Objetivos: Concepto de Fibra ptica El fenmeno de la luz y su efecto en la Fibras pticas.Marco TericoFibra pticaLas fibras pticas se ocupan de la transmisin de la energa luz a travs de fibras transparentes. Como la gua de luz de fibra ptica depende de la naturaleza de la luz y de la estructura de la fibra ptica. La onda de luz es una forma de energa que se desplaza con movimiento ondulatorio.Definimos al movimiento ondulatorio como una perturbacin repetitiva que avanza a travs del espacio con o sin el uso de un medio fsico. En las fibras pticas, el movimiento ondulatorio es el desplazamiento de la energa de la luz a travs de la fibra ptica.Ley de Snell.Cuando un rayo de luz se transmite a un nuevo medio ptico, la relacin entre el ngulo incidente y el ngulo refractado viene dada por la siguiente expresin:

n1 es el ndice de refraccin del primer medio refractivo.n2 es el ndice de refraccin del segundo medio refractivo.1 es ngulo de incidencia.2 es ngulo de refraccin.Reflexin de la Luz.Un rayo de luz que incide sobre una superficie reflectante, cumple la siguiente ley: El ngulo formado por el rayo reflejado y la normal es igual al ngulo formado por el rayo incidente y la normal.La ley de reflexin nos permite saber la ubicacin de la imagen reflejada en un espejo plano donde la distancia de la imagen detrs del espejo es igual a la distancia del objeto delante del espejo.Reflexin de Fresnel.En ptica, la reflexin de una porcin de la luz incidente en una interfaz discreta entre dos medios que tienen distintos ndices refractivos.La reflexin de Fresnel ocurre en las interfaces aire-vidrio en los extremos de la entrada y salida de una fibra ptica. Produciendo perdidas de transmisin del orden de 4% por interfaz, que se puede reducir considerablemente usando un adaptador de ndice de materiales.El coeficiente de reflexin depende de la diferencia del ndice de refraccin, del ngulo de incidencia, y de la polarizacin de la radiacin incidente.Refraccin de la luz.Refraccin es el cambio de direccin de una onda debido al cambio de velocidad. Esto ocurre cuando las ondas pasan de un medio con ndice de refraccin dado a un medio con otro ndice de refraccin. La refraccin de la luz al pasar de un medio rpido a otro de densidad ptica ms lenta, el haz de luz se quiebra acercndose a la normal de la frontera entre los dos medios.Absorcin de la luz. Cada material absorbe una cierta cantidad de energa de luz. La calidad de absorcin depende de la longitud de onda del material. Por ejemplo, puede ver que un rayo de luz se refleja y se difunde al llegar a una hoja de papel blanca.Si en cambio el rayo de luz llega de una hoja de papel negra, este absorber la mayor parte de los rayos de luz y reflejara una parte muy pequea de la luz.Si la superficie es perfectamente negra, no hay reflexin; es decir, la luz es absorbida por completo. No importa a que clase de superficie llegue la luz, algo de la luz se absorbe.Absorcin en Fibras pticas. La absorcin es la causa mas importante de la perdida de una seal en la fibra ptica. La absorcin se define como la pocin de atenuacin resultante de la conversin de la energa ptica en otra forma de energa, tal como calor. Explicamos la absorcin en fibras pticas por medio de tres factores. Las imperfecciones en la estructura atmica inducen a la absorcin por la presencia de molculas faltantes o defecto de oxigeno. La absorcin tambin es inducida por la difusin de las molculas de hidrogeno en la fibra de vidrio. La absorcin interseca es causada por las caractersticas bsicas del material de la fibra. Si una fibra ptica fuera absolutamente pura, sin imperfecciones o impurezas, entonces toda la absorcin seria intrnseca. La absorcin intrnseca fija el nivel mnimo de absorcin.En fibras pticas es ms comn usar las fibras de silicio (vidrio puro). Estas tienen una baja absorcin intrnseca del material en las longitudes de onda de trabajo. En el vidrio de silicio, el rango de longitudes de onda de trabajo va desde 700 nm a 1600 nm. La absorcin extrnseca es causada por las impurezas introducidas en el material de la fibra. Las impurezas de los materiales, tales como el hierro, nquel y cromo, se introducen en la fibra durante la fabricacin. La absorcin extrnseca es causada por la transicin electrnica de los iones del metal al pasar de un nivel de energa a otro. Tambin ocurre cuando los iones del radical hidroxilo (OH-) se introducen en la fibra. En agua en las redes de slice forma enlaces de hidrogeno entre grupos silanol (Si-OH). Este enlace tiene una absorcin fundamental en 2700 nanmetro. Sin embargo, las armnicas de la absorcin fundamental ocurren en la regin de operacin. Estas armnicas aumentan la absorcin extrnseca en 1383, 1250, y 950 nanmetros.Dispersin de la luz.Parte de la luz que golpea en los tomos y otras partculas inevitablemente se dispersa. La luz no se absorbe, solo se la enva a otras direcciones en un proceso llamado dispersin de Rayleigh, en nombre del cientfico britnico Lord Rayleigh (1842-1919), nobel de fsica quien descubri como pequeas partculas presentes en la atmosfera dispersan determinadas longitudes de onda de los rayos del sol.Sin embargo, la distincin entre dispersin y absorcin no es muy importante si se enva la luz a travs de la fibra, porque en cualquier caso la luz se pierde en la fibra. Como la absorcin, la dispersin es uniforme y acumulativa. Cuanto ms lejos viaja la luz dentro del material, es ms probable que ocurra dispersin. La funcin es igual que para la absorcin de la luz, pero la fraccin de la luz dispersada se expresa con la letra S.La dispersin no depende del tipo especfico del material sino del tamao relativo de las partculas con respecto a la longitud de onda de la luz.Reflexin en fibras pticas.Bsicamente, las perdidas por dispersin son causadas por la interaccin de la luz con las fluctuaciones de la densidad dentro de la fibra. Los cambios de densidad se producen en el momento de fabricacin de las fibras pticas. Durante la fabricacin se crean regiones de densidad molecular mayores y menores respecto a la densidad media.En fibras comerciales que operan entre longitudes de onda de 700 nm y 1600 nm, la fuente principal de perdida se llama dispersin de Rayleigh. La dispersin de Rayleigh es el mecanismo principal de perdida entre las regiones ultravioletas e infrarrojas.Reflexin interna total.Este fenmeno ocurre cuando la luz se refracta en el lmite de un medio tal que pueda retornar, con eficacia la reflexin de toda la luz. La operacin de las fibras pticas se basa en el principio de Reflexin interna total. La fibra ptica es un filamento flexible de vidrio.Reflexin interna total en Fibras pticas.La ley por la cual depende esta transmisin de la luz se llama reflexin interna total. La luz viaja dentro del centro de la fibra golpeando la superficie exterior con un ngulo de incidencia mayor que el ngulo critico, para reflejar toda la luz hacia el interior de la fibra sin perdida.Esta importante aplicacin tcnica de la reflexin interna total significa que la luz se puede transmitir en largas distancias siendo reflejada miles de veces. De esta manera, casi toda la luz que entra en la fibra emerge en el otro extremo a miles de kilmetros mas lejos.Difusin de la luz.Al reflejarse la luz en un espejo, el ngulo de reflexin es igual al ngulo de incidencia. Cuando la luz se refleja en un papel blanco liso; sin embargo, el haz de luz reflejado se dispersa o se disemina. Como la superficie del papel no es lisa, la luz reflejada se quiebra en muchos rayos de luz que se reflejan en todas las direcciones. Atenuacin de la luz.La atenuacin de la luz determina con que rapidez disminuye la intensidad de la luz en relacin a la distancia de los objetos. Con 100% de atenuacin obtenemos que al duplicar la distancia la intensidad es cuatro veces menor. La atenuacin de la luz tradicional es cuadrtica, significa que la intensidad de la luz es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Otras atenuaciones tiles, por ejemplo es la lineal donde la intensidad de la luz disminuye en la misma relacin que la distancia aumenta, y la constante donde la intensidad de la luz nunca disminuye.Fijando la atenuacin en 50%, la atenuacin es lineal y en 0% la atenuacin es constante. Los valores entre 0% y 50% de atenuaciones producen resultados entre constantes lineales y valores entre 50% y 100% darn lugar a atenuaciones mas rpidas que lineal pero mas lento que cuadrticas.Atenuacin en fibra ptica.La atenuacin en fibras pticas es causada por la absorcin, dispersin, y prdidas de curvatura. La atenuacin es la perdida de potencia ptica al viajar la luz a lo largo de la fibra. Definimos la atenuacin de la seal como la relacin entre la potencia ptica de entrada (Pin) y potencia ptica de salida (Pout). La potencia ptica de entrada es la potencia que se aplica a la fibra desde una fuente ptica. La potencia de salida ptica es la potencia recibida en el extremo de la fibra o el detector ptico.La atenuacin de la seal es una relacin logartmica. La longitud (L) se expresa en Kilmetros. Perdida total o Atenuacin: La dispersin y la absorcin se combinan para dar la prdida total, o la atenuacin, que es la cantidad importante en los sistemas de comunicaciones.Perdida de curvatura.Las prdidas de curvatura se clasifican segn el radio de curvatura: Perdidas por microcurvatura o perdidas por macrocurvatura.Las microcurvaturas son las pequeas curvas microscpicas del eje de la fibra que ocurren principalmente cuando se extiende el cableado de la fibra.Las macrocurvaturas son curvas que tienen un radio de curvatura grande comparado con el dimetro de la fibra. Ambos son mecanismos de perdidas muy importantes.Dispersin en la fibra ptica.Existen dos tipos de dispersin en las fibras pticas. Los tipos son dispersin intramodal e intermodal. Dispersin intramodal o cromtica.Esta dispersin depende principalmente de los materiales de la fibra. Hay dos tipos de dispersin intramodal. El primer tipo es la dispersin del material. El segundo tipo es la dispersin de la gua de onda.La dispersin intramodal ocurre porque los distintos colores de la luz recorren la fibra a distintas velocidades, para distintos tipos de material y de estructuras.La dispersin del material ocurre pues la extensin del pulso de luz es dependiente de la interaccin de las longitudes de onda con el ndice de refraccin del ncleo de la fibra. Diferentes longitudes de ondas viajan a distintas velocidades a lo largo de la fibra. Diferentes longitudes de onda de un pulso de luz que entran al mismo tiempo en una fibra, salen de la misma en distintos instantes. La dispersin del material es funcin del ancho del espectro de la fuente. El ancho del espectro especifica la gama de longitudes de onda que pueden propagarse en la fibra. La dispersin del material es menor a longitudes de onda mayores.La dispersin de la gua de onda ocurre porque la constante de propagacin del modo es funcin del tamao del ncleo de la fibra relativa a la longitud de onda de trabajo. La dispersin de la gua de onda tambin ocurre porque la luz se propaga en forma diferente en el ncleo que en el revestimiento.En las fibras multimodo, la dispersin de la gua de onda y la dispersin del material son caractersticas bsicamente separadas. La dispersin de la gua de onda en multimodo es generalmente pequea en comparacin a la dispersin del material. La dispersin de la gua de onda en general es despreciable. Sin embargo, en las fibras monomodo, ambas dispersiones estn interrelacionadas. La dispersin total presente en las fibras monomodo se modifican modificando las caractersticas del material y de gua de onda dependiendo de la longitud de onda de trabajo.Dispersin Intermodal. La dispersin intermodal o modal hace que los pulsos de luz de entrada pierden su forma (se extiende). El pulso de la luz de entrada se compone de un grupo de modos. Mientras que los medios se propagan a lo largo de la fibra, la energa de la luz distribuida entre los modos es retrasada en diferentes cantidades. Hay dispersin del pulso pues cada modo se propaga a lo largo de la fibra a distintas velocidades. Puesto que los modos viajan en distintas direcciones, algunos modos recorren trayectorias mas largas.La dispersin modal ocurre porque cada modo viaja distintas distancias en el mismo intervalo de tiempo. Los modos de un pulso de luz que entran en la fibra al mismo tiempo, salen de la fibra en distintos instantes. Esta condicin hace que el pulso de la luz se extienda. A medida que aumenta la longitud de la fibra, tambin aumenta la dispersin modal.Polarizacin.Direccin del campo elctrico en la onda luminosa. Si el campo elctrico de la onda luminosa esta en el eje Y, se dice que la luz esta polarizada verticalmente. Si el campo elctrico de la onda luminosa esta en el eje X, se dice que la luz esta polarizada horizontalmente.Fibra ptica mantenedora de polarizacin: Esta diseada para permitir la propagacin de una nica polarizacin de la seal ptica de entrada.Dispersin por modo de Polarizacin (PMD, por sus siglas en ingles): La dispersin por modo de polarizacin es una propiedad inherente de todos los medios pticos. Es causado por las diferencias en las velocidades de propagacin de la luz en los estados de polarizacin principal ortogonal del medio de transmisin. El efecto en la red es que si un pulso ptico contiene ambos componentes de polarizacin, estos componentes viajaran a distintas velocidades, llegando en distintos instantes, diseminando la seal ptica recibida.Onda Plana.Una onda plana en dos o tres direcciones y dimensiones es como una onda senoidal en una dimensin salvo que los mnimos y mximos no son puntos, sino lneas (2-D) o planos (3-D) perpendiculares a la direccin de la propagacin de la onda. Los planos que tienen la misma fase se llaman Frentes de onda.Teora de Modo.La teora de modo, junto con la teora del rayo, se usa para describir la propagacin de la luz a lo largo de la fibra ptica. La teora de modo se usa para describir las caractersticas de la luz que la teora del rayo no puede explicar. Usa el comportamiento de la onda electromagntica para describir la propagacin de la luz a lo largo de una fibra. Llamamos modos de la fibra a sistemas de ondas electromagnticas guiadas.Tipos de Fibra ptica.Fibra ptica multimodo de salto de ndice.Debido a su gran dimetro es fcil de empalmar y terminar. Comparada con otros tipos es relativamente barata de fabricar. Sin embargo, tiende a ser demasiado lenta para la mayora de los propsitos y prcticamente desapareci de los sistemas modernos.Estas fibras tienen el rango mas grande de tamaos de ncleo (50 a 1500 micrones), y se encuentran disponibles para las mejores relaciones de eficiencia de ncleo a revestimiento. Consecuentemente, pueden aceptar luz de un rango muy amplio de ngulos. Cuanto mas amplio es el ngulo de aceptacin, sin embargo, mas larga es la trayectoria de la luz para un rayo dado. La existencia de muchas trayectorias distintas a travs de la fibra causa que los pulsos de la seal se diseminen, haciendo este tipo de fibra inadecuado para las telecomunicaciones.Fibras monomodo. Las fibras monomodo de las tres, son las que mejor rendimiento tienen. Se las fabrica usando una fibra de dimetro muy bajo (tpicamente 8um), cuando se introduce la luz en la fibra, las reflexiones se mantienen a un mnimo por las dimensiones del ncleo. Virtualmente la luz viaja derecho a travs de ncleo y los pulsos introducidos en un extremo se producen en el otro extremo con muy poca dispersin. Tpicamente, las fibras monomodo transportan seales con longitudes de onda de 1320 nm o 1550 nm. La fibra monomodo es relativamente costosa, y es ms difcil de empalmar y de determinar puesto que el ncleo se debe alinear con mucha exactitud. Construccin del Cable.Como en el alambre de cobre, el cable de fibra ptica se encuentra disponible en una amplia variacin fsica. Hay construcciones de conductores simples y mltiples, de tipos subterrneos, para el uso areo, e incluso de tipo militar ultra-rugoso cables tcticos que pueden soportar severos abusos mecnicos. El cable que uno elige, por supuesto depende de la aplicacin.Estas fibras estn protegidas por una construccin interna que es nica al cable de fibra ptica. Los dos esquemas mas comunes de la proteccin que se usan hoy en da es incluir la fibra minscula en un tubo apropiado flojo, tipo adherente, o cubrir la fibra con una capa ajustable de amortiguacin, tipo suelto. Tamaos de fibras pticas.El estndar internacional para el dimetro de revestimiento de fibras pticas de 125 micrones (um). Esta compatibilidad es importante pues permite que las fibras se adapten a los conectadores y empalmes estndares, y permite que se usen herramientas estndares. Las diferencias entre fibras residen en el tamao del ncleo, la regin que transporta la luz de la fibra.

Conectores de fibra ptica.Los conectores de fibra ptica necesariamente deben ser fciles de conectar (plug-and-play) y de conexiones desprendibles, que se pueden quitar con facilidad, aun su diseo es un desafo puesto que la luz se mueve eficientemente entre los conductos ofreciendo muchos obstculos mecnicos y pticos. Los conectores son difciles de poder implementar, puesto que se deben alinear en el extremo con un elemento optoelectrnico pequeo o con otra fibra. Adems, los conectores se deben poder usar por personal inexperto y deben ser muy baratos.