lunes, 15 de febrero de 2010

FUNDAMENTOS DE FIBRA ÓPTICA

Composición

Una fibra óptica consiste en dos regiones concéntricas. La región interna es un filamento transparente llamado núcleo, cuyo diámetro suele estar comprendido entre 8 y 600 micras dependiendo del tipo de fibra óptica, y su índice de refracción es superior a la región externa. La región exterior consiste de un revestimiento de cuarzo o plástico al igual que el núcleo. Resultando que la luz inyectada en un extremo de la fibra, dentro de un determinado ángulo conocido como abertura numérica, es totalmente reflejada cada vez que incide en límite del núcleo/revestimiento. La luz continua reflejándose múltiples veces a través de la fibra por esta reflexión interna total, hasta que sale por el otro extremo (Figura 6).
El revestimiento se encuentra rodeado de una tercera capa, la cubierta protectora, de material plástico.


Mecanismos ópticos básicos

La figura 7 muestra una fuente luminosa (una linterna) situada para iluminar el extremo final de un tubo, del cual asumimos que su superficie interna es reflectante. Observe que el haz luminoso es divergente, entonces no todos los rayos serán acoplados en el interior del tubo. Bajo estas condiciones hay una pérdida de energía en el extremo final del tubo.


Figura 7

En la figura 8 se inserta una lente entre la fuente luminosa y el tubo para enfocar la luz en un haz más estrecho. Aunque el diámetro interior del tubo no ha variado, ahora se acopla más energía dentro del tubo y llega más energía al final del tubo.


Por lo tanto, cualquier fuente luminosa que emita un haz estrecho de luz puede acoplarse dentro de una guía luminosa (o sea, el tubo) de forma eficiente. El término que describe la capacidad de recoger luz de una guía luminosa es la abertura numérica (NA) la cual se aplica en fibras ópticas.
Propagación.

A las ondas luminosas se les referencia por su longitud de onda, que está relacionada con la frecuencia mediante la expresión λ= c/f, donde λ es la longitud de onda, c la velocidad de la luz y f es la frecuencia.

Como la luz es una forma de onda electromagnética, sus propiedades han de ser descritas a partir de las ecuaciones de Maxwell. El método riguroso de cálculo de la intensidad y la fase de una onda luminosa implica, entonces, utilizar dichas ecuaciones. Ahora bien, debido a que la longitud de ondas de las ondas electromagnéticas que se propagan (infrarrojo y visible) es muy pequeña, el estudio de la propagación en el interior de la fibra puede efectuarse con el modelo simplificado de rayos luminosos y leyes de la óptica geométrica.

De esta forma, el estudio de la llegada de la onda o rayo luminosos a la superficie de separación entre dos medios con diferente índice de refracción, se puede realizar de dos formas:

a) Como una onda óptica, donde deberá resolverse la ecuación de onda, la cual impone las condiciones de contorno.

b) Como un rayo luminoso, mediante la ley de Snell y la reflexión total.

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En este manual, así como en las prácticas, utilizaremos el modelo de los rayos, pero no ha de olvidarse que el modelo que utilizamos es simplificado y no siempre nos lleva a las conclusiones válidas.

Ley de Snell, índice de refracción

Cuando la luz pasa de un medio a otro cambia de velocidad. Introduciéndose una deflexión en los rayos de luz denominada refracción. El término que define esta característica de un medio es el índice de refracción. El índice de refracción de un medio se define como la relación entre la velocidad de la onda luminosa en el vacío (c) y la velocidad de la onda luminosa propagada en el medio (v).

El índice de refracción en el vacío es 1,0 y en el aire es 1,003. frecuentemente generalizado a 1,0. En el vidrio el índice de refracción es 1,5.

Cuando la luz viaja en un medio denso, la velocidad de la luz (velocidad de propagación) disminuye pasando a ser v. Cuando se divide la velocidad de la luz en el vacío c, por la velocidad de la luz en un medio denso v, da el índice de refracción:
n=c/v

Los índices de refracción se utilizan en el diseño de las fibras ópticas. Para comprender bien los mecanismos de refracción dentro de la fibra es útil revisar el principio básico de la óptica: la ley de Snell.
n1 senθ1 =n2 sen2


La ley de Snell mostrada en la figura 9 afirma que cuando incide un rayo luminoso sobre una superficie de separación entre dos medios de distinto índice de refracción n, el rayo que viaja por el medio más denso (índice de refracción más alto) es parcialmente reflejado y parcialmente refractado.


Si el ángulo θ1 aumenta, el ángulo θ2 del rayo refractado también aumenta. Habrá un ángulo de incidencia que provocará θ2 igual a 90o, produciéndose la reflexión total; esto es, toda la luz refleja hacia el medio más denso y no hay refracción hacia el medio menos denso.

Así, dependiendo de las constantes de refracción de los materiales, existe un ángulo máximo θ1 = θmáx (determinado cuando θ2 = 90o) de incidencia de la luz sobre el extremo de la fibra para el cual toda la luz incidente se propaga.
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Este ángulo máximo de entrada, expresado en función del ángulo complementario es:
αmáx = arc cos12nn
denominado ángulo de aceptación, αmáx, y su seno se conoce como apertura numérica (NA):

NA = sen αmáx

Entonces, en el caso de la fibra óptica (compuesta por el núcleo y el revestimiento), cualquier onda que entre con un ángulo mayor que el de aceptación escapará a través del revestimiento.

Apertura numérica

La apertura numérica denota el ángulo máximo de incidencia, αmáx con el cual toda la luz incidente es propagada por el interior de la fibra sin que se produzca refracción, solo hay rayo reflejado. Es lo que se denomina el fenómeno de la reflexión total, que constituye el principio fundamental para entender el comportamiento de la fibra como una guía de ondas. Para un ángulo superior de incidencia se perderá la luz incidente por refracción.
El concepto de apertura numérica se usa para describir la potencia colectora de luz de la fibra y para calcular la eficiencia de acoplo fuente/fibra. Está definido como:


NA = sen máx = raiz(Nn2-Nr2)

donde αmáx representa el máximo ángulo de aceptación y nn es el índice de refracción del núcleo y nr es el índice de refracción del revestimiento.
Interesa que la apertura numérica sea grande para aprovechar mejor la fuente luminosa. Valores típicos de la apertura se encuentran alrededor de 0,2, equivalente aun ángulo máximo de 11o (o sea, en total: 22 grados)

En la figura 11 está representada una fibra óptica en la que inciden distintos rayos de luz. El rayo R1 incide en la fibra con un ángulo igual al ángulo de aceptación. Para ángulos mayores, caso del R3, el rayo escapa de la fibra óptica.


La fibra óptica está constituida por tres partes: la interior, denominada núcleo, la exterior revestimiento y un recubrimiento de protección alrededor del revestimiento. Tanto el núcleo como el revestimiento son de vidrio (o de material plástico). El núcleo tiene un índice de refracción superior al del revestimiento. Debido a esta diferencia de índice, la luz transmitida se mantiene y propaga a través del núcleo, satisfaciéndose el principio de reflexión total interna, siempre que se verifique que αincidencia≤ α máx.
Las ondas luminosas deben entrar en la fibra dentro de un cierto ángulo, llamado ángulo de aceptación. Cualquier onda que entre según un ángulo mayor escapará a través del revestimiento. Este ángulo está definido por la apertura numérica NA.
Modos de propagación
Las figuras 7 y 8 muestran otro fenómeno óptico de las fibras ópticas. Sea cual sea la divergencia del haz incidente, algunos rayos se propagarán directamente a través del eje longitudinal del tubo. Este camino de propagación está indicado, en la figura, como una línea sólida, y la longitud del camino de transmisión a través de esta línea (el eje óptico del tubo) es la distancia más corta a través del tubo. Este camino representa un modo de propagación de la luz dentro del tubo.
La figura 7 también muestra que algunos rayos entran en el tubo con un cierto ángulo (las líneas punteadas). Si el interior del tubo es reflejante, los rayos son reflejados por la superficie reflejante interior y son propagados a través del tubo en una sucesión de reflexiones. En función del ángulo de entrada el número de reflexiones será menor o mayor, y por ello la longitud recorrida por el rayo será menor o mayor respectivamente. Los modos de propagación representan los diferentes caminos posibles de las ondas luminosas viajando a través de la fibra óptica.
En la figura 8 los modos de propagación se identifican de orden alto y bajo. Esta distinción designa a los modos de orden alto a los que tienen los caminos de transmisión más largos, ya los de orden bajo a los que tienen caminos cortos. El modo axial es el camino de transmisión más corto posible y generalmente se le denomina como modo fundamental.

TIPOS DE FIBRA ÓPTICA


Dependiendo del tipo de propagación de la señal luminosa en el interior de la fibra, éstas se clasifican en los siguientes grupos:

- Multimodo
- Monomodo

En una fibra monomodo, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo, que mide alrededor de 10 micras de diámetro. Las fibras multimodo tienen núcleos entre 50 y 1000 micras. Las fibras monomodo son más eficaces a largas distancias, pero el pequeño diámetro del núcleo requiere un alto grado de precisión en la fabricación, empalme y terminación de la fibra.
La fibra óptica también se clasifica en función del índice de refracción, siendo de dos tipos:
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- Salto de índice
- Índice gradual
En las fibras de índice gradual, el índice de refracción es inferior en las proximidades del revestimiento que en el eje de la fibra. Las ondas luminosas se propagan ligeramente más lentas en las proximidades del eje del núcleo que cerca del revestimiento.
Atendiendo al material de la fibra, éstas pueden clasificarse:
- Fibras de vidrio
- Fibras de material plástico
Estas últimas se utilizan para comunicaciones a muy cortas distancias. Suelen emplearse para interconexión de equipos situados en un mismo edificio, conexión de equipos digitales de audio y en pequeñas redes de ordenadores.
Dentro de las dos primeras clasificaciones generales (tipo de propagación e índice de refracción), tenemos tres tipos básicos de fibra óptica:
- Fibra multimodo de salto de índice
- Fibra multimodo de índice gradual
- Fibra monomodo
Generalmente se utilizan las fibras multimodo en la primera y segunda ventanas, y monomodo en la segunda y tercera ventanas.
Fibra multimodo de salto de índice.
El guiado de la señal luminosa está causado por la reflexión total en la superficie de separación entre le núcleo y el revestimiento. El índice de refracción presenta un perfil definido por la expresión siguiente:
n= n (1 + Δ)
(siendo el Δ incremento del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento)
En este tipo de fibra la apertura numérica, NA, puede aproximarse a la expresión:

NA = raiz(2*Δ)

valores típicos de NA se encuentran entre 0,2 y 0,5.
Las señales incidentes con un ángulo cuyo seno sea inferior a la apertura numérica provocan la aparición de multitud de modos (o dicho de forma más intuitiva de multitud de rayos y ángulos de reflexión) propagándose por el interior de la fibra (Figuras 12 y 13). Esta es la razón del término multimodo para describir el tipo de fibra.
El núcleo de este tipo de fibras tiene un diámetro entre 50 a 1000 μm. Este núleo tan grande implica que se propaguen varios modos. Los diferentes caminos dan lugar a la dispersión modal, o sea, el ensanchamiento temporal de la luz cuando viaja a través de la fibra. La dispersión es un mecanismo que limita el ancho de banda o la cantidad de información que la fibra es capaz de transportar.


Estas fibras pueden clasificarse a su vez en función de su composición:
- Vidrio/Vidrio: cubierta y núcleo de vidrio.
- Plástico/Vidrio: cubierta de plástico y núcleo de vidrio.
- Plástico/Plástico: cubierta y núcleo de plástico.
Este tipo de fibras son las más utilizadas en enlaces de distancias cortas, hasta 1 km. y su aplicación más importante está en las redes locales.
Fibra multimodo de índice gradual.
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En este caso el cambio de índice de refracción en el interior de la fibra es gradual, lo que provoca una propagación ondulada del rayo de luz (figura 16b).
Las fibras de índice gradual comprometen la eficiencia en el acoplo para tener mayor ancho de banda. Se hace esto dando al núcleo un índice de refracción no uniforme en todo su perfil.
La variación del índice de refracción en el perfil de la fibra da lugar a que la luz se propague según una trayectoria curva, en lugar de a tramos rectos como en las fibras de salto de índice. El mayor recorrido del rayo se compensa por la mayor velocidad de propagación (V=c/n) en la región exterior del núcleo.
En estas fibras el ángulo de aceptación depende de la distancia al eje del núcleo, siendo máximo en el centro y cero en la frontera con el revestimiento. Sin embargo, la apertura numérica (NA) de las fibras de índice gradual se define de la misma forma que en las de salto de índice:

NA = sen máx = raiz(Nn2-Nr2)
la NA tiene un valor típico de 0,2 para estas fibras.
La mayoría de las fibras de índice gradual tienen un núcleo con diámetro de entre 50 μm y un revestimiento con 125 μm de diámetro.
Estas fibras provocan menos modos de propagación que las de salto de índice, reduciéndose la dispersión, y con ello un aumento del ancho de banda. Estas fibras son empleadas hasta distancias de 10 km.

Fibras monomodo.
Cuando se requieren anchos de banda muy grandes se usan fibras monomodo. Estas fibras, en su construcción más simple, son iguales a las multimodo de salto de índice, solo que el diámetro del núcleo es muy pequeño (5-12 μm), pudiéndose propagar un sólo modo.
La dispersión modal es muy baja, alrededor de solo decenas de picosegundos (10 a la -12 segundos) por kilómetro, con lo que los anchos de banda son excepcionales y las pérdidas bajas, siendo adecuadas para largas distancias o comunicaciones de alta velocidad. 12−


Es el caso conceptualmente más simple, ya que se trata de una fibra de salto de índice pero de un diámetro del núcleo tan pequeño (inferior a 10 micras) que solo permite la propagación de un modo, el fundamental (Figura 16.c).
Este tipo de fibra es el que permite obtener mayores prestaciones y se usa en enlaces de gran distancia. Estas fibras presentan no obstante, algunas desventajas como la mayor dificultad para inyectar la señal luminosa a la fibra (apertura numérica típica de 0.1 @ ángulo de incidencia de 12o), mayor sensibilidad a errores mecánicos, malos tratos, empalmes defectuosos, etc. La dificultad de inyección de señal se soluciona utilizado fuentes de luz láser.



TRANSMISIÓN DE LUZ EN LAS FIBRAS ÓPTICAS ispersión modal. Interferencia intersimbólica. Dispersión cromática ispersión Modal Si consideramos que aplicamos a una fuente luminosa una señal digital ("1 " y "0") ésta ntra emitiendo (suponemos que ala Entonces, un instante de tiempo después, los otros rayos luminosos que se han ra la señal aplicada ala fuente luminosa pasa de "1" a "0", todos los rayos de ás lentos (los modos oducción de la señal eléctrica
D
D
conmutará entre encendido y apagado. Interesará obtener en el extremo del sistema de comunicaciones una reproducción fiel de la señal eléctrica original. Esto significa que la señal reproducida deberá tener las mismas características de duración de los tiempos de "1" y "0", o la misma secuencia de transiciones, o ambas. Si en un instante dado, la fuente luminosa se encue
entrada tenemos una señal eléctrica "1"), todos los rayos de luz de todas las frecuencias de las ondas luminosas se estarán emitiendo simultáneamente. Suponiendo, entonces, que todos los rayos se propagan por el tubo, como en la figura 8. Entonces los rayos de luz que llegan primero al final del tubo son los que se propagan en el modo fundamental y consecuentemente viajan por el camino más corto: a través del eje axial del tubo. Si en el extremo del tubo se acopla un detector óptico, el detector percibe la presencia de estos rayos y genera una señal eléctrica en su salida ("1").
propagado reflejándose a través del tubo llegarán al detector y serán percibidos por éste. Pero la señal eléctrica del detector ya está presente ("1") debido a los primeros rayos que se propagaron por el eje axial, entonces no ocurre ningún cambio en la salida eléctrica del detector. Si aho
todas las frecuencias de las ondas luminosas se extinguirán en el mismo instante de tiempo. La reacción más rápida, a esta extinción, llegará al extremo final como una pérdida de luz mediante los rayos que se propagan por el eje axial (modo fundamental), son los rayos que recorren menos distancia. Pero como en el detector aún llegarán rayos luminosos de los modos más lentos, la salida del detector no cambiará inmediatamente. Después de un cierto tiempo, después de que los rayos luminosos m
de propagación con un orden más alto) atraviesen el tubo, al detector no le llegará energía luminosa, por lo que no proporcionará señal eléctrica ("0"). El resultado consiste en que no se obtiene una fiel repr
original. La señal eléctrica proporcionada por el detector tiene más duración que la original. Entonces, se dice que el pulso entregado por el detector se ha ensanchado o dispersado.


Este ensanchamiento es una forma de distorsión y se denomina dispersión modal en los sistemas de transmisión de ondas luminosas. Esta dispersión es debida por la multiplicidad de caminos de transmisión o de modos en el interior del tubo.
La dispersión modal es función del número de modos de propagación en el interior del tubo y de la longitud del tubo.

Interferencia Intersimbólica.

La distorsión de los pulsos, que se evidencia como un pulso de mayor período que el original, puede considerarse como que el pulso se ha extendido un período de tiempo muy corto. Esto es cierto en el caso de velocidades de transmisión muy bajas. Una leve extensión del período cuando tenemos luz, con relación al período cuando no tenemos luz es insignificante.
Pero en los sistemas de transmisión ópticos, la luz es pulsada a unas velocidades muy altas. En un sistema operando a 90 Mb/s. Por ejemplo, el período del pulso en que tenemos luz es solo de 6 a 10 ns, y esto que 90 Mb/s no es una velocidad muy alta hoy en día. La distorsión del pulso introducida puede consecuentemente ser un porcentaje significante del período del pulso en tales aplicaciones.
En las transmisiones de alta velocidad, más bits (pulsos) se transmiten por unidad de tiempo. Los pulsos tienden a ensancharse, como se ha indicado en el apartado de dispersión modal, y un pulso individual empieza a entrometerse en el espacio destinado a la "no presencia de pulso". Esto complica el proceso de determinar, en unos determinados instantes, si un pulso está presente o no. La intrusión de un pulso en el período de tiempo adyacente se llama interferencia intersimbólica, y se puede apreciar en la figura 17. Dicha distorsión puede provocar errores en los datos transmitidos.

Dispersión cromática o del material.

La dispersión modal limita el ancho de banda y con ello la velocidad de los datos. Adicionalmente a la dispersión modal, la dispersión cromática ocurre cuando la energía óptica se ensancha sobre un rango de λ, como ocurre con las fuentes LED. Este tipo de fuentes no tiene una única λ, sino que tiene un determinado ancho, espectral. Así, dentro de cada modo, las diferentes λ (de la misma fuente luminosa) viajan por el mismo camino, pero con diferentes velocidades de propagación (el índice de refracción varía con la λ), lo cual vuelve a causar un ensanchamiento de los pulsos. Este ensanchamiento será mayor a mayor longitud de la fibra. La dispersión cromática se puede reducir utilizando fuentes con un espectro muy estrecho. Incluso en las fibras monomodo, las velocidades de propagación varían en función de la longitud de onda.
Muchas fuentes luminosas producen luz que contiene energía en un número de λ alrededor de la λ central. La figura siguiente muestra el espectro típico de una fuente luminosa láser. Aunque la salida está centrada en 1,3 μm, hay contenido energético en las λ superiores y en las λ inferiores. Este elemento tiene un ancho de banda finito. Los diodos láser tienen unos anchos espectrales de alrededor de 4 nm, mientras que los LED tienen un espectro significantemente mucho mayor, del orden de 40 a 100 nm.
Aunque la fibra soporte solo un modo de propagación, la energía lanzada en el interior de la fibra incluye varias λ. A pesar de la uniformidad del índice de refracción núcleo de la fibra, las diferentes λ transitan en la fibra óptica a velocidades diferentes; así, un pulso de luz en el extremo final de la fibra se dispersará en el tiempo, o ensanchará, de la misma manera que las múltiples reflexiones ensanchan un pulso en una fibra multimodo.

La figura 19 muestra una curva típica de la dispersión de una fibra monomodo. Como en la dispersión modal, la dispersión cromática, o del material, no es la misma para todas las λ, siendo posible manipular los índices de refracción de los materiales del recubrimiento y del núcleo para minimizar la dispersión. También es posible seleccionar que las λ

emitidas coincidan con el mínimo de dispersión de la fibra en cuestión. La dispersión cromática puede reducirse (e incrementar la velocidad de transmisión de datos) cuando se utiliza una fuente luminosa monocromática muy estable con la frecuencia.


Atenuación

La dispersión modal y la dispersión cromática limitan el ancho de banda y con ello la velocidad de los datos, debido al ensanchamiento que provocan en los pulsos. A mayor longitud de la fibra mayor ensanchamiento.
A diferencia de los cables de cobre, la atenuación en la fibra óptica no se incrementa con la frecuencia, esta es constante dentro del rango frecuencia utilizable o ventana. La atenuación es proporcional a la longitud de la fibra y depende de las λ propagadas.
Hay que tener presente que en las fibras multimodo no puede hablarse de atenuación en el mismo sentido que en un portador metálico, debido a que la potencia óptica se distribuye entre los diferentes modos de propagación, que presentan diferentes atenuaciones.
Las pérdidas que se producen en una fibra óptica se pueden agrupar en dos grandes grupos pérdidas intrínsecas y pérdidas extrínsecas, las cuales se pueden subdividir de la forma siguiente:

PÉRDIDAS INTRINSECAS

- Son propias de la fibra
- Dependen de Su construcción
- No se pueden eliminar
Dentro de este tipo de pérdidas hay:
- Absorción:
- Picos de absorción en infrarrojos y ultravioletas, se trata de energía que se transforma
en calor. efecto de Rayleigh: sición del vidrio, serán fluctuaciones en el dice de a - Dependen del proceso de producción no - Algunos iones metálicos los grupos OH que se producen durante la fabricación. estos son los ométricas: ejemplo, por la fatiga estática que se produce si se guarda durante mucho tiempo en bobinados, - eométricas entre el núcleo y el revestimiento. Son pérdidas por radiación. - Mic - Presión d
- Dispersión por
- Fluctuaciones en la compo
refracción originadas por la agitación térmica (serán del orden de la λ).
- Es proporcional a λ-4


PÉRDIDAS EXTRÍNSECAS
- No son propias de la fibr
A este tipo de pérdidas pertenecen:
- Impurezas:
- Hidróge
- Sobre todo a
más
difíciles de eliminar. Presentan picos de absorción a 950, 1250 y 1380 nm.
- Defectos Físicos.
- Irregularidades ge
- Curvaturas originadas, por


o bien ocasionadas en la fase de instalación. conviene que el radio de curvatura sea más grande a 10 veces el radio de la fibra. Microcurvaturas, es decir, irregularidades g
rofisuras, causadas por:

- Fatiga
- Humed

En las fibras de vidrio, el mecanismo dominante de atenuación es la dispersión de Rayleigh, la cual disminuye gradualmente cuando incrementa la λ. Las pérdidas debidas a la absorción de los grupos OH se han reducido en el transcurso de los años, siendo significante un pico en 1380 nm. La atenuación aumenta fuertemente por encima de 1550 nm debido a la absorción de los infrarrojos. Las λ altas son de interés debido a que la dispersión es también baja, las fibras de vidrio manifiestan un cero de dispersión cromática alrededor de 1300 nm.
Aunque la atenuación en las fibras comerciales está próxima a los límites teóricos, dos regiones de λ han sido comúnmente utilizadas debido a los mínimos de atenuación que presentaban las primeras fibras ópticas. Estas regiones centradas alrededor de 850 nm y 1300 nm se conocen como la primera y la segunda ventana respectivamente.
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NOMBRE:JOSE MORA.
ASIGNATURA:SCO.



FUNDAMENTOS DE LA FIBRA ÓPTICA


En la última década, la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas
que se utilizan como medio de transmisión.

Esta revolución se centra en la sustitución de los cables de cobre por finas hebras de vidrio que
transportan impulsos de luz, con lo que se consiguen importantes ventajas.


OBJETIVOS.


Adquirir las competencias necesarias para identificar aspectos importantes de la fibra óptica y
sus aplicaciones, así como de la transmisión y propagación de la luz.


CONOCIMIENTOS.



  • Historia de la Fibra Óptica.

  • Transmisión Básica.

  • Propiedades de la Luz.

  • Características de la Fibra Óptica.

  • Aplicaciones de la Fibra Óptica.


HISTORIA DE LA FIBRA ÓPTICA


La revolución que ha sufrido la fibra óptica en los últimos años, ha hecho aumentar la
capacidad de transmitir gran cantidad de información a través de largas distancias con extrema
claridad y fidelidad.


Desde la antigüedad se ha usado la luz para
comunicar a distancia, aunque las técnicas
empleadas han sido a menudo lentas y
engorrosas.

Ya en la antigua Grecia se utilizaban espejos
para reflejar la luz del sol y hacer señales.


Históricamente, la comunicación mediante
luz ha estado limitada por las condiciones

atmosféricas; niebla, lluvia fuerte, etc. que

obstaculizaban la visión.





Fechas y Acontecimientos Importantes



En el siglo XIX, Alexander Graham Bell intentó enviar voz mediante un haz de luz, la luz

del sol se reflejaba en un espejo que vibraba con las ondas sonoras de la voz. La idea era
buena, pero la tecnología no estaba suficientemente desarrollada.


Con la invención del láser en 1958, se estudió la comunicación luminosa por el aire, pero

no fue práctica ya que se requería visibilidad directa y la lluvia o la niebla obstaculizaban
dicha comunicación. Se continuaron los experimentos en un medio vítreo.


En 1970 se consigue la primera fibra óptica de bajas pérdidas, hecha de sílice y con un

diámetro de 250 μm (similar a un cabello humano). Se utilizó para propagación de luz en
laboratorio.


A mediados de los años setenta, tras el perfeccionamiento del proceso de fabricación,

Corning Inc. desarrolla el primer cable comercial. Este hecho impulsó la revolución de

las fibras ópticas.


En 1980 se utilizaron por primera vez fibras para transmitir señales de televisión, en las

Olimpiadas de Lake Placid.


En los años siguientes, las fibras ópticas ganaron popularidad gradualmente, y hoy en día

es una tecnología ampliamente aceptada, que tiene un crecimiento continuo.


TRANSMISIÓN BÁSICA.


El principio básico de encendido y apagado es similar al que se utilizaba en el pasado:

Una fuente de luz que puede ser un diodo emisor de luz (LED) o un láser, se enciende,
apaga o varía su intensidad, en función de la señal eléctrica de entrada que contiene la
información.

La luz se acopla a una fibra óptica que la guía a lo largo de la comunicación.
En el extremo del receptor, un detector decodifica la luz y reproduce la información de la
señal.


El detector convierte la señal recibida en una señal eléctrica similar a la introducida en
el sistema inicialmente.




El detector convierte la señal recibida en una señal eléctrica similar a la introducida en
el sistema inicialmente.


PROPIEDADES DE LA LUZ


La luz se comporta como una onda electromagnética y como una partícula, es lo que se conoce

como dualidad onda-corpúsculo.


El número de oscilaciones por segundo que completa una onda electromagnética se denomina

frecuencia, que para la luz visible es de aproximadamente 2,3 x 1014 Hz (1 hercio = 1 ciclo por

segundo).


La longitud de onda electromagnética es la longitud en metros correspondiente a un ciclo de

una onda.








La longitud de onda de la luz visible está en el rango que va desde los 770 nanómetros (10-

9metros) que corresponde al color rojo, a los 330 nanómetros que corresponde al color azul.

Si se disponen las ondas electromagnéticas en función de sus longitudes de onda, se obtiene

el espectro electromagnético. Generalmente, hay seis subdivisiones:



  • Radio.

  • Infrarroja.

  • Visible.

  • Ultravioleta.

  • Rayos X.

  • Rayos gamma.




La luz que se usa en las comunicaciones por fibra óptica se sitúa en la región infrarroja, justo

debajo de la luz visible. Las franjas del espectro que se utilizan se denominan ventanas, y

están en:


  • 1.550 nm.

  • 1.310 nm.

  • 850 nm.




Los láser empleados en medicina para aplicaciones quirúrgicas utilizan longitudes de onda
cercanas a los 810 nm. Debido a su elevada potencia es imprescindible usar una gafa de
protección para la longitud de onda correspondiente durante su manejo.

Aunque generalmente la luz usada no es visible para el ojo humano, a veces se usan LEDs de
amplio espectro para transmisiones a 850 nm que pueden emitir una luz roja.


Se debe tener mucho cuidado con la luz proveniente de una fibra óptica, sea
visible o no, ya que puede causar daños irreparables al ojo.


Cuando la luz se comporta como una partícula se denomina fotón y tiene una determinada

energía. El comportamiento de la luz como partícula explica cómo las fuentes generan luz y
como los detectores son capaces de reconvertir la luz en energía eléctrica.


Propagación de la luz


En un medio sin obstáculos, la luz se propaga en línea recta.

La dirección a lo largo de la cual se propagan las ondas de luz se denomina rayo de luz.


CARACTERÍSTICAS DE LA FIBRA ÓPTICA


La fibra óptica se ha convertido en una tecnología muy utilizada ya que presenta muchas
ventajas sobre otros métodos de transmisión eléctricos convencionales.


Gran capacidad

Un cable de 2 centímetros de diámetro puede contener hasta
200 fibras ópticas y transmitir hasta 6.000.000 de
conversaciones de teléfono. Los cables convencionales pueden
llegar como mucho a las 10.000 conversaciones.

Se han hecho experimentos con transmisiones de 176
longitudes de onda cada una de ellas con un canal de 10 Gbps
sobre una misma fibra.



Tamaño y peso Un cable de fibra óptica tiene un diámetro mucho más pequeño,

y por tanto, más ligero que uno de cobre de capacidad similar.



Interferencia eléctrica No se ve afectada por las interferencias electromagnéticas (EMI)

ni las de radiofrecuencia (RFI), y además tampoco las genera.



Aislamiento Es un dieléctrico y puede proporcionar aislamiento eléctrico

frente a descargas de rayos por ejemplo.



Seguridad No se puede intervenir fácilmente para su decodificación como

las señales de comunicación vía satélite o radio.

Fiabilidad


Es un medio constante y no se degenera en medios agresivos.

No hay oxidación, por lo que se puede utilizar en aplicaciones
submarinas. La vida estimada de un cable de fibra óptica es de
aproximadamente 30 años.


Versatilidad


Los sistemas de comunicaciones por fibra óptica son adecuados
para la mayoría de los formatos de comunicaciones de datos,
voz y vídeo.



Expansión Con la misma fibra y cambiando los equipos terminales, se

puede conseguir mayor velocidad.


Regeneración de la
señal


Se puede suministrar información a mayor distancia sin falta de
regenerar la señal.



Coste de conversión La conversión de la señal eléctrica en óptica y otra vez en

eléctrica, es cara.



Conectorizaciones Las conexiones entre fibras son bastante complejas.


APLICACIONES DE LA FIBRA ÓPTICA


La fibra óptica no tiene en cuenta el tipo de señal que se está propagando, lo que la convierte
en un medio de transmisión apto para infinidad de aplicaciones:

Telefonía.
Vídeo.
Televisión.
Redes de área local (LAN).
Redes de área extensa (WAN).
Etc.


Usos Primordiales


Sistemas de gran capacidad: compañías telefónicas, cables
submarinos, etc.

Interconexión en redes de área local (LAN) para cumplir con
normativas sobre distancias de conexión entre equipos dentro de
la misma red.

Conectorizaciones industriales en las que se prevén
interferencias.

Cuando un material pasa de un medio a otro diferente, puede sufrir el efecto de tres

fenómenos:


Reflexión.
Refracción.
Absorción.


Reflexión


Cuando los rayos de luz llegan a un medio en el que no se pueden seguir propagando,
salen desviados en otra dirección, se reflejan.

La reflexión depende de:

Tipo de superficie sobre la que inciden los rayos.
Ángulo que forman los rayos sobre la superficie en la que inciden.




Refracción


Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro se produce un cambio en su
dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los
diferentes medios materiales. A este fenómeno se le llama refracción.




Absorción


Existen superficies y objetos que absorben la mayor parte de las radiaciones
luminosas que les llegan y se ven de color negro.
En cambio otras, absorben sólo una determinada gama de longitudes de onda
reflejando el resto.







NOMBRE:JOSE MORA.
ASIGNATURA:SCO




FUNDAMENTOS DE FIBRA
                 ÓPTICA

ATENUACIÓN DE LA LUZ EN LAS FIBRAS
ÓPTICAS:

􀂄 Las fibras ópticas son fabricadas en Dióxido de Silicio
(SiO2). Este vidrio normalmente contiene impurezas y
variaciones de composición que pueden provocar
pérdidas por absorción de luz en dichas impurezas.

􀂄 En la fabricación de la fibra también se presentan
pequeñas variaciones dimensionales (diferentes
diámetros) que pueden causar pérdidas de luz por
dispersión.

􀂄 También se presentan pérdidas en empalmes y
conexiones.





􀂄 La atenuación en una fibra óptica es la sumatoria de
pérdidas que se producen a través de todo el enlace.

􀂄 Normalmente la atenuación es expresada en
decibelios por kilómetro y es definida por:

Atenuación (α)=10 Log10 Pe (dB)
Ps


Donde:


Pe : Potencia de entrada


Ps : Potencia de salida







Pérdidas por Acople:

􀂄 Se generan por el acoplamiento de los fotoemisores
(LED-LD) y los fotodetectores (FOTODIODO-PIN)






􀂄 Se puede notar que a mayor diámetro del núcleo hay
menos pérdidas de acople.

􀂄 La fibra con menor diámetro en el núcleo presenta
las mayores pérdidas por acoplamiento, esta es la
razón por la cual deben usarse fuentes de mayor
potencia, como los diodos láser.
Pérdidas por Absorción:

􀂄 Se define como la conversión de energía lumínica en
calor, este fenómeno se da al interior de la fibra.






􀂄 A pesar de que la sílice fundida (SiO2) empleada en
la construcción de las fibras ópticas es 8000 veces
más pura que el vidrio común, contiene impurezas
como iones de metales (Fe, Cu, Cro y Ni). Esta
combinación puede causar picos de atenuación al
presentar líneas de absorción en la región de la luz
visible.

􀂄 Otro problema son los iones de hidróxilo (OH-) cuya


causa son las moléculas de agua que han sido
atrapadas en el vidrio durante el proceso de
fabricación.





Pérdidas por Dispersión:



Puede decirse que la dispersión es el esparcimiento de
un pulso de luz que viaja a través de una fibra óptica,
este esparcimiento ocasiona diferencias de tiempos
entre la entrada y la salida del pulso (T2>T1).






Debido al esparcimiento de los pulsos, estos tienden a
traslaparse haciéndose en muchas ocasiones
irreconocibles por el receptor.






La dispersión puede presentarse bajo tres formas:
Dispersión modal, Dispersión del material y Dispersión
de guía de ondas.



Dispersión Modal:


Se presenta porque cada uno de los modos de luz que
se propagan por la fibra óptica pueden seguir una
trayectoria distinta en el interior del núcleo y como la
velocidad de la luz (C) dentro de la fibra depende del
índice de refracción (n) en cada punto, la propagación


de los modos sufre retardos de tiempo.






En telecomunicaciones y en servicios de banda ancha,
usualmente se usan fibras con dispersión modal de 0,3
nanosegundos por kilómetro.



Dispersión de material o de Rayleigh:



Es una magnitud que depende de la sustancia de
fabricación usada, por lo tanto, puede ser modificada
variando el dopado del vidrio dentro de determinados
límites.





􀀗 Para la mayoría de las fibras usadas actualmente en
la proximidad de los 1300 nanómetros, la dispersión
debida al material se hace nula.



Dispersión de guía ondas:



Depende de parámetros ópticos y geométricos como las
variaciones en el diámetro del núcleo o los cambios en
el perfil del índice de refracción de la fibra que
ocasionan que un porcentaje de potencia de luz no se
refleja en el revestimiento, sino que se refracta en él,
disminuyendo la cantidad de luz que llega al otro
extremo.





􀀗 Este problema puede ser evitado al controlar, durante
el proceso de fabricación de la fibra, los índices de
refracción del núcleo y del revestimiento, así como los
diámetros de los mismos.

􀀗 La experiencia ha demostrado que una variación


máxima del 1% del diámetro del núcleo, ocasiona una
dispersión despreciable.