Resumen Opto - Fibra Optica

La luz se canaliza por fibras de vidrio mediante una propiedad denominada reflexión interna total. La luz perdía normalmente hasta el 99% de su intensidad al atravesar distancias tan cortas como 30 pies (9 metros) de fibra. En un artículo teórico, demostraron que las grandes pérdidas características de las fibras existentes se debían a impurezas diminutas presentes en el cristal, principalmente agua y metales, en lugar de a limitaciones intrínsecas del cristal. Pronosticaron que la pérdida de la luz en las fibras podría disminuir enormemente de 1.000 decibelios a menos de 20 decibelios por kilómetro. En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal podía atravesar 150 millas (240 Km) de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable. La fibra óptica es un filamento de vidrio sumamente delgado y flexible (de 2 a 125 micrones) capaz de conducir rayo ópticos (señales en base a la transmisión de luz). Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Se utilizan varias clases de vidrios y plásticos para su construcción. Una fibra es un conductor óptico de forma cilíndrica que consta del núcleo (core), un recubrimiento (cladding) que tienen propiedades ópticas diferentes de las del núcleo y la cubierta exterior (coating) que absorbe los rayos ópticos y sirve para proteger al conductor del medio ambiente así como darle resistencia mecánica figura 5.1. Además, y a diferencia de los pulsos electrónicos, los impulsos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente.

Figura 5.1: Apariencia física de un conductor de fibra óptica.

El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento. Efectos de reflexión (la luz rebota en el cambio de medio, como la luz reflejada en los cristales) Refracción (la luz, además de cambiar el modulo de su velocidad, cambia de dirección de propagación, por eso vemos una cuchara como doblada cuando está en un vaso de

agua, la dirección de donde nos viene la luz en la parte que está al aire no es la misma que la que está metida en el agua). n sen (θ) = n' sen (θ' ) Esta fórmula nos dice que el índice de refracción del primer medio, por el seno del ángulo con el que incide la luz en el segundo medio, es igual al índice del segundo medio por el seno del ángulo con el que sale propagada la luz en el segundo medio, lo único que nos interesa aquí de esta ley es que dados dos medios con índices n y n', si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un cierto ángulo límite (que se determina con la anterior ecuación) el haz siempre se reflejara en la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la luz de forma controlada tal y como se ve en la figura 5.2 (que representa de forma esquemática como es la fibra óptica).

Figura 5.2: forma esquemática de una fibra óptica. Como se ve en la figura 5.2, tenemos un material envolvente con índice n y un material interior con índice n'. De forma que se consigue guiar la luz por el cable. La Fibra Óptica consiste por tanto, en un cable de este tipo en el que los materiales son mucho más económicos que los convencionales de cobre en telefonía, de hecho son materiales ópticos mucho más ligeros (fibra óptica, lo dice el nombre), y además los cables son mucho más finos, de modo que pueden ir muchos más cables en el espacio donde antes solo iba un cable de cobre. Así, la señal eléctrica se transforma en luminosa y, modulada en forma de pulsos, se transmite a través del núcleo hasta el receptor, donde es convertida en eléctrica, sin que haya una gran pérdida de potencia. Si comparamos, por ejemplo, la capacidad de transmisión de los tres medios más comunes, vemos que mientras un cable depares presenta 10 Mbit/s y un cable coaxial 300 Mbit/s, en la fibra óptica puede ser superior a 2 Gbit/s, con atenuaciones inferiores a 0.2 dB/Km. La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre. Con unos kilogramos de vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilómetros de fibra óptica. Para fabricar fibras se utiliza un proceso industrial denominado tirado de fibras, que concretaremos en el caso de fibra óptica. Un cilindro de cristal ópticamente puro, llamado preforma, entra desde arriba en un horno donde es calentado hasta su temperatura de ablación, a unos 2000º C. Tirando de la preforma a gran velocidad se consigue que ésta se estire, en la región llamada cuello de botella (neck-down region), reduciendo su diámetro hasta formar la fibra (ver la figura 5.3). El tirado se produce por gravedad y empujado por la tensión de un tambor de recogida en el que la fibra se enrolla. Durante el tirado la fibra sufre un proceso de enfriamiento por convección,

reduciendo su temperatura a unos 150º C. Antes de que la fibra sea enrollada en el tambor se le aplican uno o varios revestimientos de plástico protectores.

Figura 5.3: representación del tirado de fibras.

Fabricación de la Fibra Óptica: La primera etapa consiste en el ensamblado de un tubo y de una barra de vidrio cilíndrico montados concéntricamente. Se calienta todo para asegurar la homogeneidad de la barra de vidrio como se observa en la figura 5.4.

Figura 5.4 Ensamblado del tubo con la barra de vidrio inicial.

Una barra de vidrio de una longitud de 1 m y de un diámetro de 10 cm permite obtener por estiramiento una fibra monomodo de una longitud de alrededor de 150 km.

Figura 5.5: Estiramiento del cilindro de vidrio inicial.

La barra así obtenida será instalada verticalmente en una torre situada en el primer piso y calentada por las rampas a gas como se ve en la figura 5.5. El vidrio se va a estirar y "colar" en dirección de la raíz para ser enrollado sobre una bobina. Cada bobina de fibra hace el objeto de un control de calidad efectuado al microscopio. Después se va a envolver el vidrio con un revestimiento de protección (~230 um) y ensamblar las fibras para obtener el cable final a una o varias hebras, vea la figura 5.6.

Figuras 5.6: Obtención final del cable de fibra óptica.

El cociente entre el área de sección transversal de la fibra adelgazada y el área de la sección transversal de la preforma se define como factor de tirado Un cable de fibra óptica está compuesto de las siguientes partes, tal como se señala en la Figura 5.7: • Núcleo: Es propiamente la fibra óptica, la hebra delgada de vidrio por donde viaja la luz. • Revestimiento: Es una o más capas que rodean a la fibra óptica y están hechas de un material con un índice de refracción menor al de la fibra óptica, de tal forma que los rayos de luz se reflejen por el principio de reflexión total interna hacia el núcleo y permite que no se pierda la luz. • Forro: Es un revestimiento de plástico que protege a la fibra y la capa media de la humedad y los maltratos.

Figura 5.7: Partes componentes de la Fibra Óptica

Tipos de fibras: En fibras de baja y mediana pérdida el material del núcleo es generalmente vidrio y esta cubierto por una cubierta de vidrio o plástico. En fibras de

altas perdidas, el núcleo es de plástico con cubierta de plástico, que también esta ampliamente en uso. En resumen, la mayoría de las fibras están encapsuladas en un revestimiento material plástico resistente a la abrasión. Este material agrega además de resistencia a la fibra, aísla o protege mecánicamente a la fibra de pequeñas irregularidades geométricas, distorsión o asperezas de superficies adyacentes. Estas perturbaciones podrían causar de otra manera, pérdidas por dispersiones inducidas por dobleces microscópicos ocasionadas sin intención cuando la fibra se incorpora al cable o es soportada por otras estructuras. Monomodo de índice escalonado.- En este tipo de fibra, los rayos de luz transmitidos por la fibra viajan linealmente. Este tipo de fibra se puede considera como el modelo más sencillo de fabricar, y sus aplicaciones son concretas. Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 m m. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión que aún se dominan mal.

Figura 5.9: tipos de fibra comúnmente usados.

Multimodo - step index.- Este tipo de fibra, se denomina de multimodo índice escalonado. La producción de las mismas resulta adecuada en cuanto a tecnología y

precio se refiere. No tiene una capacidad tan grande, pero la calidad final es alta. El índice de refracción del núcleo es uniforme para todo el mismo, en realidad describe la forma general de la fibra óptica. . En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado. Multimodo - graded index.- Este tipo de fibra son más costosas, y tienen una capacidad realmente amplia. La tecnología de fabricación de las mismas es realmente importante. Sus costos son elevados ya que el índice de refracción del núcleo varía de más alto, hacia más bajo en el recubrimiento. Este hecho produce un efecto espiral en todo rayo introducido en la fibra óptica, ya que todo rayo describe una forma helicoidal a medida que va avanzando por la fibra. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra. En 1960 con el descubrimiento del láser, fuente óptica coherente, abrieron paso al desarrollo de la fibra óptica como medio de comunicación (frecuencia óptica del orden de 5x1014 Hz). la luz introducida al interior de la fibra se mantiene y propaga a través del núcleo. Se produce por ende el efecto denominado de Refracción Total Ancho de banda: la capacidad potencial de transportar información crece con el ancho de banda del medio de transmisión y con la frecuencia de portadora. Ancho de banda en Fibras Monomodo: Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene un ancho de banda del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. Sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único) Ancho de banda de Fibras Multimodo de Índice Gradual: Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen un ancho de banda que llega hasta los 500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra. Ancho de banda de Fibras Multimodo de índice escalonado: Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen un ancho de banda que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. Atenuación en F.O. Es la pérdida de potencia óptica en una fibra, y se mide en dB y dB/Km. Una pérdida del 50% de la potencia de entrada equivale a -3dB, las pérdidas pueden ser intrínsecas o extrínsecas. Intrínsecas: dependen de la composición del vidrio, impurezas, etc., y no las podemos eliminar. Las ondas de luz en el vacío no sufren ninguna perturbación. Pero si

se propagan por un medio no vacío, interactúan con la materia produciéndose un fenómeno de dispersión debida a dos factores: • •

Dispersión por absorción: la luz es absorbida por el material transformándose en calor. Dispersión por difusión: la energía se dispersa en todas las direcciones.

Esto significa que parte de la luz se irá perdiendo en el trayecto, y por lo tanto resultará estar atenuada al final de un tramo de fibra. Extrínsecas: son debidas al mal cableado y empalme. Las pérdidas por curvaturas se producen cuando le damos a la fibra una curvatura excesivamente pequeña (radio menor a 4 o 5 cm) la cual hace que los haces de luz logren escapar del núcleo, por superar el ángulo máximo de incidencia admitido para la reflexión total interna. También se dan cuando, al aumentar la temperatura y debido a la diferencia entre los coeficientes de dilatación térmica entre fibras y buffer, las fibras se curvan dentro del tubo. Atenuación por empalme: Cuando empalmamos una fibra con otra, en la unión se produce una variación del índice de refracción lo cual genera reflexiones y refracciones, y sumándose la presencia de impurezas, todo esto resulta en una atenuación. Se mide en ambos sentidos tomándose el promedio. La medición en uno de los sentidos puede dar un valor negativo, lo cual parecería indicar una amplificación de potencia, lo cual no es posible en un empalme, pero el promedio debe ser positivo, para resultar una atenuación. Pérdidas • •

Por inserción: es la atenuación que agrega a un enlace la presencia de un conector o un empalme. De retorno o reflactancia: es la pérdida debida a la energía reflejada, se mide como la diferencia entre el nivel de señal reflejada y la señal incidente, es un valor negativo y debe ser menor a -30 dB (típico -40dB). En ocasiones se indica obviando el signo menos.

Acoplamiento fibra – fuente: Los rayos de luz pueden entrar a la fibra óptica si el rayo se halla contenido dentro de un cierto ángulo denominado CONO DE ACEPTACIÓN. Un rayo de luz puede perfectamente no ser transportado por la fibra óptica si no cumple con el requisito del cono de aceptación. El cono de aceptación está directamente asociado a los materiales con los cuales la fibra óptica ha sido construida. La figura 5.10 ilustra todo lo dicho. Respecto a atenuaciones producidas dentro de otros medios de transmisión, la fibra óptica presenta niveles de atenuación realmente bajos que permiten transmitir luz por varios kilómetros sin necesidad de reconstruir la señal (regenerar).

Figura 5.10: Cono de aceptancia en una fibra óptica.

Propagación de la luz en las fibras ópticas: En el medio dieléctrico mas usado (el espacio libre) la luz se propaga a velocidades de 3x108 m/s. en el agua esta velocidad se reduce en un 25% y en varios tipos de cristales la velocidad se ve reducida de 33 a 47% . El índice de refracción se puede obtener usando la ecuación 5.2. n=

c = Vp

Er

(E 5.2)

Así n como se ve, es inversamente proporcional a la velocidad de propagación en el medio como se indica en la tabla 5.1: Vació Agua Cristal Cuarzo fundido Diamante Silicón Arseniuro de galio

1.00 1.33 (aprox) 1.5 1.46 2.0 3.4 3.6

Tabla 5.1: Índice de refracción para varios materiales