4.Fundamentos de laFibra Optica

La fibra óptica se usó inicialmente en las plataformas principales de las redes de Telecomunicaciones, hoy se está instalando rápidamente en las redes de distribución y ya esta llegando al abonado. Mientras la tecnología que soporta la fibra óptica es compleja, y su proceso industrial muy sofisticado, el propio producto final es sorprendentemente amistoso al usuario. Con prácticas normales de campo y equipos no muy complicados, el proceso de instalación de un sistema óptico es simple, rápido, y de bajo costo; y las pruebas después de la instalación son sencillas. El hecho es que, hoy, la tecnología de fibra óptica supera de lejos a la del cobre, pero realmente es más fácil trabajar con ella.

La transmisión de fibra óptica involucra el cambio de las señales eléctricas en pulsos de luz, usando un transmisor optoelectrónico, y enviando los pulsos hacia el núcleo de una fibra óptica. Ya que el núcleo y el cladding circundante tienen composiciones diferentes, la luz es atrapada dentro del núcleo. Al extremo opuesto, un receptor cambia los pulsos regresándolos a señales eléctricas.

Fig. 4.1 El principio de operación de la fibra óptica esta basado en el principio de la reflexión interna total. En la figura, n=Indice de Refracción. Cuando n1 > n2, la fibra tiene Reflexión interna total.

La fibra óptica básica esta compuesto de tres capas concéntricas que difieren en propiedades :

Núcleo (Core ): La parte interna que conduce la luz. Revestimiento (Cladding) : la capa media que sirve para confinar la luz en el centro. Buffer ó Recubrimiento : la capa exterior que sirve como un "amortiguador" para proteger al núcleo y al cladding de algún daño. Fig. 4.2 Las capas concéntricas de una fibra óptica incluye al núcleo que lleva la luz, el cladding y el buffer de protección.

¿Como se propaga la información (luz) en la fibra óptica?

L a fibra óptica está compuesta por dos capas de vidrio, cada una con distinto índice de refracción. El índice de refracción del núcleo es mayor que el del revestimiento, razón por la cual, y debido a la diferencia de índices de refracción, la luz introducida al interior de la fibra se mantiene y propaga a través del núcleo. Se produce por ende el efecto denominado de Reflexión Tota l, tal como se ilustra en la figura 4.3.

La luz inyectada en el núcleo choca en las interfaces nucleo-clading con un ángulo mayor que el ángulo crítico reflejándose hacia el núcleo. Desde que los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, el rayo de luz continúa en zigzag sobre toda la longitud de la fibra. La luz es atrapada en el núcleo.
La Luz que golpea las interfaces nucleo-clading con un grado menor al ángulo crítico se pierde en el cladding.

FIG. 4.3. Los Rayos de Luz con ángulo menor al ángulo crítico se pierden en el cladding, las otras son atrapadas en el núcleo por la reflexión total de la misma.

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 4.4 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).

FIG. 4.4 Cono de aceptación en Fibras ópticas

La apertura numérica (NA.)

De acuerdo a la estructura de la fibra el índice del núcleo n1 es ligeramente superior a la de revestimiento n2 y su ángulo límite o crítico esta representado por la siguiente expresión:

Fig. 4.5.Conducción de la luz en un conductor de fibra óptica

Para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior de la fibra (aíre con índice de refracción n 0 =1), el ángulo (entre el rayo luminoso y el eje de la fibra) se rige de acuerdo a la ley de refracción:

Observaciones:

• Una NA alto recoge más luz, pero se reduce el ancho de banda. Una NA más bajo aumenta en ancho de banda.
• Una NA grande hace más fácil la inyección de la luz en una fibra, mientras un NA pequeño tiende a dar un ancho de banda más grande en la fibra.
• Una NA grande permite una dispersión modal mayor permitiendo más modos en los que la luz puede viajar. Un NA más pequeño reduce la dispersión limitando el número de modos.

Propagación de la Luz en el conductor de fibra óptica

Las leyes de la óptica nos ha permitido explicar la reflexión total de la luz, para ello hemos considerado que la luz se propaga en forma de rayos rectilíneos; para poder explicar los diferentes modos de propagación en el núcleo es necesario hechar mano de la teoría ondulatoria de la luz, teniendo en cuenta que el núcleo de la fibra esta entre lo 10 a 100 um, que solo es un poco mayor que la longitud de onda transmitida (aproximadamente 1 um) debido a estas dimensiones, en el núcleo ocurren fenómenos como los de interferencias que se pueden explicarse solo con la ayuda de la óptica ondulatoria.

La interferencia no es nada mas que la superposición de dos o más ondas y su combinación para formar una onda única. Una interferencia de dos ondas se obtiene solamente cuando ambas tiene la misma longitud de onda y existe una diferencia de fase constante entre ambas en el tiempo. Este tipo de ondas se llama ondas coherentes. Si en determinado punto del espacio ambas ondas presentan una diferencia de fase igual a un múltiplo entero de landa , se produce una suma de sus amplitudes, en cambio si esta diferencia es igual a un múltiplo entero de landa/2 (media longitud de onda), se produce una resta, y si ambas amplitudes son iguales, incluso se dará una anulación local de las ondas.

Las lámparas incandescentes emiten luz incoherente y la superposición de los trenes de ondas es totalmente irregular y únicamente ocasiona la iluminación general del ambiente.
Para la transmisión de la luz en los conductores de fibra óptica fue necesario encontrar fuentes luminosas coherentes o sea las que emiten una luz lo más coherente posible.
Por ello, el ángulo espectral de un emisor debería de ser lo más pequeño posible. A diferencia de los diodos luminosos con un ancho espectral de líneas > 40 nm se brindan especialmente los láseres que en virtud de una emisión de luz forzada dan la posibilidad de contar con una diferencia de fases constantes a igual longitud de onda. Con ello también aparecen interferencias en el conductor de fibra óptica, las cuales se reconocen porque la luz se propaga en el núcleo únicamente en determinados ángulos que corresponden a direcciones en las cuales las ondas asociadas al superponerse se refuerzan (interferencia constructiva). Las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse en un conductor de fibra óptica se denominan modos (ondas naturales o fundamentales)

Estos modos de propagación se pueden determinar matemáticamente con mayor exactitud aplicando las ecuaciones de Maxwell .