Fibra Óptica: Composición, Funcionamiento, Atenuación y Empalmes

1. Describe de qué se compone una fibra óptica y cómo funciona

La fibra óptica es una varilla que transporta la luz (core) rodeada de un revestimiento (cladding).

Es un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

2. Menciona cómo se obtiene el índice de refracción y por qué no se encuentran índices menores que 1

Si la luz pasa por un medio que sea claro, pero más denso, es lógico pensar que se desplazará con una menor velocidad que la velocidad de la luz en el vacío.

La velocidad de la luz en el vacío se puede aproximar a:

a. c = 300 Mm/s (con c = velocidad de la luz en el vacío).

b. Para conocer la nueva velocidad de la luz al interior del medio se puede despejar la ecuación:

c. Nueva velocidad de la luz = velocidad de la luz en el vacío / Índice de refracción

Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte. Cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión interna total.

Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando. Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al ángulo límite.

3. Describe qué ocurre con Ore = 90° y Oi cuando son mayores o menores del Ou que permite que Oief = 90°

Un caso especial de la refracción se da cuando el rayo refractado viaja por la frontera entre los dos medios quedando perpendicular a la línea de la Normal.

Esto se conoce como ángulo de refracción crítico y se calcula de la siguiente manera:

• El ángulo de refracción crítica finalmente responde a nuestra pregunta, clasificando a los haces de luz que inciden en ángulos menores y mayores que el ángulo de refracción crítica.
• Para los ángulos menores, se observará que el rayo de luz se refracta y escapa del primer medio más denso hacia el medio menos denso.
• Para los ángulos mayores, se observará que la luz se refleja en el interior del primer medio más denso.
• Esto se conoce como Reflexión Interna Total, y es el principio de funcionamiento de todas las fibras ópticas.

4. Menciona todo lo que conoce acerca de la atenuación en fibras ópticas

Atenuación: Pérdida de energía de la señal luminosa a medida que se propaga por el medio de transmisión. Su coeficiente la relaciona con la distancia.

• Atenuación:

Dispersión de Rayleigh

Producidas por difusión de la luz por presencia de irregularidades, discontinuidades y des-homogeneidad del material, cuando las imperfecciones son ≤ λ.

Es un fenómeno inherente a todos los materiales transparentes.

Son proporcionales a 1/λ⁴.

Absorción del Material

Es producida por el mecanismo de interacción luz-materia.

Absorción intrínseca: producida por resonancia mecánica de las moléculas del vidrio (extrae energía en parte del infrarrojo) y por las transiciones de las estimulaciones de las bandas electrónicas (extrae energía en parte del ultravioleta).

Absorción Extrínseca: producida por impurezas del material como iones de metales de transición.

Atenuación por Dispersión Lineal

Acoplamiento de modos de diferente distribución.

También se producen por tensiones y curvaturas extremas.

Atenuación por Dispersión No Lineal

Fenómeno complejo que implica la aparición de modos superiores (generación de frecuencias diferentes, más altas).

Recibe el nombre de emisión estimulada de Raman y Brillouin, se la utiliza en amplificadores ópticos.

Requiere potencias relativamente grandes.

5. Menciona todo lo que conoce acerca de la dispersión en F.O.

Dependiendo del tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo:

Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.

Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales.

A la pérdida de potencia a través del medio se conoce como Atenuación, es expresada en decibelios, con un valor positivo en dB. Es causada por distintos motivos, como la disminución en el ancho de banda del sistema, velocidad, eficiencia. La fibra de tipo multimodal tiene mayor pérdida debido a que la onda luminosa se dispersa originada por las impurezas. Las principales causas de pérdida en el medio son:

Pérdidas por absorción

Pérdida de Rayleigh

Dispersión cromática

Pérdidas por radiación

Dispersión modal

Pérdidas por acoplamiento

6. Describe los tipos de fibras ópticas que se han revisado en el curso

Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo.

Fibra multimodo

Es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez.

Fibra monomodo

Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación.

7. Describa que métodos se conocen para realizar la unión de las fibras ópticas.

 Empalmes por Fusión

Consiste en la unión permanente de las fibras mediante la fusióny unión de las mismas

Empalmes por Adhesión

Las fibras son insertadas en un mecanismo de alineación y luego unidas con un adhesivo epóxico

Mecanismos de Alineación:

Ranura en V: Tallada en un substrato metálico, cerámico o plástico

Base tres cilindros: El empalme es hecho introduciendo la fibra dentro de tres tubos de alineación

Base tubo ajustado: Se introduce la fibra dentro de un tubo o manguito de vidrio agujereado perfectamente circular (3 mm mayor que el diámetro de la fibra)

Base tipo cuadrado: Se introduce la fibra dentro de un tubo de sección cuadrada, haciendo ángulo de modo de orientarlas hacia la esquina

El adhesivo epóxico además de servir como elemento de unión es adaptador de índices de refracción

Puede optimizarse mediante rotación de una de las fibras

Se logran pérdidas de inserción de 0.1-0.5 dB

Empalmes Mecánicos

Consiste en un tubo dividido horizontalmente, la parte de abajo es una base tipo V y la de arriba una tapa plana

El espacio entre ambas se llena de un gel adaptador, se insertan las fibras cortadas (de longitud determinada) y luego se cierran con unas grapas de presión que empujan las fibras hasta juntarlas

Existen versiones para conexiones multifibras planares

Empalmes de Fusión por Arco Eléctrico

Limpieza: Debe retirarse todas las protecciones de la fibra (desnudarla) a empalmar. Se utilizan pinzas de corte lateral. Luego con solvente (normalmente acetona) se limpia la fibra cuidadosamente

Empalmes de Fusión por Arco Eléctrico

Alineación: Se realiza sobre la empalmadora, enfrenta las dos fibras, preparándolas para la fusión. Puede realizarse por varios métodos según el tipo de empalmadora:

Empalmes de Fusión con Llama

Sigue el mismo proceso del método por fusión de arco eléctrico hasta el momento de la pre-fusión

Empalmes por Adhesión

Se debe realizar el proceso de limpieza y corte