipo que se encuentra cuando se debe tirar a través de los conductos o donde hay presente tensión mecánica constante por ejemplo los cables empleados para el uso aéreo. Puesto que la fibra no está bajo ninguna tensión significativa, los cables de tubo suelto (LOOSE BUFFER) tienen pérdidas de atenuación óptica más bajas.

Cables tipo adherente o apretada (TIGHT BUFFER) En la construcción del tight buffer, una capa gruesa de un plástico especial se aplica directamente al exterior de la fibra misma. Esto da lugar a un diámetro total más pequeño que del cable entero, y que es más resistente al aplastamiento o a fuerzas de impacto. Porque la fibra no está libre “flotando”, la

fuerza de tensión no es tan grande. El cable tipo tight buffer es más liviano y flexible y se usan para aplicaciones menos severas, tales como internas en edificios o para interconectar piezas individuales de equipos.

Tamaños de fibras ópticas El estándar internacional para el diámetro de revestimiento de fibras ópticas es 125 micrones (um). Esta compatibilidad es importante pues permite que las fibras se adapten a los conectadores y empalmes estándares, y permite que se usen herramientas estándares. Las diferencias entre fibras residen en el tamaño del núcleo, la región que transporta la luz de la fibra. Las fibras monomodo estándar se fabrican con el tamaño de núcleo más pequeño, aproximadamente un diámetro de 810 um. Con su mayor capacidad para transportar información, la fibra monomodo se usa para aplicaciones que necesitan un ancho de banda muy grande y largas distancias. Las fibras multimodo están disponibles en varios tamaños de núcleo. Los tamaños más usados son 50 um y 62.5 um. Tamaños más grandes de núcleo tienen mayor  ancho de banda y generalmente son más fáciles de acoplar y de interconectar.

Conectores de fibra óptica Los conectadores de fibra óptica necesariamente deben ser fáciles de conectar  (plug-and-play) y de conexiones desprendibles, que se puedan quitar con facilidad, aún su diseño es un desafío puesto que la luz se mueve eficientemente entre los conductos ofreciendo muchos obstáculos mecánicos y ópticos. Los conectadores son difíciles de poner implementar, puesto que se deben alinear en extremo con un elemento opto electrónico pequeño o con otra fibra. Además, los conectadores se deben poder usar por personal inexperto y deben ser muy baratos.

Resumen  Ahora que terminó esta lección, repasemos algunos de los conceptos, y de las ideas que aprendimos, prepárese para responder algunas preguntas para evaluar su conocimiento. Antes de avanzar a la lección siguiente debe tener un conocimiento muy claro de estos principios.