Fibra óptica: comprensión de los conceptos básicos

Nada ha cambiado tanto el mundo de las comunicaciones como el desarrollo e implantación de la fibra óptica. Este artículo proporciona los principios básicos necesarios para trabajar con esta tecnología.
 

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Las fibras ópticas están hechas de vidrio o plástico. La mayoría tienen aproximadamente el diámetro de un cabello humano y pueden medir muchos kilómetros de largo. La luz se transmite a lo largo del centro de la fibra de un extremo al otro y se puede imponer una señal. Los sistemas de fibra óptica son superiores a los conductores metálicos en muchas aplicaciones. Su mayor ventaja es el ancho de banda. Gracias a la longitud de onda de la luz, es posible transmitir una señal que contiene mucha más información que la que es posible con un conductor metálico, incluso un conductor coaxial. Otras ventajas incluyen:

• Aislamiento eléctrico: la fibra óptica no necesita conexión a tierra. Tanto el transmisor como el receptor están aislados entre sí y, por lo tanto, no tienen problemas de bucle de tierra. Además, no hay peligro de chispas o descargas eléctricas.

• Libre de EMI: la fibra óptica es inmune a las interferencias electromagnéticas (EMI) y no emiten radiación que pueda causar otras interferencias.

• Baja pérdida de energía: esto permite tendidos de cable más largos y menos amplificadores repetidores.

• Más ligera y más pequeña: la fibra pesa menos y necesita menos espacio que los conductores metálicos con capacidad de transporte de señales equivalente.

El alambre de cobre es aproximadamente 13 veces más pesado. La fibra también es más fácil de instalar y requiere menos espacio en los conductos.

Aplicaciones

Algunas de las principales áreas de aplicación de las fibras ópticas son:

• Comunicaciones: la transmisión de voz, datos y video son los usos más comunes de la fibra óptica y estos incluyen:

– Telecomunicaciones
– Redes de área local (LAN)
– Sistemas de control industriales
– Sistemas de aviónica
– Sistemas militares de mando, control y comunicaciones.

• Detección: la fibra óptica se puede utilizar para enviar luz desde una fuente remota a un detector para obtener presión, temperatura o información espectral. La fibra también se puede utilizar directamente como transductor para medir una serie de efectos ambientales, como tensión, presión, resistencia eléctrica y pH. Los cambios ambientales afectan la intensidad, la fase y/o la polarización de la luz de maneras que pueden detectarse en el otro extremo de la fibra.

• Entrega de energía: las fibras ópticas pueden ofrecer niveles notablemente altos de energía para tareas como corte por láser, soldadura, marcado y perforación.

• Iluminación: un haz de fibras reunidas con una fuente de luz en un extremo puede iluminar áreas de difícil acceso, por ejemplo, el interior del cuerpo humano, junto con un endoscopio. Además, se pueden utilizar como rótulo de exposición o simplemente como iluminación decorativa.

 

Figura 1. Una fibra óptica consta de un núcleo, un revestimiento y un revestimiento..

 

Construcción

Una fibra óptica consta de tres elementos concéntricos básicos: el núcleo, el revestimiento y el revestimiento exterior (Figura 1).

El núcleo suele estar fabricado de vidrio o plástico, aunque en ocasiones se utilizan otros materiales, dependiendo del espectro de transmisión deseado.

El núcleo es la porción de la fibra que transmite la luz. El revestimiento suele estar hecho del mismo material que el núcleo, pero con un índice de refracción ligeramente menor (normalmente alrededor de un 1% menos). Esta diferencia de índice hace que se produzca una reflexión interna total en el límite del índice a lo largo de la fibra, de modo que la luz se transmite a lo largo de la fibra y no se escapa a través de las paredes laterales.

 

 

Figura 2.Un haz de luz que pasa de un material a otro con un índice de refracción diferente se desvía o refracta en la interfaz.

El recubrimiento normalmente comprende una o más capas de un material plástico para proteger la fibra del entorno físico. A veces se añaden fundas metálicas al revestimiento para mayor protección física.

Las fibras ópticas generalmente se especifican por su tamaño, dado como el diámetro exterior del núcleo, el revestimiento y el revestimiento. Por ejemplo, 62,5/125/250 se referiría a una fibra con un núcleo de 62,5-μm de diámetro, un revestimiento de 125-μm de diámetro y 0,{{8} Revestimiento exterior de } mm de diámetro.

 

 

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Principios

Los materiales ópticos se caracterizan por su índice de refracción, denominado n. El índice de refracción de un material es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el material. Cuando un haz de luz pasa de un material a otro con un índice de refracción diferente, el haz se dobla (o refracta) en la interfaz (Figura 2).

La refracción se describe mediante la ley de Snell:

dónden_Iyn_Rson los índices de refracción de los materiales a través de los cuales se refracta el haz yIyRson los ángulos de incidencia y refracción del haz. Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico para la interfaz (normalmente alrededor de 82 grados para las fibras ópticas), la luz se refleja nuevamente en el medio incidente sin pérdida mediante un proceso conocido como reflexión interna total (Figura 3).

Figura 3.La reflexión interna total permite que la luz permanezca dentro del núcleo de la fibra.

 

Vea un vídeo de definición de reflexión interna total.

Modos

Cuando la luz se guía a través de una fibra (como las microondas se guían a través de una guía de ondas), se producen cambios de fase en cada límite reflectante. Existe un número finito y discreto de caminos a lo largo de la fibra óptica (conocidos como modos) que producen cambios de fase constructivos (en fase y por lo tanto aditivos) que refuerzan la transmisión. Debido a que cada modo ocurre en un ángulo diferente con respecto al eje de la fibra a medida que el haz viaja a lo largo de la longitud, cada uno viaja una longitud diferente a través de la fibra desde la entrada hasta la salida. Sólo un modo, el modo de orden cero, recorre la longitud de la fibra sin reflejos en las paredes laterales. Esto se conoce como fibra monomodo. El número real de modos que se pueden propagar en una fibra óptica determinada está determinado por la longitud de onda de la luz y el diámetro e índice de refracción del núcleo de la fibra.
 

Existen varias causas de atenuación en una fibra óptica:

 

• Dispersión de Rayleigh: las variaciones a escala microscópica en el índice de refracción del material del núcleo pueden causar una dispersión considerable en el haz, lo que lleva a pérdidas sustanciales de potencia óptica. La dispersión de Rayleigh depende de la longitud de onda y es menos significativa en longitudes de onda más largas. Este es el mecanismo de pérdida más importante en las fibras ópticas modernas y generalmente representa hasta el 90% de cualquier pérdida que se experimente.

 

• Absorción: los métodos de fabricación actuales han reducido la absorción causada por las impurezas (sobre todo el agua en la fibra) a niveles muy bajos. Dentro del paso de banda de transmisión de la fibra, las pérdidas por absorción son insignificantes.

• Doblado: los métodos de fabricación pueden producir curvaturas diminutas en la geometría de la fibra. A veces, estas curvaturas serán lo suficientemente grandes como para hacer que la luz dentro del núcleo golpee la interfaz núcleo/revestimiento en un ángulo menor que el crítico, de modo que la luz se pierda en el material de revestimiento. Esto también puede ocurrir cuando la fibra se dobla en un radio estrecho (menos de, digamos, unos pocos centímetros). La sensibilidad a la curvatura suele expresarse en términos de pérdida dB/km para un radio de curvatura y una longitud de onda concretos.

 

 

Figura 4.La apertura numérica depende del ángulo con el que los rayos entran en la fibra y del diámetro del núcleo de la fibra.

 

Tipos de fibra

Básicamente, existen tres tipos de fibra óptica: monomodo, índice graduado multimodo e índice escalonado multimodo. Se caracterizan por la forma en que la luz viaja a lo largo de la fibra y dependen tanto de la longitud de onda de la luz como de la geometría mecánica de la fibra. En la Figura 5 se muestran ejemplos de cómo propagan la luz.

 

 

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