La fibra óptica monomodo
Estos tipos de fibras están caracterizadas por contener un núcleo de diámetro pequeñísimo, pequeño NA, baja atenuación y gran ancho de banda.
El requerimiento básico para tener una fibra monomodo es que el núcleo sea lo suficientemente pequeño para restringir la comunicación a un solo modo. Este modo de orden menor puede propagarse en toda la fibra con núcleo pequeño. Desde que una transmisión en modo único evita la dispersión modal, el ruido modal, y otros efectos típicos de una transmisión multimodo, esta fibra puede transmitir señales a mayor velocidad y es la que se ha adoptado como estándar en las telecomunicaciones.
Al tipo de fibra monomodo mas simple, frecuentemente se le denomina Fibra monomodo standard, y tiene un perfil del tipo step-index, con una frontera de separación abrupta entre el índice superior del núcleo y el índice inferior del cladding. El diferencial de los índices refractivos esta generalmente por debajo del 1%, la figura siguiente nos muestra una vista de los dos tipos principales de fibras monomodos del tipo step-index fabricados con sílica.
| En la figura se muestran dos tipos de fibras monomodos del tipo step-index. La diferencia entre los índices de refracción del núcleo y del cladding es el mismo, pero el cladding se ha rebajado en la fibra de la parte inferior, el cladding interior es dopado con flúor para reducir el índice de refracción. |
El diseño mas simple es el de una fibra con un cladding único como se muestra en la parte superior de la figura. El cladding es de sílica pura y el óxido de germanio se le agrega al núcleo para incrementar su índice.
Un diseño alternativo es logrado mediante el recorte del cladding como se muestra en la parte inferior de la figura. En este caso, el núcleo es fusionado con sílica dopado con menos óxido de germanio que el primer caso. La parte interna del cladding que rodea al núcleo es dopado con fluor, lo que reduce su índice de refracción por debajo del de la sílica pura.
Ambos diseños son típicos de fibras usadas en transmisiones de 1.3 mm, con un núcleo de 9 mm.
Condiciones Para Transmisión en modo único.
El número de modos de una fibra del tipo escalón depende del radio del núcleo D y de los índices de refracción y la longitud de onda de la luz :
reemplazando el NA con los índices del núcleo n1 y del cladding n2 obtenemos:
De esta ecuación se puede obtener el diámetro necesario para obtener una transmisión de tipo monomodo, esto se logra usando las funciones de Bessel, con la cual se obtiene:
D es el máximo valor permitido del núcleo para una transmisión de modo único. Para tolerar el inevitable margen de error, las fibras monomodos tiene un diámetro un poco menor que el máximo permitido, la diferencia de los índices de refracción para estos tipos de fibras se encuentran en un rango menor al 1% y el diámetro del núcleo es mas o menos cinco o seis veces la longitud de onda.
Esto hace que el tamaño del núcleo sea bastante sensible a la longitud de onda de operación, Ya que el área del núcleo se incrementa proporcionalmente al cuadrado del diámetro. El núcleo de una fibra diseñada para operar a 1.55 um tiene un área de mas de tres veces mayor que una fibra de modo único usado a 0.85 um.
Sin embargo el diámetro del núcleo es un parámetro fisico que aparece en la ecuación para la transmisión de modo único, recuerde que una fibra monomodo es una guia de onda dieléctrica. Esto quiere decir que una porción de la luz se extiende en la guía hasta el cladding. Esta área de guía de luz es medido como el diámetro de modo de campo que se cita en las especificaciones de las fibras ya que es importante para el acoplamiento de la luz. Típicamente la diferencia entre diámetro del modo de campo y el diámetro de un núcleo de una fibra monomodo del tipo step-index esta entre el 10% al 15%. Un diámetro de modo de campo típico para una fibra monomodo de tipo step-index es de 9,3 um para una longitud de onda de 1.31 um y de 10.5 um para 1.55 um.
Longitud de Onda de Corte.
El diámetro máximo del núcleo de una fibra monomodo depende de la longitud de onda de transmisión, si se resuelve la ecuación para la longitud de onda, encontraremos que para un diámetro específico del núcleo, una fibra monomodo la luz se transmitirá en un solo modo solamente para longitudes de onda mayores que un valor denominado Longitud de onda de corte , que estará dado por:
Una fibra con diámetro D es del tipo monomodo para longitudes de onda mayores a la onda de corte. Si la longitud de onda decrece, empezarái a transmitir 2 modos a la onda de corte.
Así como el diámetro de del núcleo de la fibra es una consideración importante en el diseño de la fibra, la longitud de onda de corte es importante para las aplicaciones de la fibra. Si deseamos que solo un solo modo sea transmitido en un sistenma de comunicación debemos de estar seguro que la longitud de la onda de transmisión sea mayor que la ongitud de onda de corte. En la práctica las fibras son diseñadas con un ángulo de corte significativamente menor que la longitud de onda en la cual la fibra va a funcionar. Por ejemplo, una fibra de modo simple para ser usada en 1.3 um probablemente tendrá un ángulo de corte inferior a los 1.25 um.
Las fibras monodos siempre permanecerán siendo monomodos para longitudes de onda de operación mayores a la longitud de onda de corte. Así una fibra cuya especificación es para trabajar a 1. 3 um tambien será monomodo para 1.5 um. Sin embargo una fibra de 1.55 um no será del tipo monomodo para 1.3 mm, y ni las de 1.3 um y 1.55 um serán del tipo monodo para una longitud de onda de 0.85 um.
Si la longitud de onda empieza a decrecer por debajo de la longitud de corte, primeramente se tendrá un segundo modo y así se irán adicionado nuevos modos. Los modos extras empezarán a interferirse unos con otros y con los modos primarios, causando serios problemas de perfomance. Así como las fibras multimodos, cualquier perturbación menor puede afectar al modo de propagación, a mas modos será menos predecible las características de la fibra.
Si bien desde mediados de los 60 cuando Charles Kao dio a conocer las ventajas de las fibras monomodos los investigadores se percataron de ciertos inconvenientes para su aplicación, con el tiempo aparecieron otros inconvenientes inevitables que tuvieron que ser resueltos. Los investigadores se percataron que las propiedades de la fibra monodo del tipo step-index no eran ideales, Su dispersión tiene un mínimo a 1.31 um, pero su atenuación tiene su mínimo en 1.55 um .
Los mejores amplificadores disponibles de fibras dopados en Erbio, operan entre los 1.5 y 1.6 um, mientras la dispersión de la fibra standard es relativamente alto. Esto y otras limitaciones han permitido a los investigadores desarrollar otros tipos de fibra monomodo con diferentes estructuras para alterar la dispersión.
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