SISTEMA ÓPTICO DE COMUNICACIONES es un sistema electrónico de comunicaciones que usa la luz como portador de información. Sin embargo, es difícil e impráctico propagar ondas luminosas por la atmósfera terrestre. SISTEMAS DE COMUNICACIONES CON FIBRA usan fibras de vidrio o de plástico para "contener" las ondas luminosas y guiarlas en una forma similar a como las ondas electromagnéticas son guiadas en una guía de ondas. OPTOELECTRÓNICA es la rama de 1a electrónica que estudia la transmisión de la luz a través de fibras ultrapuras, que se suelen fabricar con vidrio o con plástico.CAPACIDAD DE CONDUCCIÓN DE INFORMACIÓN de un sistema electrónico de comunicaciones es directamente proporcional a su amplitud de banda. RELACIÓN DE UTILIZACIÓN DEL ANCHO DE BANDA es expresar el ancho de banda de un sistema analógico de comunicaciones como un porcentaje de la frecuencia de su portadora. Por ejemplo, un sistema de radiocomunicaciones de VHF trabajando a una frecuencia de portadora de 100MHz con ancho de banda de 10 MHz tiene una relación de utilización de ancho de banda de 10%. Un sistema de radio de microondas que funciona con una frecuencia de portadora, con una relación de utilización de ancho de banda igual a 10% tendría disponible lGHz de ancho de banda. Es obvio que mientras mayor es la frecuencia de portadora, el ancho de banda es mayor y la capacidad de conducción de información es mayor. Las frecuencias luminosas que se usan en los sistemas de comunicaciones con fibra óptica están entre 1 x1014 y 4 x1014 Hz (100,000 a 400,000 GHz). Una relación de utilización de ancho de banda de 10% significaría una banda de entre 10,000 y 40,000 GHz de ancho.

HISTORIA Alexander Graham Bell, en 1880, experimentó con un aparato al que llamó fotófono. El fotófono era un dispositivo formado con espejos y detectores de selenio, que transmitía ondas sonoras sobre un rayo de luz. Ese fotófono era muy malo, no confiable y no tenía aplicación práctica. En realidad, la luz visible era un medio principal de comunicaciones antes de que comenzaran las comunicaciones electrónicas. Durante mucho tiempo se usaron señales de humo para mandar mensajes cortos y sencillos. Sin embargo, el concepto de Bell fue el primer intento de usar un rayo de luz para transportar información.Es impráctica la transmisión de ondas luminosas a través de cualquier distancia útil a través de la atmósfera terrestre, porque el vapor de agua, el oxígeno y las partículas en el aire absorben y atenúan las señales en frecuencias luminosas. En consecuencia, el único tipo práctico de comunicaciones ópticas es el que usa una guía de fibra. En 1930, J. L. Baird, científico inglés, y C. W. Hansell, de Estados Unidos, obtuvieron patentes para barrer y transmitir imágenes de televisión a través de cables de fibra no recubierta. Algunos años después un científico alemán, llamado H. Lamm, transmitió bien imágenes a través de una sola fibra de vidrio.En esa época, la mayoría de las personas consideraban a la óptica de fibras más como juguete o como una gracia de laboratorio y, en consecuencia, no fue sino hasta principios de la década de 1950 que se hicieron avances sustanciales en el campo de las fibras ópticas.En 1951, A. C. S. van Heel de Holanda, y H. H. Hopkins y N. S. Kapany de Inglaterra experimentaron con transmisión de luz a través de haces de fibras. Sus estudios condujeron al desarrollo del fibroscopio flexible, que se usa mucho en el campo de la medicina. Kapany fue quien acuño el término "fibra óptica" en 1956.En 1958, Charles H Townes, de EEUU, y Arthur L. Schawlow de Canadá presentaron un trabajo donde se describía cómo era posible usar emisión estimulada para amplificar las ondas luminosas (láser) y las microondas (máser). Dos años después Theodore H. Maiman" científico de Hughes Aircraft Company, construyó el primer máser óptico.El láser de luz por emisión estimulada de radiación) fue inventado en 1960. La potencia relativamente alta de salida del láser, su alta frecuencia de operación y su capacidad de portar un ancho de banda extremadamente grande, lo hacen ideal para sistemas de comunicaciones de gran capacidad. La invención del láser aceleró mucho los esfuerzos de investigación en comunicaciones con fibra óptica, aunque no fue sino hasta 1967 que K. C. Kao y G. A.

Bockham, del Standard Telecomunications Laboratory de Inglaterra propusieron un medio nuevo de comunicaciones, usando cables de fibra revestida.Los cables de fibra disponibles en la década de 1960 tenían pérdidas extremadamente grandes (más de 1000 dB/km), lo cual limitaba las transmisiones ópticas a distancias cortas. En 1970, Kapron, Keck y Maurer. de Corning Glass Works en Coming, New York, desarrollaron una fibra óptica con pérdidas menores que 2 dB/km. Fue el "gran" avance necesario para pemitir los sistemas prácticos de comunicaciones con fibra óptica. A partir de 1970, la tecnología de fibras ópticas ha crecido en forma exponencial. En fecha reciente, los Laboratorios Bell transmitieron bien 1000 millones de bps por un cable de fibra de 600 mi, sin un regenerador.A fines de la década de 1970 y principios de la década de 1980, el refinamiento de los cables ópticos, y el desarrollo de fuentes luminosas y detectores de alta calidad y económicos abrió la puerta al desarrollo de sistemas de comunicaciones de alta calidad, alta capacidad, eficientes y económicos, con fibra óptica. A fines de la década de 1980 las pérdidas en las fibras ópticas se redujeron hasta 0.16 dB/km, y en 1988, NEC Corporation estableció un récord de transmisión a gran distancia, al enviar 10Gbits/s con 80.1 km de fibra óptica. También en 1988, el Instituto Nacional Americano de Normas (ANSI) publicó Synchronous Optical Network (SONET). A mediados de la década de 1990, las redes ópticas para voz y datos eran lugar común en Estados Unidos y en gran parte del mundo

VENTAJAS DE LOS SISTEMAS DE FIBRA ÓPTICA1Mayor capacidad de información: los sistemas de comunicaciones con fibras ópticas tienen mayor capacidad de información que los cables metálicos, debido a los anchos de banda, mayores con las frecuencias ópticas. Las fibras ópticas se consiguen con anchos de banda hasta de 10 GHz. Los cables metálicos tienen capacitancia entre, e inductancia a lo largo, de sus conductores, que los hacen funcionar como filtros pasabajas y eso limita sus frecuencias de transmisión, anchos de banda y capacidad de conducción de información. Los sistemas modernos de comunicaciones con fibra óptica son capaces de transmitir varios Gbits por segundo a través de cientos de millas, permitiendo combinar y propagar literalmente millones de canales individuales de datos y de voz con un solo cable de fibra óptica.2Inmunidad a la diafonía: los cables ópticos son inmunes a la diafonía entre cables vecinos, debida a la inducción magnética. Las fibras de vidrio o de plástico son no conductores de electricidad y, en consecuencia, no tienen campos magnéticos asociados con ellas. En los cables metálicos, la causa principal de la diafonía es la inducción magnética entre conductores ubica dos físicamente cercanos entre sí.3Inmunidad a la interferencia por estática: los cables ópticos son inmunes al ruido de estática que causa la interferencia electromagnética (EMI) debida a rayos, motores eléctricos, luces fluorescentes y otras fuentes de ruido eléctrico. Esta inmunidad también se debe a que las fibras ópticas son no conductores de la electricidad, y a que el ruido eléctrico no afecta la energía en las frecuencias luminosas. Los cables de fibras tampoco irradian energía de RF y, en consecuencia, no pueden interferir con otros sistemas de comunicaciones. Esta característica hace que los sistemas de fibra óptica sean ideales para aplicaciones militares en las que los efectos de las armas nucleares (interferencia de pulsos electromagnéticos EMP) tienen un efecto devastador sobre los sistemas electrónicos convencionales de comunicaciones.4lnmunidad al ambiente: los cables ópticos son más resistentes a los extremos en el ambiente que los cables metálicos. También, los cables ópticos funcionan dentro de variaciones más amplias de temperatura y son menos afectados por los líquidos y gases corrosivos.5Seguridad: los cables ópticos son más seguros y fáciles de instalar y mantener que los cables metálicos. Debido a que las fibras de vidrio y de plástico son no conductoras, no se asocian con ellas corrientes ni voltajes eléctricos. Las fibras ópticas se pueden usar cerca de líquidos volátiles y de gases, sin preocuparse porque puedan causar explosiones o incendios. Las fibras ópticas son menores y mucho más ligeras que los cables metálicos. En consecuencia, es

más fácil trabajar con ellas y se adaptan mucho mejor a aplicaciones aéreas. También, los cables de fibra requieren menos espacio de almacenamiento y son más fáciles de transportar.6Seguridad: las fibras ópticas son más seguras que los cables metálicos. Es virtualmente imposible entrar a un cable de fibra sin que sepa el usuario, y los cables de fibra óptica no se pueden detectar con buscadores de metales, a menos que tengan refuerzo de acero para tener mayor resistencia. Éstas también son las cualidades que hacen atractivas a las fibras ópticas para las aplicaciones militares.7Duran más: aunque todavía no se ha demostrado, se anticipa que los sistemas de fibra óptica durarán más que las instalaciones metálicas. Esta hipótesis se basa en las mayores tolerancias que tienen los cables de fibra frente a cambios en las condiciones ambientales, y en su inmunidad a las sustancias corrosivas.8Economía: el costo de los cables de fibra óptica es, aproximadamente, igual al de los cables metálicos. Sin embargo, los cables de fibra tienen menores pérdidas y en consecuencia requieren menos repetidoras. Esto equivale a menores costos de instalación y del sistema en general, así como a mayor confiabilidad.

DESVENTAJAS 1Costos de interconexión: los sistemas de fibra óptica son virtualmente inútiles por sí mismos. Para ser prácticos se deben conectar a instalaciones electrónicas normales, lo cual requiere con frecuencia interconexiones costosas.2Resistencia: las fibras ópticas de por sí tienen una resistencia bastante menor a la tensión que los cables coaxiales. Esto se puede mejorar recubriendo la fibra con Kevlar normal y una chaqueta protectora de PVC.3Potencia eléctrica remota: a veces es necesario llevar energía eléctrica a un equipo remoto de interconexión o de regeneración. Esto no se puede hacer con el cable óptico, por lo que se deben agregar más cables metálicos en el cableado.4No están demostrados: los sistemas de cable de fibra óptica son relativamente nuevos, y no han tenido el tiempo suficiente para demostrar su confiabilidad.5Herramientas, equipo y adiestramiento especializados: las fibras ópticas requieren herramientas especiales para empalmar y reparar cables, y equipos especiales de prueba para hacer medidas rutinarias. También es difícil y costoso reparar cables de fibra, y los técnicos que trabajan con cables de fibra óptica necesitan también tener destrezas y adiestramiento especiales.EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICOEl esfuerzo total de frecuencias electromagnéticas se muestra en la fig. 11-1. Se puede ver que ese espectro de frecuencias va desde las subsónicas (unos cuantos Hz) hasta los rayos cósmicos (1022Hz). El espectro de frecuencias luminosas se puede dividir en tres bandas generales:

l. Infrarrojo: banda de longitudes de onda de luz demasiado grandes para que las vea el ojo humano.2. Visible: banda de longitudes de onda de luz a las que responde el ojo humano.3. Ultravioleta: banda de longitudes de onda de luz que son demasiado cortas para que las vea el ojo humano.Cuando se manejan ondas electromagnéticas de mayor frecuencia, como las luminosas, se acostumbra usar unidades de longitud de onda y no de frecuencia. La longitud de onda es la distancia que ocupa en el espacio un ciclo de una onda electromagnética. La longitud de onda depende de la frecuencia de la onda y de la velocidad de la luz. La relación matemática correspondiente es

λ= cf

en donde λ = longitud de onda (metros/ciclo)

c = velocidad de la luz (300,000,000 metros por segundo)f = frecuencia (hertz)

Con las frecuencias luminosas, la longitud de onda se suele expresar en micrones o micras (1 micrón = l micrómetro) o en nanómetros (l nanómetro = 10−9metros, o 0.001 micrón). Sin embargo, cuando se describe el espectro visible, la unidad angstrom ( A) se ha usado con frecuencia para expresar longitudes de onda (1 A = 10−10 mettos, o 0.0001 micrón). La fig. ll-2 muestra el espectro total de longitudes de ondas electromagnéticas.DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES CON FIBRA ÓPTICALa fig 11-3 indica un diagrama de bloques simplificado de un enlace de comunicaciones con FO. Los tres bloques principales que lo conforman son el transmisor, el receptor y la guía de fibra o fibra guía.

El transmisor consiste en una interconexión o interfaz analógica o digital, un convertidor de voltaje a corriente, una fuente luminosa y un acoplador de luz de fuente a fibra. La guía de fibra es un cable de vidrio o plástico ultrapuro. El receptor comprende un dispositivo detector acoplador de fibra a luz, un detector fotoeléctrico, un convertidor de corriente a voltaje, un amplificador y una interfaz analógica o digital.En un transmisor de fibra óptica, la fuente luminosa se puede modular mediante una señal digital o una analógica. Para la modulación analógica, la interfaz de entrada compensa las impedancias y limita la amplitud de la señal de entrada. Para la modulación digital, la fuente original puede tener ya la forma digital o bien, si está en forma analógica, debe convertirse a una corriente de pulsos digitales. En el último caso se debe agregar un convertidor de analógico a digital en la interfaz.

El convertidor de voltaje a corriente sirve como interconexión eléctrica entre los circuitos de entrada y la fuente luminosa. Esta fuente luminosa puede ser un diodo emisor de luz (LED, de light·emitting diode) o un diodo de inyección láser (ILD, por injection laser diode). La cantidad de luz emitida por un LED o un ILD es proporcional a la cantidad de la corriente de excitación. Así, el convertidor de voltaje a corriente convierte un voltaje de señal de entrada en una corriente que se usa para activar la fuente luminosa. El acoplador entre fuente y fibra (como por ejemplo un lente) es una interfaz mecánica. Su función es acoplar la luz que emite la fuente e introducirla al cable de fibra óptica. La fibra óptica es un núcleo de vidrio o plástico, un revestimiento y una chaqueta protectora. El dispositivo de acoplamiento detector de fibra a luz también es un acoplador mecánico. Su función es sacar tanta luz del cable de fibra como sea posible y ponerlo en el detector de luz.El detector de luz es, con mucha frecuencia, un diodo PIN (tipo p tipo n intrínseco) o un fotodiodo de avalancha (APD, de avalanche photodiode). Tanto el diodo APD como el PIN convierten 1a energía luminosa en corriente. En consecuencia, se necesita un convertidor de corriente a voltaje. El convertidor de corriente a voltaje transforma los cambios de la corriente del detector en cambios de voltaje de la señal de salida.La interfaz analógica o digital en la salida del receptor también es una interconexión eléc trica. Si se usa modulación analógica, la interfaz compensa las impedancias y los niveles de señal con los circuitos de salida. Si se usa modulación digital, la interfaz debe incluir un convertidor de digital a analógico.

TIPOS DE FIBRAEn esencia hay tres variedades de fibra óptica que se usan en la actualidad. Las tres se fabrican con vidrio, plástico o una combinación de vidrio y plástico. Esas variedades son:l. Núcleo y forro de plástico.2. Núcleo de vidrio con forro de plástico (llamado con frecuencia fibra PCS, plastic-clad silica o sílice revestido con plástico).3. Núcleo de vidrio y forro de vidrio (llamado con frecuencia SCS, silica-clad silica o sílice revestido con sílice).En la actualidad se investiga, en Bell Laboratories, la posibilidad de usar una cuarta variedad que usa una sustancia no silícea, el cloruro de zinc. Los experimentos preliminares parecen indicar que esta sustancia será hasta 1000 veces más eficiente que el vidrio, su contraparte a base de sílice.Las fibras de plástico tienen varias ventajas sobre las de vidrio. La primera es que las de plástico son más flexibles y, en consecuencia, más robustas que el vidrio. Son fáciles de instalar, pueden resistir mejor los esfuerzos, son menos costosas y pesan 60% menos que el vidrio. La desventaja de las fibras de plástico es su alta atenuación característica: no propagan la luz con tanta eficiencia como el vidrio. En consecuencia, las fibras de plástico se limitan a tramos relativamente cortos, como por ejemplo dentro de un solo edificio o un complejo de edificios.Las fibras con núcleos de vidrio tienen bajas atenuaciones características; sin embargo, las fibras PCS son un poco mejores que las SCS. Las fibras PCS también se afectan menos por la radiación y, en consecuencia, tienen mucho más atractivo en las aplicaciones militares. Las fibras SCS tienen las mejores características de propagación y son más fáciles de terminar que las PCS. Desafortunadamente, los cables SCS son los menos robustos y son más susceptibles a aumentos de atenuación cuando están expuestos a la radiación.La selección de una fibra para determinada aplicación es función de los requisitos específicos del sistema. Siempre hay compromisos basados en la economía y la logística en una aplicación determinada.

CONSTRUCCIÓN DEL CABLEHay muchos diseños distintos de cable, en la actualidad. La fig. 11-4 muestra ejemplos de varias configuraciones de cables de fibra óptica. De acuerdo con la configuración, el cable puede

consistir de un núcleo, un revestimiento, un tubo protector, amortiguadores, miembros resistentes y uno o más forros o chaquetas de protección. En la construcción suelta de tubo (fig. ll-4a), cada fibra está contenida en un tubo de protección. Dentro del tubo protector hay un compuesto de poliuretano que encapsula, o sella, a la fibra, y evita la penetración del agua. Se puede presentar un fenómeno llamado corrosión bajo tensiones, o fatiga estática si la fibra de vidrio se expone durante largos periodos a humedades altas. Los cristales de dióxido de silicio interaccionan con la humedad y hacen que las pegaduras se suelten, causando fracturas espontáneas después de un periodo prolongado. Algunos de los cables de fibra tienen más de una capa protectora para asegurar que no se alteren las características de la fibra, si ésta queda expuesta a cambios extremos de temperatura. Rodeando al revestimiento de la fibra, se acostumbra tener una capa ya sea de laca, silicona o acrilato, que se aplica normalmente para sellar y preservar las características de resistencia y atenuación de la fibra.La fig. 11-4b muestra la construcción de un cable restringido de fibra óptica. Hay un amortiguador primario y uno secundario, rodeando al cable de fibra. Las chaquetas amortiguadoras protegen a la fibra de influencias mecánicas externas que pudieran causar su ruptura, o demasiada atenuación óptica. El Kevlar es un material fibroso que aumenta la resistencia del cable a la tensión. De nuevo hay un tubo protector externo, lleno de poliuretano, que evita que la humedad se ponga en contacto con la fibra del núcleo.La fig. ll-4c muestra una configuración de hilos múltiples. Para aumentar la resistencia a la tensión se incluyen en el paquete un miembro central de acero y una envoltura de cinta de Mylar. La fig. ll-4d muestra la configuración de cinta, que se ve con frecuencia en los sistemas telefónicos de fibra óptica. La fig. ll-4e representa las vistas de frente y lateral de un cable de sílice revestido con plástico.Como se mencionó, una desventaja de los cables de fibra óptica es su falta de resistencia a la tensión, que puede ser sólo de una libra. Por esta razón, la fibra se debe reforzar con material tal que pueda resistir los esfuerzos mecánicos que probablemente se presentarán al ser jalada y maniobrada a través de los conductos subterráneos y aéreos, y al colgarse en los postes. Los materiales que se usan con frecuencia para reforzar y proteger a las fibras contra la abrasión y los esfuerzos ambientales son el acero, la fibra de vidrio, el plástico, FR-PVC (cloruro de polivinilo con retardante de llama), fibra de Kevlar y papel. El tipo de construcción de cable que se use depende de los requisitos de funcionamiento del sistema y de las restricciones económicas y ambientales.

PROPAGACIÓN DE LA LUZ

La física de la luzAunque se puede analizar por completo el funcionamiento de las fibras ópticas aplicando las ecuaciones de Maxwell, es una forma complicada por necesidad. Para la mayoría de las aplicaciones prácticas, se puede usar el trazado geométrico de ondas en lugar de las ecuaciones de Maxwell. Con el trazado de rayos se obtienen resultados con exactitud suficiente. Un átomo tiene varios niveles de energía, o estados; el mínimo nivel es el estado fundamental. Un nivel de energía mayor que el estado fundamental se llama estado excitado. Si un átomo que tiene un nivel de energía decae a un nivel inferior, la pérdida de energía (en electrón volts), se emite en forma de fotón. La energía del fotón es igual a la diferencia entre las energías de los dos niveles. El proceso de decaer de un nivel de energía a otro se llama decaimiento espontáneo o emisión espontánea.

Los átomos pueden irradiarse mediante una fuente luminosa cuya energía sea igual a la diferencia entre el estado fundamental y otro nivel de energía. Esto puede hacer que un electrón cambie de a otro nivel de energía, absorbiendo energía luminosa. El proceso de pasar de uno a otro nivel de energía se llama absorción. Cuando se hace la transición de un nivel a otro, el átomo absorbe un paquete de energía llamado fotón. Este proceso se parece al de la emisión. La energía absorbida o emitida (el fotón) es igual a la diferencia entre los dos niveles de energía, esto es

E2−E1=Ep

En donde Ep es la energía del fotón. También, Ep=hf

Siendo h = constante de Planck = 6.625 x10−34 J-sf = frecuencia de luz emitida en hertzTambién se puede expresar la energía de los fotones en términos de la longitud de onda

Ep=hf

¿ hcλ

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓNLa energía electromagnética como la luz, recorre aprox. 300000000 m/s en el espacio libre. También, la velocidad de propagación es igual para todas las frecuencias de luz en el espacio libre. Pero en materiales más densos que el espacio libre, la velocidad se reduce. Cuando se reduce la velocidad de una onda electromagnética al pasar de uno a otro medio de un material más denso, el rayo de luz se refracta o se dobla hacia la normal. También en materiales más densos que el espacio libre, todas las frecuencias de la luz no se propagan con la misma velocidad.

REFLEXIÓNLa reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial.

REFRACCIÓNEs el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz cuando pasa de un medio transparente a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de de los dos medios y si estos tienen índice de refracción diferentes. Este cambio de dirección está originado por la distinta velocidad de la luz en cada medio.La fig 11-5a muestra como se refracta un rayo de luz al pasar de un material de determinada densidad a un material menos denso. La fig 11-b muestra la separación espectral o refracción prismática de la luz blanca. Las longitudes de onda del violeta se refractan más que las del rojo las cuales se refractan menos.

ÍNDICE DE REFRACCIÓN La cantidad de desviación o refracción que sucede en la interfaz de dos materiales de distintas densidades se puede predecir bastante bien, y depende del índice de refracción de los dos materiales. Este índice de refracción no es mas que la relación de la velocidad de propagación de un rayo de luz en el espacio libre, entre la velocidad de propagación del rayo en determinado material. La ecuación es

n= cv

En la que c = 300000000 m/s velocidad de la luz en el espacio librev = velocidad de la luz en determinado material m/sAunque el índice de refracción también es una función de la frecuencia, la variación en la mayoría de las aplicaciones es insignificante por lo que se omite en esta descripción.

LEY DE SNELL (1580 - 1626)η1θ1=η2θ2

Nos dice que el índice de refracción del medio de incidencia es igual al índice del ángulo refractado.

La fig 11-7 muestra como se refracta un rayo de luz al pasar de un material más denso a uno menos denso (menor índice de refracción). Se ve que el rayo de luz cambia de dirección en la

interfaz, y que el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia. En consecuencia, cuando un rayo de luz entra a un material menos denso, se dobla alejándose de la normal. La normal es la línea perpendicular a la interfaz, en el punto ene l que el rayo incidente llega a la interfaz. De igual manera, cuando un rayo de luz entra aun material más denso, se desvía hacia la normal.Si θ1=θ2 entonces los medios son los mismos y la luz se saldríaSi θ2=90 el ángulo estaría en la línea de intersección de los mediosSi θ2=0 no hay refracción ni reflexión, el cuerpo absorbe la luzSi θ2>90 seria una reflexión

ÁNGULO CRÍTICOÁngulo de incidencia mínimo en el cual un haz de luz puede pegarle a la interfaz de los dos medios y resulta un ángulo de 90 grados o mayor. Esto solo es aplicable cuando el rayo pasa de un medio más denso a uno menos denso. Si el ángulo de refracción es menor, el rayo no puede penetrar en el material menos denso, en consecuencia se produce la reflexión total en la interfaz y el ángulo de reflexión es igual que el ángulo de incidencia.

PROPAGACIÓN DE LA LUZ EN UNA FO.La luz se propaga por reflexión o refracción. La forma en que se propague depende del modo de propagación y del perfil de índice de la fibra.MODO DE PROPAGACIÓN Modo quiere decir camino. Si solo hay una trayectoria que pueda tener la luz por el cable se llama modo único o monomodo. Si hay más de una trayectoria se llama multimodal.

CLASIFICACIÓN DE LA FIBRA1 POR ÍNDICE DE REFRACCIÓN O PERFIL ÍNDICE

- FO índice escalonado (step index SI)- FO índice gradual (graded index type GI)

Es la representación grafica del índice de refracción en la sección transversal de la fibra. Hay dos tipos básicos de perfiles de índice: escalonados y graduados.Una fibra de índice escalonado tiene un núcleo central con índice de refracción uniforme, este está rodeado por revestimiento externo, pero menor que el del núcleo central. Hay un cambio abrupto de índice de refracción en la interfaz entre núcleo y revestimiento.Una fibra de índice graduado no hay revestimiento y el índice de refracción no es uniforme, es máximo en el centro y disminuye en forma gradual de acuerdo con la distancia hacia la orilla externa.

2 POR MODO DE PROPAGACIÓN

- MonomodoEl diámetro del núcleo es bastante pequeño al diámetro del revestimiento de 7 a 10 um

- MultimodoEl diámetro del núcleo es más grande 50 a 100 um.

VENTAJAS ENTRE MONOMODO Y MULTIMODOLa monomodo tiene menor tiempo de propagación. El retardo presente en la multimodo hace que la señal no llegue integra se solapa.La monomodo para distancias largas, mientras que la multimodo para distancias cortas y su apertura numérica es mayor que la monomodo.El sistema es mas barato a utilizar en la multimodo, en la monomodo necesita láser para poder ingresar en el núcleo y es mas difícil de construir.La FO utiliza la transmisión dúplex o sea la que usa dos cables, una para enviar y otra para recibir.

TIPOS DE FIBRA1 Monomodo de índice escalonadoTiene el núcleo pequeño en donde solo existirá una trayectoria para que siga el haz de luz y se propague. En su forma mas simple el revestimiento externo es solo de aire. El índice de refracción del núcleo de vidrio es aprox. 1,5 y el del revestimiento de aire es de 1. La gran diferencia de índices de refracción hace que el ángulo crítico sea pequeño unos 42º y por lo tanto la fibra tomará la luz de una gran apertura. Es débil y sus usos son limitados.Una clase de fibra unimodal escalonada es la que tiene un revestimiento distinto del aire. El índice de refracción es del revestimiento es un poco mayor que el del núcleo y es uniforme en todo el revestimiento, esta clase fibra es mas resistente que la con revestimiento de aire, pero el ángulo critico también es mayor, unos 77º. Lo que produce un ángulo de aceptación pequeño y una abertura pequeña entre la fuente y la fibra dificultando el acople de la luz de una fuente para que pase al interior de la fibra.Con ambos tipos de fibra la luz se propaga por reflexión. Una fibra monomodo transmitirá un solo modo para todas las longitudes de onda que sean mayores que su longitud de onda de corte. Esta longitud de onda de corte se calcula

λc=2 πan1√2∆

2.405enμm y ∆=

η1−η2

η1y aesel radio del núcleo

2 Multimodo de índice escalonadoSimilar a la unimodal pero su núcleo es mucho mayor. Esta fibra tiene una abertura grande de luz a fibra y en consecuencia permite la entrada de mas luz al cable. Los rayos luminosos que llegan a la interfaz entre núcleo y revestimiento formando un ángulo mayor que el crítico se propagan por el núcleo en zigzag, reflejándose continuamente en la interfaz, mientras que los que forman un ángulo menor que el crítico y que entran al revestimiento se pierden. Como se ve hay muchas trayectorias que puede seguir el rayo de luz al propagarse por la fibra pero no todos los rayos siguen la misma trayectoria y por tanto no tardan lo mismo para recorrer toda la longitud de la fibra.

3 Multimodo de índice graduadoSe caracterizan por que su núcleo no tiene un índice de refracción uniforme, es máximo en el centro y disminuye en forma gradual hacia la orilla externa. A luz se propaga por refracción. Al propagarse un rayo en dirección diagonal por el núcleo hacia el centro, pasa de una fase menos densa a otra mas densa. Por lo que los rayos se refractan de forma constante y produce su deflexión continua. La luz entra formando ángulos diferentes y al propagarse por la fibra los rayos que viajan en la zona mas externa de la fibra recorren mayor distancia que los que van cerca del núcleo. En vista de que el índice de refracción disminuye con la distancia al centro, y que la velocidad es inversamente proporcional al índice de refracción, la luz que va mas alejada del centro se propaga con mayor velocidad. En consecuencia se tardan lo mismo en recorrer la longitud de la fibra.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS1. Fibra Óptica monomodo de índice escalonado.

Ventajas:-Hay una dispersión mínima. Debido a que todos los rayos propagándose por la fibra toman aproximadamente la misma trayectoria, tardan aproximadamente la misma cantidad de tiempo en viajar por el cable. En consecuencia, un pulso de luz entrando al cable puede reproducirse muy exacto en el lado receptor.-Debido a la alta exactitud en la reproducción de los pulsos transmitidos en el lado de recepción, los anchos de bandas, más grandes, y las velocidades de transmisión de información, más altas, son posibles con las fibras de índice de escalón de modo sencillo que con los otros tipos de fibras.Desventajas-Debido a que el núcleo central es muy pequeño, es difícil de acoplar la luz, dentro y fuera de este tipo de fibra. La apertura de fuente a fibra es la más pequeña de todos los tipos de fibra.-Debido al núcleo central pequeño, una fuente de luz altamente directiva, tal como un láser se requiere para acoplar la luz en una fibra de índice escalonado de modo sencillo.-Las fibras son costosas y difíciles de fabricar.

2. Fibra Óptica multimodo de índice escalonado.Ventajas:-Es fácil acoplar la luz, dentro y fuera de las fibras de índice escalonado multimodo; tienen una apertura de fuente a fibra relativamente grande.-Las fibras son baratas y sencillas de fabricar.

Desventajas-Los rayos de luz utilizan muchas trayectorias diferentes por la fibra, lo cual resulta en grandes diferencias en sus tiempos de propagación. Debido a esto, los rayos que viajan por este tipo de fibra tienen una tendencia a esparcirse. En consecuencia, un pulso de luz que se propaga por una fibra de índice escalonado multimodo se distorsionará más que con otros tipos de fibras.-El ancho de banda y razón de transferencia de información posible, con este tipo de cabe, son menores que con los otros tipos.

3. Fibra Óptica multimodo de índice gradual.Esencialmente, no hay ventajas o desventajas sobresalientes de este tipo de fibra. Las fibras de índice graduado multimodo son más fáciles de acoplar a la luz, dentro y fuera de las fibras de índice escalonado monomodo, pero más difíciles que las fibras de índice escalonado multimodo. La distorsión debida a las trayectorias de propagación múltiple es mayor que en las fibras de índice escalonado monomodo, pero menor que en las fibras de índice escalonado multimodo. Las fibras de índice graduado son más fáciles de fabricar que las fibras de índice escalonado monomodo, pero más difíciles que las fibras de índice escalonado multimodo. La fibra de índice graduado multimodo se considera una fibra intermedia comparada con otros tipos.

ÁNGULO DE ACEPTACIÓN Y CONO DE ACEPTACIÓN

Ángulo de aceptación es el valor del ángulo que está incidiendo para que se produzca un ángulo crítico. Es el ángulo máximo que pueden formar los rayos luminosos externos al llegar a la interfaz aire – fibra para poder propagarse por la fibra.Al girar el ángulo de aceptación en torno al eje de la fibra obtenemos el cono de aceptación de la entrada de la fibra. En 3 dimensiones obtenemos el cono de aceptación.

APERTURA NUMÉRICA Describe la capacidad de aceptación de luz que tiene una fibra. A mayor apertura la fibra acepta mayor cantidad de luz.Se define como el seno del ángulo máximo que un rayo de luz que entra a la fibra puede formar con el eje de la fibra, y propagarse por el cable por reflexión interna, es decir, el seno del medio ángulo de aceptación. Los rayos de luz que entran al cable desde el exterior del cono de aceptación entraran al revestimiento y no se propagaran por el cable. Así para la luz que entra desde el espacio libre la AN es

NA=senθ=√η12−η2

2

La AN en las fibras de índice graduado es de 0.2 a 0.3 mientras que en las unimodales de 0.1 a 0.15, en estas unimodales la luz no se abre como en las multimodales x lo que no importa la AN.Un diámetro mayor de núcleo no necesariamente produce una mayor AN.NO CIRCULARIDAD DEL NÚCLEO Dentro de la fibra el núcleo no siempre va a ser uniforme es decir no es una circunferencia perfecta. Esto es una información que da el fabricante.

Nc=Dcmax−D cmin

50μmDesdiámetro

ERROR DE CONCENTRICIDAD (Ce)Es decir el núcleo no se encuentra exactamente en el centro del revestimiento.

C e=Y distancia entreel centro del núcleo y el centrodel revestimiento

50 μm<6 %

Para comprar una fibra debemos tener en cuenta el tipo de geometría, AN, errores de concentricidad, de no circularidad del núcleo.

PÉRDIDAS EN LOS CABLES DE FIBRAConocida como atenuación, produce una pérdida de potencia de la onda luminosa al atravesar el cable.Los efectos o consecuencias que produce la atenuación reducción del ancho de banda, rapidez de transmisión, eficiencia y capacidad general del sistema.

A (dB )=10 log PsalPent

La perdida es mayor en las multimodo que en las monomodo, debido a que existe dispersión de la luz producida por impurezas.La atenuación se expresa en dB de perdida por unidad de longitud.La potencia óptica medida a determinada distancia a una fuente de potencia se calcula

P=Pt∗10−AL

10 A es la perdidaen dBkm

Pt es la potenciade transmisionenwattLesla longitud de cable enkm

La potencia óptica en decibelios es

P (dBm )=Pt (dBm )−ALó10 log P1mW

Las principales pérdidas son1Por absorción 2Por dispersión en material o Rayleigh3Dispersión cromática o de longitud de onda4Por radiación5Dispersión modal6Por acoplamiento

1PÉRDIDA POR ABSORCIÓN la luz que entra en la fibra choca con las partículas impuras que quedan de la fabricación, estas absorben la luz y la convierten en calor.Hay tres factores que contribuyen a las perdidas por absorción -ABSORCIÓN ULTRAVIOLETA se produce por los electrones de valencia en el sílice. La luz ioniza los electrones de valencia y los pasa a la capa de conducción. La ionización equivale a una perdida en el campo luminoso total.-ABSORCIÓN INFRARROJA Los fotones de luz son absorbidos por los átomos de las moléculas del núcleo de vidrio. Los fotones absorbidos se convierten en vibraciones mecánicas aleatorias. O sea el fotón se queda vibrando y no pasa.-ABSORCIÓN POR RESONANCIA DE IONES se debe a los iones OH−¿¿son moléculas de agua atrapadas en el vidrio durante la fabricación, Fe, Cu, Cr producen perdidas porque empiezan a oscilar, es decir toman la misma frecuencia de la onda de luz y entran en resonancia debido a que tienen la misma frecuencia.

2PÉRDIDA POR DISPERSIÓN DE RAYLEIGHEs cuando los rayos de luz que ingresan a la fibra chocan con las impurezas que se crean durante el estiramiento y se difractan o desvían, lo que hace que se dispersen en todas las direcciones. Algo de la luz difractada sigue recorriendo la fibra y lo demás escapa al revestimiento.Fenómeno que sucede cuando la luz choca con partículas pequeñas comparadas con λ. Las partículas deben tener el tamaño de la longitud de onda de la señal.Se debe a las fluctuaciones microscópicas del índice de refracción en el núcleo. O sea toman diferentes direcciones.Este es el factor de la perdida propia que no se puede evitar (fabricación).

3 PÉRDIDA POR DISPERSIÓN CROMÁTICA O LONGITUD DE ONDA como el índice de refracción depende de la longitud de onda. Se presenta solo en monomodo. Se refiere a que cuando se envía un haz de luz que no tiene una longitud de onda única, es decir no son completamente puros, empieza a descomponerse debido a que viaja a distinta velocidad y no llegan al mismo tiempo, lo que proporciona una señal distorsionada. Esto se soluciona usando luz monocromática o sea que solo hay una longitud de onda, esto es usando un láser.

4 PÉRDIDA POR RADIACIÓNSe deben a cambios de dirección y dobleces de la fibra. Hay dos tipos: los microdobleces y los dobleces con radio constante.Los microdobleces son las imperfecciones geométricas en miniatura de la fibra, que representa una discontinuidad en ella en donde da cabida a la dispersión de Rayleigh.Los dobleces de radio constante son por demasiada presión o tensión cuando se esta realizando manejos en instalaciones.