viernes, 9 de abril de 2010

La Fibra Óptica



Una Breve Cronología Histórica de la fibra óptica


La Prehistoria de la fibra

Los sistemas ópticos de comunicación, existen desde hace 2 siglos, el "Telégrafo Óptico" fue inventado por el Ing. francés Claude Chappe en 1790, Su sistema consistía de una serie de semáforos montados en torres en los que un operador transmitía mensajes de una torre a otra.

Alejandro Graham Bell, patento un Sistema de Teléfono Optico, al cual lo llamó el "Photophone", en 1880, pero su primer invento el "Teléfono" fue el más práctico y popular.

Por los años 40 del siglo 19, el físico suizo Daniel Collodon y el físico francés Jacques Babinet, demostrarón que la luz podía guiarse a lo largo de los chorros de agua de una fuente. Pero fué el físico británico, John Tyndall, quien popularizó la guia de luz en base a chorros de agua, en una demostración realizada por primera vez en 1854, demostro que la luz podia ser guiada usando un chorro de agua fluyendo desde un tanque.

A inicios del siglo 20, los investigadores demostraron que una varilla de cuarzo doblada, podia transportar luz, y lo utilizaron como iluminadores dentales. Por los años 40s, muchos doctores usaban ya depresores de lengua de plexiglass iluminado.

En 1951, Holger Moller Hansen, presento en la oficina de patentes Danesa, un estudio de la Fibra Optica. Sin embargo, la oficina danesa negó su aplicación, Moller Hansen fue incapaz de lograr interesar a las compañías con su invento.

En 1954, Abraham Van Heel, de la Universidad Técnica de Delft en Holanda y Harold H. Hopkins y Narinder Kapany de la Academia Imperial en Londres, individualmente presentaron un estudio acerca de un conductor óptico en el prestigioso diario Británico "Nature". Ni Van Heel, ni Hopkins, ni tampoco Kapany, fabricaron coductores que pudieran transportar la luz a distancias largas, pero sus reportes hicieron que la F.O. revolucionara

Por los años 60, ya se habian desarrollado las fibras con cubiertas de vidrio, las que tenían atenuación de aproximadamente un decibelio por metro, adecuadas para la medicina, pero muy altas para ser utilizada en las comunicaciones.

En 1960 fue inventado el láser. El 22 de Julio de 1960, Una revista de Electrónica publicó la demostración de Theodore Maiman del primer láser.

Las fibras ópticas llamaron la atención, porque eran parecidos en teoría a una guia de onda con dieléctrico de plástico. En 1961, Elias Snitzer un óptico Americano, trabajando con Hicks en Mosaic Fabrications (Luego Galileo Electro-Optics) demostró esta similitud, fabricando fibras con núcleos pequeños que transportaban la luz a la manera de una guia de onda.

El Laboratorio STL de ITT y la aparición de Kao

Un pequeño grupo de investigadores no descartó la utilidad de la fibra tan fácilmente, un equipo de Standard Telecommunications Laboratories , inicialmente encabezados por Antoni E. Karbowiak, se dedicaron a estudiar las guias de onda ópticos para las comunicaciones. Karbowiak pronto se unio con un joven ingeniero nacido en Shanghai, Charles K. Kao.

A Kao le toco investigar la atenuación de la fibra.. Su investigación lo convenció que la alta pérdida de las primeras fibras , se debian a las impurezas, y no al sílice del vidrio mismo. En medio de esta investigación , en 1964, Karbowiak dejó STL y Kao tuvo que reemplazarlo como director de investigación de Comunicaciones Opticas. Kao trabajó en una propuesta de comunicaciones de larga distancia con fibras monomodos. Convencido que las pérdidas de fibra podia ser reducida por debajo de los 20 decibels por kilómetro.


El 1 de Abril de 1966 el instituto de Ingenieria Electrónica IEE publicó la propuesta notable de Kao con estas palabras:
"En el encuentro IEE en Londres el mes pasado, el Dr. C.K. Kao observó que a cortas distancias,se ha demostrado que las guias de ondas ópticas experimentales, desarrollados por los laboratorios de la Standard Telecommunications tiene una capacidad de información de un gigaciclo, o equivalente a alrededor de 200 canales de televisión o más que 200,000 líneas telefónicas. El describió el dispositivo de STL, como un nucleo de vidrio aproximadamente de tres o cuatro micras en diámetro, revestido con una capa coaxial de otro vidrio que tiene un índice refractivo aproximadamente de uno por ciento menor que el nucleo. El diámetro total de la guia de onda está entre 300 y 400 micras. Ondas opticas superficiales se propagan a lo largo de la interface entre los dos tipos de vidrio"

"Según el Dr. Kao, la fibra es relativamente fuerte y puede manejarse fácilmente. También, la superficie de la guía es protegida de influencias externas...la guia de onda tiene un radio mecánico de curvatura, lo suficiente para hacer a la fibra casi completamente flexible. A pesar de la circunstancia, el material tiene una adecuada disponibilidad y una baja pérdida, tiene una pérdida de aproximadamente 1000 dB/Km., STL cree que en el futuro, se desarrollaran materiales que tendran pérdidas de solo 10 decibelios por kilómetro".

Tomó cuatro años para alcanzar la meta fijada por Kao de los 20 dB/km., y la ruta del éxito fue demostrado de manera diferente a lo que muchos esperaban. La mayoría de los grupos de investigación, intentaron purificar los compuestos del vidrio, que eran usados por la óptica estándar, que son fáciles de fundir y estirar y convertirse en fibras. En Corning Glass Works (ahora Corning Inc.), Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz, empezaron a trabajar con la sílice fundida, un material que puede fabricarse extremadamente puro, pero tiene un punto de fusión alto y un bajo índice de refracción. Ellos probaron con un preformado y realizaron depósitos de materiales purificados, desde la fase de vapor, adicionando cuidadosamente niveles controlados de dopantes, para obtener el nucleo con un índice refractivo ligeramente más alto que el del revestimiento, sin una elevación dramática de la atenuación.
En Septiembre de 1970, se realizo el anuncio que se habían obtenidos fibras monomodos, con atenuación a los 633-nanometros debajo de los 20 dB/km. Las fibras eran frágiles, pero las pruebas confirmaban la baja perdida

El gran avance del Corning estaba entre los más dramáticos de muchos desarrollos que abrieron la puerta a la comunicación por fibra óptica. En el mismo año de 1970, el laboratorio Bell y un equipo en el Instituto Físico Ioffe en Leningrad (ahora San Petersburg), fabricaron los primeros diodos lásers capaz de emitir ondas continuas a la temperatura ambiente. Durante los siguientes años, las pérdidas de las fibras cayeron dramáticamente, debido sobretodo a los métodos mejorados de fabricación y por el cambio de la longitud de onda, a los puntos donde las fibras tienen esencialmente baja atenuación

Las primeras fibras monomódos tenían núcleos de varios micrómetros de diámetro, y a inicios de los años 70 este hecho causaba molestia a los cientificos. Ellos dudaron que podría ser posible lograr la tolerancia necesaria para capturar eficazmente la luz de las fuentes dentro de los diminutos núcleos, o lograr empalmes o conectores eficientes. No satisfecho con el bajo ancho de banda de la fibra multimodo de indice escalón, se concentraron en las fibras multi-modo con un índice-refractivo gradual entre el nucleo y el revestimiento, y diámetros del nucleo de 50 o 62.5 micrómetros.
Un hito que es importante señalar es el logrado por MacChesney y sus colegas en los Laboratorios de Bell que consiguieron en 1974 el proceso quimico modificado de deposición de vapor MCVD que hizo posible la fabricación masiva de fibra óptica de alta calidad.

La primera generación probada en el campo de la telefonia fue en 1977, se usaron fibras para transmitir luz a 850 nanometros de los diodos láser de galio-aluminio-arseniuro.

Estas primeras generaciones de sistemas podían transmitir luz a varios kilómetros sin repetidor, pero estaban limitados por pérdidas de aproximadamente 2 dB/km. Una segunda generación pronto apareció, usando los nuevos lásers de InGaAsP que emitieron a 1.3 micrómetros, donde la atenuación de la fibra era tan baja como 0.5 dB/km, y la dispersión del pulso reducida a 850 nm.

A inicios de los años 80, los portadores inician sus construcciones de las redes nacionales con fibra monomodo a 1300-nm.

En 1983 MCI, una de las grandes compañias de larga distancia en los Estados Unidos fué la primera en tender una Red Nacional de Fibra óptica en ese pais.

La fibra de dispersión desplazada y la Segunda revolución de la Fibra
A fines de los años ochenta, los sistemas tendian a operar a mayores longitudes de onda. La Fibra de dispersión desplazada (DSF), se introdujo en 1985, y anunció una nueva era en las comunicaciones ópticas. Uniendo el mínimo de atenuación en la ventana de 1,550-nm con dispersión cero en la misma longitud de onda, con lo cual mayores velocidades de datos podrían llevarse a distancias mayores.
En los primeros años de los 90,aparece la fibra dopada con erbio (EDFA) , a esto muchos lo consideran la segunda revolución en la comunicación de la fibra óptica. Esta tecnología no sólo superó la limitación de la velocidad para la regeneración electrónica y permitió tramos más largos, le permitió a WDM ser el método de transmisión dominante hasta hoy

Cuando se inicio el despliegue de estas nuevas tecnologías, se puso en claro que el mismo atributo que había hecho tan atractivo la fibra de dispersión desplazada causaba inconveniente para las demandas de WDM. La potencia extra que tenia que transportar la fibra de vidrio por el uso de varios amplificadores por cada longitud de onda dio como resultado, los efectos no lineales en la transmisión.

Uno de los primeros y mas perjudiciales efectos que aparece es el efecto de la mezcla de cuatro ondas (FWM). En FWM, las longitudes de onda múltiples se combinan para crear nuevas longitudes de onda que pueden interferir potencialmente con la transmisión. El efecto es mas pronunciado cuando la dispersión es cercana a cero.

El desarrollo de la industria de la fibra de dispersión no nula (NZDSF) era una respuesta directa a los efectos no lineales de la propagación. Se Cambia la longitud de onda de dispersión cero fuera de la ventana de operacion, introduciendo asi una cantidad pequeña pero finita de dispersión para lograr reducir los efectos de FWM.

Los primeros cables NZDSF disponibles comercialmente con una gran área eficaz aparecen en 1998. Aumentando el área eficaz del modo de campo dentro de la fibra, , y, de aqui, los efectos no lineales pueden reducirse. Los beneficios técnicos son inmediatos: la capacidad del manejo de la potencia es más alta, el ratio señal/ruido es mayor, y el espacio entre amplificadores es mayor

La Proxima revolución
Asi como los amplificadores de erbio significaron un salto significativo hacia adelante en las comunicaciones ópticas basados en fibra, el Scwitch óptico y los ruteadores han sido la chispa para una nueva revolución de la fibra óptica.
Estemos atento a estos cambio que tiene como unico objetivo reducir el costo de transmisión por canal..


Bibliografía
1.- "City of de light: The Story of fiber Optics" por Tom Hayes, Oxford University Press
2.-Artículo "Optical Fiber Span 30 years" publicado en la revista Ligh-Wave en julio del 2000




Optica Básica-La Naturaleza de la Luz

El funcionamiento de la fibra óptica depende básicamente de los principios ópticos y de la interacción de la luz con la materia. El primer paso para el entendimiento del funcionamiento de la fibra óptica es dar un repaso a las partes relevantes de la óptica.

Desde un punto de vista físico, la luz puede ser tratado como una onda electromagnética o como un fotón. Esto es la famosa teoría dual onda-partícula de la física moderna. Ambos puntos de vistas son válidos, pero el punto de vista más simple es el considerar a la luz como un rayo que viaja en línea recta que puede ser reflejado, y refractado en las superficies.

La Luz

La naturaleza de la luz ha sido estudiada desde hace muchos años por muchos científicos tan notables como Newton y Max Plank.
La naturaleza de la luz ha sido interpretada de diversas maneras:

Como compuesta por corpúsculos que viajaban por el espacio en línea recta ( teoría corpuscular - Newton - 1670).
Como ondas similares a las del sonido que requerían un medio para transportarse (el Éter- teoría Ondulatoria - Huygens - 1678, Young y Fresnel).
Como ondas electromagnéticas , al encontrar sus características similares a las ondas de radio ( teoría electromagnética - Maxwell - 1860).
Como paquetes de energía llamados cuantos (Plank).
Finalmente Broglie en 1924 unifica la teoría electromagnética y la de los cuantos (que provienen de la ondulatoria y corpuscular) demostrando la doble naturaleza de la luz.
Teoría corpuscular
Newton descubre en 1666 que la luz natural, al pasar a través de un prisma es separada en una gama de colores que van desde el rojo al azul. Newton concluyendo que la luz blanca o natural está compuesta por todos lo colores del arco iris.
Isaac Newton propuso una teoría corpuscular para la luz en contraposición a un modelo ondulatorio propuesto por Huygens. Supuso que la luz está compuesta por una granizada de corpusculos o partículas luminosos, los cuales se propagan en línea recta , pueden atravesar medios transparentes y ser reflejados por materias opacas. Esta teoría explica la propagación rectilínea de la luz, la refracción y reflexión; pero no explica los anillos de Newton (irisaciones en las láminas delgadas de los vidrios), que sí lo hace la teoría de Huygens como veremos más adelante, ni tampoco los fenómenos de interferencia y difracción.

Newton, experimentalmente demostró que la luz blanca, al traspasar un prisma, se dispersa en rayos de colores y que éstos, a su vez, al pasar por un segundo prisma no se descomponen, sino que son homogéneos. De esta descomposición de la luz deduce y demuestra que al dejar caer los rayos monocromáticos sobre un prisma, éstos se recombinan para transformarse en luz blanca. Se desprende así que ésta resulta de una combinación de rayos coloreados que poseen diferentes grados de refrangibilidad; desde el violeta -el más refrangible- hasta el rojo -que tiene el menor índice de refracción -. La banda de los colores prismáticos forma el espectro, cuya investigación y estudio conduciría, en la segunda mitad del siglo XIX, a varios hallazgos ribeteados con el asombro.
Con su hipótesis corpuscular, intentó explicar el hermoso fenómeno de los anillos de colores engendrados por láminas delgadas (los famosos anillos de Newton) e interpretó igualmente la refracción de la luz dentro de la hipótesis corpuscular, aceptando que las partículas luminosas, al pasar de un ambiente poco denso (aire) a otro más denso (cristales), aumentan su velocidad debido a una atracción más fuerte. Esta conclusión, en nada es coincidente, como veremos más adelante, con la teoría ondulatoria de la luz, la que propugna una propagación más lenta de la luz en el paso a través de materiales más densos.
La teoría sobre una naturaleza corpuscular de la luz, sustentada por el enorme prestigio de Newton, prevaleció durante el siglo XVIII, pero debió ceder hacia mediados del siglo XIX frente a la teoría ondulatoria que fue contrastada con éxito con la experien cia.



Teoría Ondulatoria

Propugnada por Christian Huygens en el año 1678, describe y explica lo que hoy se considera como las leyes de reflexión y refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce con el sonido. Ahora, como los físicos de la época consideraban que todas las ondas requerían de algún medio que las transportaran en el vacío, para las ondas lumínicas se postula como medio a una materia insustancial e invisible a la cual se le llamó éter .
Justamente la presencia del éter fue el principal medio cuestionador de la teoría ondulatoria. En ello, es necesario equiparar las vibraciones luminosas con las elásticas transversales de los sólidos. Aquí es donde se presenta la mayor contradicción en cuanto a la presencia del éter como medio de transporte de ondas, ya que se requeriría que éste reuniera alguna característica sólida pero que a su vez no opusiera resistencia al libre transito de los cuerpos sólidos. (Las ondas transversales sólo se propagan a través de medios sólidos.)
En aquella época, la teoría de Huygens no fue muy considerada, fundamentalmente, y tal como ya lo mencionamos, dado al prestigio que alcanzó Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta la Teoría Ondulatoria de la luz. Los experimentos del médico inglés Thomas Young sobre los fenómenos de interferencias luminosas, y los del físico francés Auguste Jean Fresnel sobre la difracción fueron decisivos para que ello ocurriera y se colocara en la tabla de estudios de los físicos sobre la luz, la propuesta realizada en el siglo XVII por Huygens.
Young demostró experimentalmente el hecho paradójico que se daba en la teoría corpuscular de que la suma de dos fuentes luminosas pueden producir menos luminosidad que por separado. En una pantalla negra practica dos minúsculos agujeros muy próximos entre sí: al acercar la pantalla al ojo, la luz de un pequeño y distante foco aparece en forma de anillos alternativamente brillantes y oscuros. ¿Cómo explicar el efecto de ambos agujeros que por separado darían un campo iluminado, y combinados producen sombra en ciertas zonas? Young logra explicar que la alternancia de las franjas a semejanza de la imagen de las ondas acuáticas. Si las ondas suman sus crestas hallándose en concordancia de fase, la vibración resultante será intensa. Por el contrario, si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, la vibración resultante será nula. Deducción simple imputada a una interferencia y se embriona la idea de la luz como estado vibratorio de una materia insustancial e invisible, el éter, al cual se le resucita.

Ahora bien, la colaboración de Auguste Fresnel para el rescate de la teoría ondulatoria de la luz estuvo dada por el aporte matemático que le dio rigor a las ideas propuestas por Young y la explicación que presentó sobre el fenómeno de la polarización al transformar el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens y ratificado por Young, quien creía que las vibraciones luminosas se efectuaban en dirección paralela a la propagación de la onda luminosa, en transversales. Pero aquí, y pese a las sagaces explicaciones que incluso rayan en las adivinanzas dadas por Fresnel, inmediatamente queda presentada una gran contradicción a esta doctrina, ya que no es posible que se pueda propagar en el éter la luz por medio de ondas transversales, debido a que éstas sólo se propagan en medios sólidos. En su trabajo, Fresnel explica una multiplicidad de fenómenos manifestados por la luz polarizada. Observa que dos rayos polarizados ubicados en un mismo plano se interfieren, pero no lo hacen si están polarizados entre sí cuando se encuentran perpendicularmente. Este descubrimiento lo invita a pensar que en un rayo polarizado debe ocurrir algo perpendicularmente en dirección a la propagación y establece que ese algo no puede ser más que la propia vibración luminosa. La conclusión se impone: las vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, como Young lo propusiera, sino perpendiculares a la dirección de propagación, transversales.
Las distintas investigaciones y estudios que se realizaron sobre la naturaleza de la luz, en esa época , engendraron aspiraciones de mayores conocimientos sobre la luz. Entre ellas, se encuentra la de lograr medir la velocidad de la luz con mayor exactitud que la permitida por las observaciones astronómicas. Hippolyte Fizeau (1819- 1896) concretó el proyecto en 1849 con un clásico experimento. Al hacer pasar la luz reflejada por dos espejos entre los intersticios de una rueda girando rápidamente, determinó la velocidad que podría tener la luz en su trayectoria, que estimó aproximadamente en 300.000 km./s. Después de Fizeau, lo siguió León Foucault (1819 - 1868) al medir la velocidad de propagación de la luz a través del agua. Ello fue de gran interés, ya que iba a servir de criterio entre la teoría corpuscular y la ondulatoria. La primera, como señalamos, requería que la velocidad fuese mayor en el agua que en el aire; lo contrario exigía, pues, la segunda. En sus experimentos, Foucault logró comprobar, en 1851, que la velocidad de la luz cuando transcurre por el agua es inferior a la que desarrolla cuando transita por el aire. Con ello, la teoría ondulatoria adquiere cierta preeminencia sobre la corpuscular, y pavimenta el camino hacia la gran síntesis realizada por Maxwell

Teoría Electromagnética

Cuando hablemos del electromagnetismo, aquí podemos señalar sucintamente que fue desarrollada por quien es considerado el más imaginativo de los físicos teóricos del siglo XIX, nos referimos a James Clerk Maxwell (1831-1879). Este físico inglés dio en 1865 a los descubrimientos, que anteriormente había realizado el genial autodidacta Michael Faraday, el andamiaje matemático y logró reunir los fenómenos ópticos y electromagnéticos hasta entonces identificados dentro del marco de una teoría de reconocida hermosura y de acabada estructura. En la descripción que hace de su propuesta, Maxwell propugna que cada cambio del campo eléctrico engendra en su proximidad un campo magnético, e inversamente cada variación del campo magnético origina uno eléctrico. Dado que las acciones eléctricas se propagan con velocidad finita de punto a punto, se podrán concebir los cambios periódicos - cambios en dirección e intensidad - de un campo eléctrico como una propagación de ondas. Tales ondas eléctricas están necesariamente acompañadas por ondas magnéticas indisolublemente ligadas a ellas. Los dos campos, eléctrico y magnético, periódicamente variables, están constantemente perpendiculares entre sí y a la dirección común de su propagación. Son, pues, ondas transversales semejantes a las de la luz. Por otra parte, las ondas electromagnéticas se transmiten, como se puede deducir de las investigaciones de Weber y Kohlrausch, con la misma velocidad que la luz. De esta doble analogía, y haciendo gala de una espectacular volada especulativa Maxwell termina concluyendo que la luz consiste de una perturbación electromagnética que se propaga en el éter. Ondas eléctricas y ondas luminosas son fenómenos idénticos.


Veinte años más tarde, Heinrich Hertz (1857-1894) comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo con ello, definitivamente, la identidad de ambos fenómenos.

Hertz, en 1888, logró producir ondas por medios exclusivamente eléctricos y, a su vez, demostrar que estas ondas poseen todas las características de la luz visible, con la única diferencia de que las longitudes de sus ondas son manifiestamente mayores. Ello, deja en evidencia que las ondas eléctricas se dejan refractar, reflejar y polarizar, y que su velocidad de propagación es igual a la de la luz. La propuesta de Maxwell quedaba confirmada: ¡la existencia de las ondas electromagnéticas era una realidad inequívoca! Establecido lo anterior, sobre la factibilidad de transmitir oscilaciones eléctricas inalámbricas, se abrían las compuertas para que se produjera el desarrollo de una multiplicidad de inventivas que han jugado un rol significativo en la evolución de la naturaleza humana contemporánea.

Pero las investigaciones de Maxwell y Hertz no sólo se limitaron al ámbito de las utilizaciones prácticas, sino que también trajeron con ellas importantes consecuencias teóricas. Todas las radiaciones se revelaron de la misma índole física, diferenciándose solamente en la longitud de onda en la cual se producen. Su escala comienza con las largas ondas hertzianas y, pasando por la luz visible, se llegan a la de los rayos ultravioletas, los rayos X, los radiactivos, y los rayos cósmicos.

Ahora, la teoría electromagnética de Maxwell, pese a su belleza, comporta debilidades, ya que deja sin explicación fenómenos tan evidentes como la absorción o emisión; el fotoeléctrico, y la emisión de luz por cuerpos incandescentes. En consecuencia, pasado el entusiasmo inicial, fue necesario para los físicos, como los hizo Planck en 1900, retomar la teoría corpuscular. Pero la salida al dilema que presentaban las diferentes teorías sobre la naturaleza de la luz, empezó a tomar forma en 1895 en la mente de un estudiante de dieciséis años, Albert Einstein, que en el año 1905, en un ensayo publicado en el prestigioso periódico alemán Anales de la física, abre el camino para eliminar la dicotomía que existía sobre las consideraciones que se hacían sobre la luz al introducir el principio que más tarde se haría famoso como relatividad.

Los Paquetes de energía

Aunque la teoría ondulatoria es generalmente correcta cuando describe la propagación de la luz, falla a la hora de explicar otras propiedades como la interacción de la luz con la materia.
Cuando, en 1887, Hertz confirmó experimentalmente la teoría de Maxwell, también observó un nuevo fenómeno, el efecto fotoeléctrico, que sólo puede explicarse con un modelo de partículas para la luz:

Uno de los aspectos particulares del efecto fotoeléctrico que mayor confusión creó fue el que la distribución de la energía en los electrones emitidos es independiente de la intensidad de la luz.
Un haz de luz intenso da lugar a más fotoelectrones que uno débil,pero la energía media de los electrones es la misma.

Estas observaciones no se pueden entender en el marco de la teoría electromagnética de la luz.
Igualmente extraño es que la energía de los fotoelectrones dependa de la frecuencia de la luz empleada.
A frecuencias por debajo de cierta frecuencia crítica caracteristica de cada metal, no se emite ningún fotoelectrón.

Por encima de este umbral de frecuencia, los fotoelectrones tienen un márgen de energía que va de 0 a un determinado valor máximo. Este valor máximo aumenta linealmente con la frecuencia.

donde  es el umbral de frecuencia por debajo del cual no hay fotoemisión.

El fotón: partícula de luz

Einstein ha contribuido enormemente a nuestro conocimiento sobre la luz. No sólo demostró que la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 300.000 km/s), sino que introdujo la idea del cuanto de luz.

En esencia la idea de Einstein consiste en considerar que la luz está formada por partículas ya que los cuantos son pequeños "paquetes" indivisibles de energía, a los que llamó fotones. Recuerda que Newton planteó la idea de la luz compuesta de partículas, a las que llamó corpúsculos.

Los fotones pueden tener diferente energía dependiendo de su frecuencia, así una radiación de frecuencia elevada está compuesta de fotones de alta energía. La relación entre la frecuencia y la energía es: E = hf
donde E = energía ,h = constante de Planck y f = frecuencia.


Esta idea de Einstein explica por qué algunas radiaciones como la ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma son perjudiciales para los seres vivos. Recuerda que todas estas radiaciones se encuentran en la zona de mayor frecuencia del espectro electromagnético , y por tanto tienen asociada una energía muy alta que puede producir alteraciones en nuestras células e incluso en nuestro ADN.

La Naturaleza Ondulatoria de la Materia

Louis de Broglie apareció con una idea fascinante para explicarlos: él sugirió, que la materia realmente consiste de ondas. En primer lugar, de Broglie tampoco tenía idea de qué quería decir con la idea de que la materia son ondas; era simplemente una construcción matemática, que inesperadamente resultó ser muy útil.
Un electrón solamente puede estar en ciertas órbitas. Lo que hizo de Broglie, fue suponer que cualquier partícula--un electrón, un átomo, una bola de bolos, o lo que sea--tenía una "longitud de onda" que era igual a la constante de Planck dividida por su momentum.

Bueno, esta suposición no era completamente arbitraria; de Broglie sabía que el momentum y la longitud de onda de un fotón realmente estaban relacionados de esta manera .

Los fotones no tienen masa, pero tienen energía--y como lo demostró Einstein, hecho que ahora es muy famoso, la masa y la energía son realmente la misma cosa. Así que los fotones tienen momentum--¿pero qué es exactamente un fotón? Durante siglos, se realizó un candente debate acerca de si la luz está constituída por partículas o por ondas. En algunos experimentos, como el experimento de la doble rendija de Young, se demostró claramente que la luz era una onda, pero otros fenómenos, tales como el efecto fotoeléctrico, demonstraron de manera igualmente clara que la luz era una partícula.

Bueno, es ambas cosas--o ninguna. Algunas veces la luz presenta un comportamiento corpuscular, y a veces se comporta como una onda; todo depende de qué clase de experimento esté realizando Usted. Esto se conoce como dualidad onda/partícula, y quieralo o no, los físicos han sido forzados a aceptarla.

Y esa es la razón, por la cual Usted ha estado hablando algunas veces acerca de "ondas electromagnéticas" y a veces acerca de "fotones", los cuales se parecen más a partículas.

Eso es correcto. Ahora bien, la idea de de Broglie era que tal vez no solamente la luz tiene esta personalidad dual; sino tal vez todas las cosas.

Piense acerca de cuál sería la longitud de onda de la bola de bolos. De acuerdo con de Broglie, la longitud de onda es igual a la constante de Planck dividida por el momentum del objeto; la constante de Planck es muy, muy, muy pequeña, y el momentum de una bola de bolos, hablando relativamente, es enorme. Si Usted tuviese una bola de bolos de, digamos, una masa de un kilogramo, que se mueva a un metro por segundo, su longitud de onda sería aproximadamente un septillonésimo (10 elevado a la -21 ) de un nanometro.

Esto es tan pequeñísimo comparado con el tamaño de la bola de bolos, que Usted nunca se da cuenta de algún comportamiento ondulatorio; esa es la razón por la cual generalmente ignoramos los efectos de la mecánica cuántica cuando estamos hablando sobre objetos de la vida cotidiana. Es solamente a escala molecular o atómica, que las ondas comienzan a ser suficientemente grandes (comparadas con el tamaño de un átomo) para que se tenga un efecto apreciable.

Hipótesis de De Broglie

Basándose en la extraña naturaleza dual de la luz evidenciada por la radiación del cuerpo negro, y del efecto fotoeléctrico, Louis de Broglie propusó en 1924 que la materia también debería poseer propiedades tanto ondulatorias como corpusculares.



El espectro Electromagnético

Lo que llamamos luz solo es una pequeña parte del espectro de la radiación electromagnética. La radiación electromagnética puede ordenarse en un espectro que va desde las ondas de frecuencia sumamente alta y longitud de onda corta a frecuencia sumamente baja y longitud de onda larga.

La diferencia de las radiaciones en las diferentes partes del espectro electromagnético es una cantidad que puede ser medida de varias maneras: Como una longitud de onda, como la energía de un fotón, o como la frecuencia de oscilación de un campo electromagnético.


En un extremo del espectro se ubican las ondas de radio con billones de longitudes de onda más largos que aquéllos de la luz visible. En el otro extremo del espectro están los rayos gamma que tienen millones de longitudes de onda más pequeño que aquéllos de la luz visible.

La luz es una onda electromagnética, y por ende dicha onda puede oscilar en diferentes frecuencias, precisamente esta define el "color".
Hay algunas propiedades generales de la luz:

1. La luz puede viajar en el vacío, no así el resto de las ondas que necesitan de un medio material para hacerlo, ejemplo. El Sonido.

2. La velocidad de la luz es constante en el vacío, esto incluye a cualquier frecuencia de la misma, esto es 299,800 kilómetros / segundo en el vacío ( C ).

3. La luz blanca esta compuesta por todas las longitudes de onda, la cual al pasar por un prisma (medio óptico) se difracta en diferentes ángulos según su longitud de onda descomponiéndose asi en colores

A : Angstron,

1 ángstrom (Å) = 1x10 -10 m

J : Joule: Trabajo producido por una fuerza de un newton cuando su punto de aplicación se desplaza la distancia de un metro en la dirección de la fuerza.

 En el presente estudio estamos interesado solo en una parte del espectro electromagnético - La región óptica, donde la fibra óptica y los elementos ópticos trabajan. Esta región incluye la luz visible al ojo humano que va desde las longitudes de ondas de los 400 hasta 700 nanómetros. En líneas generales estamos hablando de longitudes de onda que van desde los 200 a 20,000 nm (0.2-20mm).
Las longitudes de onda normalmente usadas en comunicaciones en las fibras de silica están entre los 700-1600 nm (0.7-1.6mm).

Las fibras de plásticas típicas transmiten mejor una longitud de onda visible que al infrarrojo cercano, por lo que las comunicaciones sobre las fibras de plásticos típicas es con luz visible. Sin embargo la fibra de plástico no es tan transparente como el vidrio de sílica.

Las longitudes de onda normalmente usadas en comunicaciones en las fibras de silica están entre los 700-1600 nm (0.7-1.6mm).


Indice de Refracción

Una característica crítica de cualquier material transparente es su índice de refracción.
El índice de refracción (n) de un material se define como la velocidad de luz en el vacío (C) dividido por la velocidad de luz en ese material ( Cmat ).

La luz siempre es mas lenta en un material que en el vacio, por lo que el índice de refracción siempre es mayor que uno.


¿Qué significa todo esto?.. que la longitud de onda de la luz en un medio depende del índice refractivo del medio.

Para nuestro propósito asumiremos que el índice de refracción de la luz en el aire es similar al del vacío = 1
La luz disminuye su velocidad cuando ingresa a una sustancia, por lo que índice de refracción si empre es mayor que 1. La mayoría de los minerales tienen í ndice refractivo entre los 1.32 y 2.40.Sin embargo el índice de refracción de un mineral no es igual en todos los sentidos, es el caso de los cristales. La simetría interna de un mineral esta determinado por el arreglo interno de los átomos.

La Reflexión

Cuando los rayos de luz llegan a un cuerpo en el cual no pueden continuar propagandose, salen desviados en otra dirección, es decir, se reflejan. La forma en que esto ocurre depende del tipo de superficie sobre la que inciden y del angulo que forman sobre la misma.

Así las superficies pulidas (a) reflejan de una forma regular la mayor parte de las radiaciones luminosas que les llegan mientras que las superficies rugosas (b), actúan como si estuvieran formadas por infinidad de pequeñas superficies dispuestas irregularmente y con distinta orientación, por lo que las direcciones de los rayos reflejados son distintas. La mayor parte de lo que nosotros vemos es luz que ha sido reflejada por los objetos situados en nuestro entorno.

Como se menciona arriba, todo cuerpo, opaco o transparente, refleja una parte de la luz que incide sobre él. La mayoría de las superficies de los cuerpos son ásperas o irregulares, y producen por ello una reflexión difusa, enviando la luz reflejada en todas las direcciones posibles. Gracias a esta reflexión difusa podemos ver las superficies iluminadas: porque una parte de esa luz que ha sido reflejada en todas direcciones llega hasta donde están nuestros ojos.

Una superficie lisa y bien pulida, en cambio, produce una reflexión regular: la luz que incide en una dirección determinada, la refleja en otra dirección bien determinada . En este caso lo que se pone de manifiesto con la reflexión no es la superficie reflectora, sino los objetos cuyas imágenes se ven reflejadas. Este tipo de reflexión, llamada especular, ha llamado la atención del hombre desde tiempos inmemoriales, y ha tenido múltiples aplicaciones en ámbitos tan variados como el arte, el transporte, las comunicaciones y hasta en los actos de magia.


Una superficie rugosa feleja de manera difusa, y una superficie lisa refleja de manera especular; la imagen de una vela: contraste entre la reflexión difusa producida por una pantalla de cartón y reflexión regular del espejo.

La reflexión especular sigue un par de leyes muy simples:

La primera ley nos dice que el rayo incidente y el reflejado se encuentran siempre sobre el mismo plano.
La segunda que el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión son iguales.
Como resultado de estas leyes, tenemos que un espejo plano produce imágenes fieles de los objetos: ni los deforma ni los cambia de tamaño.Lo que si hace la reflexión es invertir derecha e izquierda; bien nos damos cuenta de ello cuando queremos hacer determinado movimiento con la mano frente al espejo, o descifrar un texto a través de su imagen reflejada.

Refracción

El cambio de dirección que sufren los rayos luminosos al pasar de un medio a otro, donde su velocidad es distinta, da lugar a los fenómenos de refracción. Así si un haz de rayos luminosos incide sobre la superficie de un cuerpo transparente, parte de ellos se reflejan mientras que otra parte se refracta, es decir penetran en el cuerpo transparente experimentando un cambio en su dirección de movimiento.

LAS LEYES DE LA REFRACCIÓN

Suponga usted que un rayo de luz incide en una superficie plana que separa dos medios. En la figura la recta vertical representa dicha superficie. Una vez más se ha dibujado la normal a la superficie. Al cambiar del medio I, el rayo cambia de dirección: se refracta en el medio R. Cada uno de los dos medios de propagación está caracterizado por un parámetro: el índice de refracción, n. La trayectoria del rayo refractado sigue dos sencillas leyes.

La primera es que dicho rayo se encuentra en el plano del rayo incidente y la normal que pasa por el punto de incidencia. En otras palabras, si el rayo incidente y la normal están en el plano de la hoja, también el rayo refractado debe estar en este plano.

L a segunda ley, es la denominada Ley de Snell y viene representada por la siguiente ecuación:


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 .



Tipos de fibras óptica-Fibras Multimodos

Ningún diseño de fibra satisface todos los requerimientos operacionales. Por razones económicas los fabricantes han concentrado sus esfuerzos en tres tipos de fibras:

a) Multimodo a índice escalón
b) Multimodo a índice gradual
c) Modo único o monomodo

Para poder obtener los índices de refracción distintos entre la corteza y núcleo de la fibra tales que satisfagan las condiciones de guía de luz se agrega impurezas al silicio, tales como el flúor y óxido de fósforo y el óxido de germanio que aumentan el índice de refracción.

La fibra tipo modo único que es la que menores pérdidas presenta se han logrado con silicio puro en el núcleo y con la corteza dopada de flúor, asegurando un rebote sin pérdida.


Fibra a índice Escalón(Step Index Optical Fibre) son aquellas en las cuales el valor del índice de refracción en el núcleo permanece siempre constante y mayor que el valor del revestimiento. Como se conoce en la fabricación de una fibra un núcleo cilíndrico de vidrio o plástico con índice de refracción n1 es cubierta por una corteza igualmente de vidrio o plástico con un índice de refracción menor n2 .

Una fibra que esté constituido por un núcleo de vidrio y corteza de plástico se le denomina fibra PCS (Plastic - Clad Silica). Se pueden obtener elevados NA con este tipo de fibras que además se caracterizan por tener un diámetro de núcleo ancho, elevada atenuación y pequeño ancho de banda. Lo importante de este tipo de fibra es que al ser elevado el NA, permite el uso de LED como emisor de superficie de bajo costo, así como conectores baratos.

Parámetros de Fibra Multimodo ---Indice - Escalón

Diámetro del Núcleo um
Recubrimiento um
NA
Atenuación dB/km 850nm
Ancho de bandaMhz-Km

En estos tipos de fibras los distintos modos de propagación o rayos siguen distintos caminos y llegan al otro extremo en instantes diferentes, provocando un ensanchamiento de la señal óptica transmitida. ( a este fenómeno se le denomina dispersión Modal, o multimodo).

El numero máximo de modos de luz (caminos para los rayos de luz) que pueden existir en el núcleo de una fibra depende de su apertura numérica ,de su diámetro y de la longitud de onda de la luz, para una fibra del tipo step index se puede determinar matemáticamente por la siguiente expresión .


La propiedad de la luz relacionada con el hecho que la propagación de la potencia óptica en las fibras ópticas se puede dar en muchos modos, debe considerarse como una desventaja debido a que se generen muchas trazas y consecuentemente distintos tiempos de tránsito (Fenómeno Fading). Matemáticamente; Se puede decir que la condición para que se genere más de un modo es la siguiente:


Donde d es el diámetro de la fibra. A mayor número de modos, mayor es el ángulo de la traza correspondiente como se puede ver en siguiente figura.


La luz de un emisor es distribuida uniformemente en el cono de aceptación de la fibra y la potencia óptica del pulso óptico de entrada es distribuida uniformemente en todos los modos. Debido a que cada modo tiene un tiempo diferente de propagación (porque recoreran distintas distancias), se producirá el efecto de una Distorsión del pulso y se tendrá un ancho de banda limitado. A este fenómeno se le llama la Distorsión Multimodo (Ruido determinístico coherente).

La distorsión multimodo recibe también el nombre de Dispersión modal y la relación entre los tiempos de recorridos mínimos y máximos es directamente proporcional a la relación entre los índices de refracción del recubrimiento y del núcleo que es del orden del 1%

Fibras a Indice Gradual (graded index core) Este tipo de fibra consiste de un núcleo cuyo índice de refracción varia con la distancia a lo largo del eje con el objetivo de disminuir los efectos de la dispersión modal. Al igual que la fibra de índice escalón, el núcleo esta rodeado por el vidrio del cladding ó revestimiento de menor índice refractivo.

Las fibras de índice gradual ofrecen una buena aceptación de luz y un ancho de banda mejor de las ofrecidas por las fibras a índice escalón. Otras características ofrecidas son:

· Diámetro del núcleo moderado
· Bajo NA
· Atenuación moderada.

El ancho de banda mejorado se debe a la estructura especial de la fibra que permite un índice de refracción distribuido como lo representa la siguiente figura:



Perfil de la fibra de índice gradual


El índice de refracción en función del radio del núcleo se expresa de la siguiente manera:


Donde : n0 es el índice de refracción en el centro del núcleo
r = radio
g = es el perfil del índice (ejemplo Cuadrático)
a = es el valor máximo del radio

donde:


Debido a que la velocidad de la luz decrece con el crecimiento del índice de refracción, la velocidad de la luz para modos cerca del centro del núcleo es menor que en la zona cerca al límite con la corteza. Para perfiles parabólicos (cuadráticos) del índice de refracción, el tiempo de propagación, para varios modos es casi ecualizado, lo cual reduce la distorsión debido a la propagación multimodo.
Las fibras de índice gradual fueron diseñadas especialmente para las telecomunicaciones, por largo tiempo los diámetros standares han sido de 50 y 62.5 um con un cladding de 125 um, algunas son fabricadas con un núcleo de 82.5 um.

Fue usada para algunas aplicaciones de Telecomunicaciones hasta mediados de los 80,s, estos tipos de fibras han permanecido en uso,principalmente en las redes de datos para transportar datos a distancias moderadas, tipicamente a no mas de un par de Kiilometros .





La Fibras a modo único

Estas fibras están caracterizadas por contener un núcleo de pequeñísimo diámetro, 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.








Fibra Monomodo de Dispersión Desplazada

Con la fibra monomodo estándar dejo de tener importancia la dispersión modal, y paso a tener una mayor importancia la dispersión espectral o dispersión cromática, causada por la variación de la velocidad de la luz a través de una fibra con una determinada longitud de onda. La dispersión cromática esta formada por la suma de dos componentes: la dispersión inherente al material y la dispersión originado por la estructura de la guia de onda, estos componentes pueden tener signos diferentes. Ambos componentes se cancelan en un punto cercano a 1.31 mm en una fibra monomodo estándar del tipo step-index,. Esta es una longitud de onda útil, pero no es ideal ya que la pérdida de una fibra de vidrio es menor a 1.55 um, y los amplificadores dopados de Erbio operan en este rango.

La Dispersión total es la suma de dos componentes:

La dispersión del material es una característica inherente del material, que no puede ser fácilmente cambiada sin alterar la composición del vidrio y aumentar la atenuación.

La dispersión de guía de onda se origina porque la propagación de la luz en una guía de onda depende de la longitud de onda así como de las dimensiones de la guía. La distribución de la luz entre el núcleo y el cladding cambia con la longitud de onda.
El cambio de la distribución de la luz afecta la velocidad de transmisión de la luz a través de la fibra. El núcleo y el cladding tienen diferentes índices de refracción que determina la velocidad de la luz en ellos. Ya que la luz permanece un tiempo tanto en el núcleo como en el cladding, su velocidad efectiva a través de toda la fibra es un promedio que depende de la distribución de la luz entre ambos. Un cambio en la longitud de onda cambiara la distribución de la luz, y asimismo la velocidad promedio, causando una dispersión de guía de onda.

Ambas dispersiones dependen del rango de longitud de onda de la señal, afortunadamente la dispersión puede tener diferentes símbolos, dependiendo si le velocidad de la luz en la fibra se incrementa o disminuye con la longitud de onda. De esta manera las dispersiones de guía de onda y del material se cancela una a otra en un punto cercano a 1.31 mm en una fibra standard del tipo step-index tal como se muestra en la figura . Cambiando el diseño de la interfase núcleo-cladding se puede alterar la dispersión de guía de onda y así cancelar la dispersión cromática en otra longitud de onda.



Existen dos tipos de dispersión desplazada, con pequeñas diferencias, que han llegado a tener gran importancia en el desarrollo tecnológico de la fibra

1- Fibra desplazada de Dispersión nula.

La primera fibra con dispersión desplazada fue diseñada para una dispersión cero a una longitud de onda de 1.55 nm .

Esta fibra fue introducida en el mercado a mediados de los 80´s y permanece en uso, sin embargo nunca llegó a ser tan común como la fibra monomodo standard.


Una fibra diseñada con una dispersión de guia de onda mayor desplaza la dispersión cero a una longitud de onda de 1.55 um
En la siguiente figura mostramos el diseño comercial de una fibra de dispersión desplazada cero. El núcleo tiene un pico del índice refractivo en el centro y cae gradualmente al mismo valor que el del cladding exterior, se fabrica con sílica pura. Un pequeño cladding interior de sílica pura rodea al núcleo interno, y este a su vez es rodeado por un núcleo exterior. El índice refractivo del núcleo exterior se incrementa con la distancia del núcleo hasta que alcanza un pico a la mitad de camino entre el índice de sílica pura y el pico interior . Luego cae suavemente hasta alcanzar el nivel del cladding exterior de sílica pura. Este diseño incrementa la dispersión de guia de onda. Asimimo tambien afecta el diámetro de modo de campo, reduciéndolo a aproximadamente 8.1 um en los 1.55 um, comparado a los 10.5 um típicos para las fibras monomodos de tipo escalón operando a 1.55 um.


Este diseño trabaja muy bien para los sistemas de transmisión de señales en la región de la longitud de onda de dispersión cero. Sin embargo, si el sistema transmite múltiples longitudes de onda en la región de los 1.55 mm, las señales en las diferentes longitudes de onda pueden mezclarse unas a otras, generando ruido que degrada la perfomance de los sistemas.

2. La fibra de Dispersión desplazada casi nula. NZ-DSF

El diseño de una fibra de dispersión desplazada puede ser modificada para desplazar la dispersión cero a una longitud de onda mas allá del rango de operación de los amplificadores dopados con erbio, para evitar las mezclas de ondas que causan el problemas en los sistemas que usan multiplexación de longitudes de onda. Por ejemplo, un pequeño adelanto de la dispersión de guía de onda puede llevar la dispersión cero a una longitud de onda de 1.6 mm. A estas fibras se les denomina fibras de dispersión desplazada no nula ó casi cero porque el rango de dispersión bajo esta desplazado, pero la dispersión cero se encuentra en un punto fuera del rango usado para transmitir la señal.

La diferencia en el diseño es sutil, el perfil del índice de refracción se muestra en la siguiente figura que es muy semejante al perfil de las fibras de dispersión cero, pero existe una diferencia marcada en la magnitud de los picos en la curva.


El cambio conjunto en la dispersión es mínimo, pero bastante significativo, la dispersión permanece relativamente baja en la ventana de los 1.55 um, sin embargo la diferencia entre estos tipos de fibras de dispersión desplazada es sutil, pero puede afectar fuertemente la perfomance de los sistemas que usan multiplexación de división de ondas.


En el aspecto normativo, actualmente las fibras NZ-DSF están agrupadas bajo la norma G.655 de la ITU-T que posee tres clases: G.655.A; G.655.B y G.655.C. Ellas se diferencian esencialmente en que la fibra de tipo "A" describe la fibra NZDSF original, sin los requerimientos actuales de PMD o banda L; la de tipo "B" comprende los nuevos tipos de fibra que cumplen con los requerimientos de PMD y de banda extendida al aumentar el valor absoluto máximo del coeficiente de dispersión cromática a 10 [ps/km·nm], pero con una diferencia máxima entre el valor mínimo y el máximo dentro de la banda en valor absoluto de 5 [ps/km·nm]. Esto significa que la norma limita el valor de la pendiente de dispersión de la fibra. Finalmente la de tipo "C" además de cumplir con los requerimientos de PMD y de banda extendida, contempla las fibras de última generación que han logrado disminuir el coeficiente de PMD.



Sin embargo el aspecto normativo es solo el punto de partida y, en general, las fibras NZ-DSF de nueva generación cumplen sobradamente con estos requerimientos y se diferencian entre ellas por características aun mas especificas. Como se sabe, las NZ-DSF tradicionales están optimizadas para la transmisión en la banda C (Convencional), ya que en esta zona entregan una baja atenuación de alrededor de 0.2 dB/km, y un coeficiente de dispersión cromática bajo, pero no igual a cero (típicamente de ± 3 a ± 5 ps/km·nm) para minimizar los efectos de los fenómenos no lineales principalmente el FWM (Four Wave Mixing). En este tipo de fibras las mejoras que se introducen a las ya conocidas NZ-DSF tradicionales son:

Fibras NZ-DSF con un Área Efectiva Extendida: Debido a que los fenómenos no lineales se manifiestan a causa de que el campo modal esta muy concentrado en un área pequeña, las fibras de nueva generación aumentan el área efectiva de las fibras NZ-DSF convencionales para disminuir este efecto. El área efectiva en una fibra óptica NZ-DSF tradicional es de 50 a 60 µm². En las fibras de nueva generación con área efectiva extendida, el valor de este parámetro esta entre 70 µm² y 110 µm² con valores típicos de 72 µm². Sin embargo el área efectiva extendida no puede aumentar en forma excesiva ya que se debe mantener la condición monomodo de la fibra. El área efectiva extendida permite entonces disminuir el peak de potencia que la fibra óptica debe soportar disminuyendo de forma importante el fenómeno de mezcla de cuatro ondas, FWM.




La atenuación de las fibras ópticas



Las pérdidas es considerado el factor fundamental que limita el rendimiento de los sistemas de comunicación por fibra óptica. Las pérdidas reducen el promedio de potencia que llega al receptor.

La distancia de transmisión es una limitante inherente del sistema de fibra óptica, si consideramos que los receptores requieren una cantidad mínima de potencia para reconocer la señal de transmisión.

Las ventajas dadas por la baja atenuación presentada por las fibras ópticas respecto a conductores convencionales se expresan en el siguiente diagrama :



La figura que sigue nos muestra el espectro de la curva de atenuación de una típica fibra óptica hecha de silicio. La curva tiene tres características principales. Una gran tendencia de atenuarse conforme se incrementa la longitud de onda ( Dispersión Rayleigh), Atenuación en los picos de absorción asociados con el ión hidroxilo (OH-) y una tendencia a incrementar la atenuación a las longitudes de onda por arriba de los 1.6 μm, debidas a las pérdidas inducidas por la absorción del silicio.


La Atenuación puede ser causada por varios factores los cuales pueden ser clasificados en dos categorías: Intrínsecos y Extrinsecos.

Atenuación Intrínseca
Ocurre debido a algo internos o inherente a la fibra, y esta causado por las impurezas del vidrio durante el proceso de fabricación. Las más precisa metodología de fabricación no a logrado eliminar todas las impurezas, a pesar que los adelantos tecnológicos han causado un decrecimiento dramático de la atenuación.
Si la señal de luz golpea con una impureza, pueden ocurrir dos cosas: puede esparcirse o puede ser absorbido.
El esparcimiento es la pérdida de la señal de luz en el núcleo debido a impurezas o cambios en el índice de refracción de la fibra. La luz es redireccionada por las propiedades moleculares de la fibra que da como resultado una fuga de señal dentro del cladding tambien pueden deberse a pérdidas en las uniones, o reflexiones hacia atrás. La dispersión de Raylegh representa mayoritariamente (cerca del 96%) la atenuación de una fibra óptica.

La luz viaja en el núcleo e interactua con los átomos en el vidrio. La onda de luz colisiona con los átomos, y da como resultado un esparcimiento La dispersión de Raileigh es el resultado de estas colisiones elásticas entre la onda de luz y los átomos de la fibra.
Si La dispersión de la luz mantiene un ángulo que soporta un viaje frontal dentro del núcleo, no ocurrirá atenuación, Si la luz es dispersada con un ángulo que no soporta un viaje frontal continuo, la luz es desviada fuera del núcleo y ocurre una atenuación.Algo de luz es reflejada hacia la fuente de luz. Esta propiedad es usada por el OTDR para realizar pruebas en la fibra

La absorción es el segundo tipo de de atenuación intríseca. La luz es absorbida debido a las propiedades químicas o impurezas naturales en el vidrio. De manera similar a la dispersión, la absorción puede ser limitada mediante el control de las impurezas durante el proceso de fabricación. Este tipo de absorción representa entre el 3-5% de la atenuación de una fibra.

Atenuación Extrínseca

Este tipo de atenuación puede ser causada por dos mecanismos externos : macrodoblado y microdoblado. Ambos causan una reducción de la potencia óptica.


Macrodoblado : La presencia de una curva en la fibra puede afectara el índice refractivo y el ángulo crítico del rayo de luz en esta área especifica. Como resultado, la luz que viaja en el núcleo puede refractarse, la pérdida es reversible una vez que desaparece el doblado. Para prevenir esto todos los cables de fibra tienen un mínimo ángulo de curvatura. La regla práctica para un cable monomodo es el de tener una curvatura mínima de 10 veces el diámetro externo para cables sin blindaje y 15 veces para cables con blindaje.
Microdoblado: Debido a un doblado a escala menor, generalmente debido a la presión sobre la fibra. Los microdoblados pueden ocasionarse debido a cambios en la temperatura, stress durante el jalado del cable, o alguna fuerza de rotura. Los microdoblados son localizados y la curvatura no puede se visto a simple vista en una inspección
Expresión Matemática de la Atenuación





La Dispersión (óptica)


La dispersión es el fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas.


Cuando la luz blanca, compuesta por ondas de todas las frecuencias dentro de la gama visible, pasa a través de un bloque de vidrio, los diferentes colores son refractados o desviados en distinta medida. Si los lados del bloque no son paralelos, los diferentes colores de la luz se propagan con ángulos distintos, produciendo un espectro.
Así como la luz del Sol genera a menudo espectros al atravesar un vidrio tallado. También las gotas suspendidas en el aire pueden dispersar la luz solar, produciendo el arco iris.

La dispersión se debe a que la velocidad de una onda depende de su frecuencia. Por ejemplo, las ondas luminosas de diferente longitud de onda tienen velocidades de propagación distintas en el vidrio, por lo que son refractadas en diferente medida.

El resultado de la dispersión es un espectro, y su estudio es la base de la espectroscopía, una de las disciplinas que más ha contribuido al conocimiento actual del universo.


Cuando un pulso de luz está viajando a lo largo de una fibra, la señal no sólo se atenúa sino también se desvía o extiende en el tiempo. Esto es debido a la dispersión. Si se envían varios pulsos en una fibra a una velocidad alta, los pulsos se solaparán debido a la dispersión y el receptor ya no puede distinguir donde empieza el pulso y donde el otro acaba


La dispersión ocurre debido a que la velocidad de la luz a través de la fibra depende de su longitud de onda y del modo de propagación. Las diferencias en la velocidad son pequeñas, pero de manera similar a la atenuación, esta se acumula con la longitud.

Los cuatro tipos de dispersión surgen de la transmisión multimodo (Modal), la dependencia del indice de refracción y la longitud de onda (Material), las variación de las propiedades de la guia de onda con la longitud de onda (Guia de onda), y la transmisisón de dos modos diferentes de polarización de la luz a través de una fibra monomodo (Polarización).

Dispersión modal

La dispersión modal o esparcimiento del pulso, es causado por la diferencia en los tiempos de propagación de los rayos de luz que toman diferentes trayectorias por una fibra. Obviamente, la dispersión modal puede ocurrir sólo en las fibras multimodo. Se puede reducir considerablemente usando fibras de índice gradual y casi se elimina totalmente usando fibras de índice de escalón de modo sencillo.

La dispersión modal puede causar que un pulso de energía de luz se disperse conforme se propaga por una fibra. Si el pulso que está esparciéndose es lo suficientemente severo, un pulso puede caer arriba del próximo pulso (este es un ejemplo de la interferencia de intersímbolo). En una fibra de índice de escalón multimodo, un rayo de luz que se propaga por el eje de la fibra requiere de la menor cantidad de tiempo para viajar a lo largo de la fibra. Un rayo de luz que choca a la interface de núcleo/cubierta en el ángulo crítico sufrirá el número más alto de reflexiones internas y, en consecuencia, tomar la mayor cantidad de tiempo para viajar a lo largo de la fibra.

Dispersión material

Tanto los transmisores que trabajan con láseres o LED´s producen un rango de longitudes de onda (una banda de luz), en lugar de una sola longitud de onda. La fibra tiene diferentes indices refractivos para diferentes longitudes de onda de aqui que cada longitud de onda viaje a fiferente velocidad. Esto da como resultado que que algunas longitudes de ondas lleguen antes que otros

Dispersión Guia de Onda

Este tipo de dispersión es un efecto complejo, y es causado por la forma el perfil del índice de refración del núcleo de la fibra. Sin embargo, esto puede ser controlado a través de un diseño cuidadoso, y en realidad, la dispersión de guia de onda puede ser usado para cotrarrestar la dispersión del material.

La forma o perfil de la fibra tienen un efecto siognificativo sobre la velocidad de grupo. Esto ese debido a que los campoos eléctrico y magnéticos qeu forman parte de un pulso de luz se extiende fuera del núcleo. Esta cantidad que los campos comparten entre el cladding y el núcleo tien una fuerte dependencia de la longitud de onda. A mayor longitud de onda mayor es la cantidad de la onda electromagnética se extiende sobre el cladding.

El Indice de Refracción que experimenta la longitud de onda es un promedio proporcional del IR del Nucleo y el cladding, dependiendo de la proporción que viaja en cada una de las partes. Desde que una mayor proporción de las ondas de longitudes cortas estan confinadas en el nucleo, las longitudes de ondas cortas ven un mayor IR que las longitudes de ondas lasrgas (porque los IR de nucleo es mayor que el cladding). De aqui que las longitudes de ondas cortas tiendan a viajar mas lentos que la ondas largas. Asi la señal llega a dispersarse (porque cada señal esta formada de un rango de longitudes de onda)

Dispersión por el Modo de Polarización
Otro tipo de Dispersión es del modo de Polarización PMD : la polarización es la propiedad de la luz relacionada con la dirección de sus vibraciones, el viaje de la luz en una fibra típica vibra en dos modos de polarización perpendiculares . El modo en el eje X es arbitrariamente etiquetado con un modo lento, mientras que en el eje Y es etiquetado en el modo rápido. La diferencia en los tiempos de arribo en los modos de dispersión por polarización (PMD), es típicamente medida en picosegundos. Sino es controlado, la PMD puede producir errores tasa de errores excesivos en la transmisión de los sistemas digitales y pueden distorsionar las señales

De manera similar a al atenuación la dispersión puede limitar la distancia a la que una señal puede llegar a través de una fibra óptica. La dispersión no debilita la señal, se vuelve borrosa. Si se envia una señal cada nonosegundo y si el pulso se dispersa a 10 ns al final de la fibra, las señales se solaparan. La señal esatrá presente, pero es tan ruidosa en el tiempo que no será posible recuperarla.

De una manera simple, la dispersión mide el ensanchamiento del pulso por unidad de distancia en nanosegundo o picosegundo por kilometro. El ensanchamiento total del pulso = dispersión /ns/km)x distancia (km)

La dispersión modal es de importancia en las fibra de indice escalón, en la cual los modos pueden viajar a través de la fibra a diferentes velocidades.Las fibra de indice gradual nominalmente ecualizan las velocidades de todos los modos transmitidos por la fibra,Pero las cosas so funiconan tan perfectamente en el mundo real. Es funcionalmente imposible obtener un pefil de índice de refracción que logre que todos los modos viajen a la misma velocidad, esto a que el perfil depende de la longitud de onda, y la fibra puede transportar señales de diferentes longitudes de onda. En la practica se depende de las especificaciones de fabricación para obtener la dispersión total de la fibra de índice gradual, sin embargo estos se especifica en función de unidad de ancho de banda.



Tanto la dispersión del material como de guia de onda dependen del rango de longitudes de onda en la señal. Se miden apropiadamente en unides de picosegundos por kilometro(de loongitud de fibra) por nanometro (de ancho espectral de la fuente de luz). LA dispersión de guia de onda y mateial tipicamente se suman para obtener la Dispersión Cromática :

Dispersión Cromática = dispersión(ps/nm-Km) x distancia(km)xancho espectral(nm)

Esto significa que la dispersión cromática es una característica de la fibra usada, la cantidad de dispersión cromática tambien depende de la fuente de luz.

La dispersión modal ocurre porqu diferentes modos siguen diferentes caminos en una fibr amultimodo. EN las fibra multimodo, la dispersión modal normalmente es mayor que la dispersión cromática, pero se tiene que considerar las dos juntas. ( a disérsion por el modo de polarización es tecnicamente han subcategoraia de la dispersión modal, pero es observable por si mismo solo en las fibras monomodos). Ellos tiene efectos independientes pero no acumulativos, para ser preciso, se necesita sumarlos cuadráticamente:



En la práctica, la dispersión por el modo de polarización es un asunto de los sistemas de alta velocidad, donde la dispersión cromática se reduce por el uso de fuentes de bajo ancho espectraly cables de baja dispersión. La dispersión de polarización depende del acople entre los modos de polarización asi como de la longitud total de la fibra por lo que se expresa en unidades de picosegundos/(raiz cuadrada de Km)


Fabricación y Materiales de la Fibra Óptica


En el mercado encontramos dos tipos de fibras: la fibra monomodo y la fibra multimodo. La fibra monomodo es excelente para la transmisiones de larga distancia, mientras que la multimodo es fácil de manejar y conectorizar y lo hace muy porpular y es la escogida en el mercado del área local, tanto las LAN como WAN.

Proceso de tres-paso

Para convertir la materia prima en fibra óptica, se siguen tres pasos: fabricacón del preformado de vidrio puro; estirado del preformado; y las pruebas y mediciones.

El primer paso en la fabricación de la fibra óptica es fabricar una varilla de vidrio sólida, conocido como preformado. Químicos altamente puros--principalmente el tetracloruro de Silicio y Tetracloruro de germanio--se convierten en vidrio durante la fabricación del preformado. Estos químicos se usan en proporciones variables para fabricar las regiones del nucleo en los diferentes tipos de preformados.

Los nucleos de fibras normalmente usan el sílice, con cantidades variables de germanio que es agregado para aumentar el índice refractivo del núcleo.


Materiales usados por la fibra
Existen varios materiales que pueden ser utilizados en la fabricación de la fibra , pero solo algunos de ellos tienen las siguientes características especiales requeridas por la fibra.


1) El material debe permitirnos fabricar fibras,delgadas, flexibles y largas.
2) El material debe ser transparente a una longitud de onda particular para poder guiar la luz de manera eficiente.
3) Compatibilidad física de los materiales que tengan pequeñas diferencias de indice refractivo para el núcleo y el cladding.
4) Finalmente, debe de ser un material que sea abundante y barato


Dos de los materiales que cumplen con estos requísitos son el plástico y el vidrio :
TIPOS DE FIBRAS

1) Fibra de Vidrio
La mayoría de los vidrios transparentes opticos con el cual estan fábricadas las fibras estan compuestos por los oxidos de vidrio. El mas popular es la sílica (SiO2). Un vidrio compuesto de silica pura conocido como vidrio de sílice, ó sílice vitrea. El vidrio es fabricado por la fusión o mixtura de óxidos de metal, sulfuros o seleniuros.
Algunas de sus propiedades buscadas son su resistencia a la deformación por altas temperaturas, buena durabilidad química, y alta transparencia tanto en la región visible como infrarroja que son de interés en los sistemas ópticos.
Para producir dos materiales diferentes y con pequeñas diferencias de índices de refracción entre el nucleo y la corteza, el flúor u otros óxidos son comunmente agregados al silício. Estos dopantes lo podemos clasificar en dos grupos básicos:
Dopantes que incrementan el IOR, y dopantes, que disminuyen el IOR.
Por ejemplo, el B2O3 y los dopantes de flúor que hacen decrecer el IOR, mientras que el GeO2, P2O5 incrementarán el IOR de un material tal como mostramos en la figura.


La siguiente lista nos muestra algunos dopantes que se usan para fabricar el núcleo y el cladding de varias fibras.

Core

Cladding
SiO 2

B 2 O 3 -SiO 2

GeO 2 -SiO 2

SiO 2

P 2 O 5 -SiO 2

SiO 2

2) Fibras de vidrios Halide
El segundo tipo de vidrio usado es del tipo halide. Se ha encontrado que el vidrio de flúoruro tiene perdidas de transmsión extremadamente baja para longitudes de onda que van en el rango de 0.2 a 0.8 μm. Los vidrios de fluoruros pertenecen a la familia general de los vidrios halide que forman el grupo VII de la tabla periódica, y que empiezan con el Fluoruro, cloro, bromo y Yodo. El material en el que los investigadores se han concentrado es el vidrio de metal pesado de fluoruro, que usa ZrF4 (Fluoruro de Zirconio) como su mayor componente. Algunos otros constituyentes necesitan ser adicionados para lograr que el vidrio tenga una moderada resistencia a la cristalización.

La mezcla de zirconio, bario, lantano, sodio y aluminio, este tipo de vidrio (también conocido como 'ZBLAN') es cientos de veces más transparente que el vidrio de sílice, fue descubierto accidentalemnte por POULAIN y LUCAS en la Universidad de Rennes en Francia.
ZBLAN es el material que forma el núcleo de la fibra de vidrio para lograr en el vidrio un índice refractivo bajo, remplazando parcialmente el ZrF4 por el HaF4 se obetiene el cladding de ZHBLAN. Teoricamente, la mínima atenuación de este material esta estimado en 0.001 dB/Km.

Desafortunadamente, las fibras de vidrio de fluoruro son muy difíciles de producir en la Tierra. Los fundidos tienden a cristalizar antes de que se forme el vidrio.La razón es que la gravedad produce la convección o mezcla en el fundido. En efecto, la gravedad la 'remueve', y, en un proceso conocido como dilución de corte, el fundido se vuelve más fluido. En los fundidos que son más fluidos, como esos removidos por la gravedad, los átomos se mueven más rápidamente, por lo que pueden disponerse en arreglos más geométricos más rápidamente. En fundidos más espesos y viscosos, los átomos se mueven más lentamente. Es más difícil que se formen patrones regulares. Es más probable que el fundido forme un vidrio. De aqui que teóricamene nn una microgravedad, los fundidos deberían de ser más viscosos de lo que lo son en la Tierra.

3 Fibra de Vidrios Chalcogenide (Calcogenuros)
Además de permitir la creación de amplificadores ópticos, las propiedades no lineales de las fibras de vidrios pueden ser explotadas para otras aplicaciones, tales como la fabricación de switches ópticos y los lásers de fibra. Los vidrios del tipo Chalcogenides pueden ser usados satisfactoriamente en estas aplicaciones debido a que su alta no linealidad . Las fibras de vidrios Chalcogenides, contienen Arsenio, Germanio, Fósforo, Sulfuro, Selenio o Telurio.
Los vidrios chalcogenides estan basados en los elementos calcogenuros con base S, Se y Te y la adición de otros elementos tales como el Ge, St y Sb que conducen a la formación de vidrios estables. Asimismo se pueden agregar componentes Halides conduciendo a la formación de vidrios Chalcohalides.
Desde que los vidrios chalcogenides transmiten mayores longitudes de ondas que los vidrios de sílica en el IR y que los vidrios Fluoridos, existe un potencial muy amplio de aplicaciones para estos tipos de vidrios. Estos pueden dividirse en dos grupos, tanto pasivos como activos.
Las aplicaciones pasivas estan referidas a la conducción de la luz de un punto a otro,sin cambiar la propiedades ópticas, mas que las relacionadas con las perdidas debido al scattering, absorción , y reflexión asociadas con la fibra
Las aplicaciones activas son aquellas en las cuales la luz inicial al ser propagada a través de la fibra es modificada por un proceso diferente al de las perdidas producidas por el scatetring, absoción y reflexión. Por ejemplo los laseres, fuentes amplificadoras de luz, fuentes de luz, efectos grattings y los efectos no lineales
4 Active Glass Fibers
Incorporando elementos pertenecientes al grupo de tierras raras (número atómico 57-71) dentro de un vidrio normal nos da como resultado un material con nuevas propiedades ópticas y magnéticas. Estas nuevas propiedades permiten al material desarrollar propiedades de amplificación, atenuación y retardación de fase sobre la luz que lo atraviesa. Dos materiales comunes que se usan en estos casos son el Erbio y el Neodimio.

5 Fibra Óptica de Plástico
Como mecionamos antes, el plástico es algunas veces usado en lugar de la fibra óptica de vidrio. Las fibras de plásticos han sido usados tradicionalmente en espacios de distancias cortas (hasta 100 metros) y donde no se requiere resistencias físicas: Por ejemplo, pueden ser utilizados en aplicaciones médicas y para la fabricación de algunos sensores donde solo se requieren longitudes cortas de fibra. En adición, la flexibilidad mecánica del plástico permite a estas fibras tener núcleos amplios. Este factor permite su uso por lo barato, y hace atractivos estos tipos de sistemas. Los siguientes son algunos ejemplos de los componentes usados en las fibras de plástico:
• Núcleo polysterene / cladding methyl methacrylate.
• Núcleo polymethyl methacrylate /cladding copolymer

Comparando las fibras de plásticos a su contraparte el vidiro, el espectro de transmisión es similar. La POF son mas livianas y bajas en costo. Sin embargo las POF son menos usadas debido a su alta atenuación en comparación a las de vidrio . Otra limitación es que el plastico esta limitado a un determinado rango de temperatura..


La fibra óptca de Plástico cuya abreviatura es POF, tipicamente usa núcleo de Polimetilmetacrilato PMM de gran pureza con un recubrimiento de polímeros fluorados como cubierta.
Son de gran diámetro, 96% de su sección esta conformada por el núcleo que permite la transmsión de la luz.



PROCESO DE FABRICACION

Paso 01 : Fabricación del Preformado

La sección del preformado viene a ser una ampliación a escala de las dimensiones geométricas y del pérfil del índice de refracción del conductor de fibra óptica. Calentando un extremo de la preforma se estira hasta obtener el conductor de fibra final, aplicándose en simultaneo el revestimiento (coating) que hace las veces de cubierta protectora del conductor.

Tenemos los siguientes métodos conocidos :

1. Método por fusión de vidrio o Método directo

A. Metodo de la varilla en tubo (rod in tube)

Este fue uno de los primeros métodos usados, en este proceso y es uno de los mas simple, se introduce una varilla de vidrio de alto índice como núcleo en un tubo que hace de recubrimiento y esta formado por vidrio de con un bajo índice de refracción. Las dimensiones de la varilla y del tubo son tales que prácticamente no queda espacio entre una y otro.


Una varilla de vidrio como núcleo se coloca dentro del tubo de vidrio del cladding. En el extremo de este ensamblado se aumenta la temperatura; y ambos vidrios son ablandados obteniendose una fibra por arrastre. .La varilla y el tubo son normalmente de 1 m. de longitud. La varilla del nucleo tiene típicamente 30 mm de diámetro. El vidrio del nucleo y el vidrio del cladding deben tener temperaturas de ablandamiento similares.
Este método es relativamente fácil: apenas se necesita comprar la varilla y el tubo. Sin embargo, uno debe tener mucho cuidado para no introducir impurezas entre el núcleo y el cladding .
La desventaja de este método simple consiste en que después del estirado de la fibra quedan pequeñísimos deterioros e impurezas en la superficie de separación entre ambos vidrios, lo que ocasiona elevadas atenuaciones del orden de los 500 a 1000 dB/Km. , por este método solo se fabrican fibra ópticas multimodos de perfil escalonado.
Estas fibras no son usadas en la transmisión de imagen e iluminación pero no son utilizadas en telecomunicaciones

B Metodo de los dos crisoles (double crucible o compound melting)

Este método se usa para evitar el inconveniente del metodo de la Varilla en tubo , los vidrios correspondiente al núcleo y al recubrimiento son unidos en estado de fusión y luego se estira la fibra de este material directamente al salir del estado de fusión y no se utiliza una preforma sólida.

Fig. Crisol doble
El vidrio fundido del núcleo se coloca en el crisol interno.
El vidrio fundido del cladding se coloca en el crisol exterior.
Los dos vidrios se unen en la base exterior y la fibra se obtiene por arrastre. Pueden producirse Fibras de gran longitud
Pueden obtenerse fibras de índice escalón y fibras de índice gradual con este método


Se le denomina método de los dos crisoles ya que los vidrios usados para el núcleo y el cladding se funden en crisoles separados.
Este método permite obtener fibras de perfil gradual por difusión o intercambio de iones entre los vidrios del núcleo y del recubrimiento , a esto se le denomina Método Selfoc.
Ya que resulta difícil mantener una total limpieza de los crisoles las impurezas que llegan por este método se agregan al de los métales de transición ya existente e incrementan la atenuación que va de los 5 a los 20 dB/Km. A 850 nm. Este método es utilizado para la fabricación de fibras de gran diámetro ( mas de 200 um).
2. Fabricación de la preforma por técnica de deposición de vapor

La primera empresa que utilizo este método fué la empresa Corning en 1970, logrando disminuir dramáticamente la atenuación.
La deposición se puede efectuar por diferente formas: Sobre la superficie externa de una varilla de substrato en rotación (Método OVD, outside vapor deposition), sobre la superficie frontal de una varilla de cuarzo (Método VAD, vapor axial deposition) o sobre la superficie interior de un tubo de vidrio de cuarzo en rotación (Método IVD, inside vapor deposition), este último método puede utilizar la energia para la deposicion del vidrio ya sea desde afuera por medio de un quemador detonate de gas (Método MCVD, modified chemical vapor deposition) o desde adentro con una llama de plasma (Método PCVD, plasma activated chemical vapor deposition).

En todos estos métodos la deposición se produce por la descomposición de compuestos volátiles de alta pureza en un llama de gas detonante. Los Químicos usados son el Oxígeno (O2) y el tetracloruro de Silicio (SiCl4) que reaccionan para obtener sílice (SiO2).
El sílice puro se dopa con otros químicos tal como el óxido del boro (B2O3), el dióxido de germanio (GeO2) y el pentoxido de fósforo (P2O5) con el objeto de modificar el índice refractivo del vidrio.
A Método de Deposición de Vapor externo(OVD)

La fabricación de la preforma se efectua en dos etapas, en primer lugar se hace rotar con un dispositivo adecuado una varilla de substrato de vidrio de cuarzo AL2O3 o grafito en torno de su eje longitudinal, al tiempo que se calienta en una estrecha zona desde afuera con la llama de un quemador de gas detonante o gas propano.

Junto con las sustancias dopantes reqeridas por el pérfil de índices de refracción como los metales halogenados (SiCl4, GeCl4, BCl3, PCl3) se le suministra oxígeno (O2) al quemador, en el cual estos compuestos se convierten en los correspondientes óxidos. Estos a su vez se depositan sobre la varilla rotante en forma de finas partículas..
Al imprimirle un movimiento de vaiven en sentido longitudinal, se obtiene por capas una preforma porosa de vidrio. A cada una de estas capas se le puede dopar en forma diferente, agregando en determinada proporción distinta sustancias dopantes a la sustancia básica del SiO2, lograndose reducir los perfiles graduales, continuamente de la primera capa, el dopado con GeO2 con el cual se forma el núcleo hasta llegar al recubrimiento con una deposición de SiO2 puro. Para un perfil escalonado, se mantiene constante el dopado de cada capa.
Una vez obtenida la deposición de suficientes capas para el núcleo y el recubrimiento de la fibra; se retira la preforma cilíndrica de la varilla de substrato.

En la etapa final la preforma se calienta hasta su punto de fusión, con temperaturas entre 1400 y 1600 oC, la preforma se contraera convirtiendose en una varilla de vidrio firme y libre de burbujas, transparente cuyo hueco interior se ha cerrado. Durante el sintetizado de la preforma se lava esta con cloro gaseoso para quitar del vidrio todo vestigio de agua cuya presencia provocaría una elevada atenuación.

Fig.- Los vapores químicos se oxidan en una llama en un proceso llamado hidrolisis.
La deposición se hace por fuera de una vara de sílice conforme la antorcha se mueve lateralmente.
Cuando la deposición está completa, la varilla es alejada y el tubo resultante se colapsa termicamente.



B Método VAD ó Deposición de Vapor axial (AVD)
La deposición de las partículas provenientes de un quemador de gas oxídrico tiene lugar sobre una cara frontal de una varilla rotante de vidrio de cuarzo.
La preforma porosa resultante se estira en sentido ascendente de tal forma que se mantiene constante la distancia entre el quemador y la preforma que va creciendo en sentido axial. Para fabricar el perfil de índices de refracción del núcleo y del recubrimiento se pueden utilizar varios quemadores simultánemente.
Es posible producir diferentes perfiles de índices de refracción, segun la construcción de los quemadores, su reparación y la temperatura durante la deposición. La contracción de la preforma se produce con la ayuda de un calefactor anular, a continuación de la deposición quedando la preforma transparente. Para secar la preforma, es decir eliminar la humedad residual, se hace circular cloro gaseoso en torno a la misma.

Fig.La deposición ocurre en el extremo de un sílice en rotación conforme los vapores químicos reaccionan para formar la sílica. El nucleo preformado y pueden hacerse fibras muy largas con esta técnica. Pueden fabricarse fibras del índice escalón y fibras del índice gradual de esta manera.


C Deposición de Vapor Químico modificado (MCVD)

Este método se realiza en dos etapas.
Primero : se hace rotar un tubo de vidrio puro alrededor de su eje longitudinal en un torno u otro dispositivo adecuado al tiempo que se calienta una estrecha zona del mismo desde afuera por medio de un quemador de gas detonante que se desplaza a lo largo del tubo.

Fig. En el método MCVD,ocurren un aserie de reacciones químicas que transforman una mezcla de gases en una varilla solida de vidrio llamdo Preforma.

A través del interior del tubo se hace pasar el oxígeno y los compúestos de halogenuros gaseosos (SiCl4, GeCl4, PCl3) requeridos para el respectivo dopado. Por este motivo los compuestos halogenos se descomponen en el interior del tubo y no en la llama del quemador, como ocurre en los métodos OVD y VAD.
Por esta causa se produce en la cara interior del tubo la deposición de numerosas y delgadas capas en un proceso llamado vitrificación, que se pueden dopar según el perfil del índices de refracción reqerido. El propio tubo constituye la sección externa del vidrio del recubrimiento y las capas que se depositan en su interior conforman la sección interna de la fibra es decir el núcleo.
Cada capa de vidrio se forma con la siguiente secuencia : a 16000 oC y dentro de la zona de calentamiento se forman particulas finas que se depositan sobre la cara interior del tubo. Al ser dezplazado el quemador en la dirección del flujo, las partículas se funden para formar una delgada y transparente capa del vidrio.
Una vez completada la deposición de las capas necesarias se pasa a la segunda etapa del método MCVD que consiste en calentar el tubo por secciones longitudinales hasta aproximadamente 2000 oC. De esta manera se produce el colapso del tubo para formar la varilla.
Ya que los gases que reaccionan en el interior del tubo se mantienen libres de hidrogeno, este método no requiere procesos especiales de secado, ya que el gas utilizado para el calentamiento que en general contiene una proporción de hidrógeno, solo actúa sobre el exterior del tubo, no teniendo influencia sobre el proceso ningún otro factor ambiental.


Fig.- Los químicos son mezlados dentro de un tubo de vidrio que está rodando en un torno. Ellos reaccionan y las partículas sumamente finas de germanio o vidrio de silicio o de fosforo son depositados en la parte interna del tubo. Un quemador móvil que sigue al tubo: Causa una reacción que toma lugar y entonces enfoca el material depositado. La preforma es depositado capa por capa que empezando primero con la capa del cladding y es seguido por la capa del nucleo. Variando la mezcla de los químicos se cambia el índice refractivo del vidrio.
Cuando la deposición está completa, el tubo se colapsa ha 2000 C dentro de una preforma de sílice de alta pureza con un nucleo de composición diferente. La Preforma es entonces colocado en un horno para el estirado.
D Deposición de Vapor Químico Modificado reforzado con plasma (PMCVD)

En este método las preformas se produce con el mismo procedimiento que en el caso del método MCVD. La diferencia radica en la técnica empleada para la reacción. Por medio de la excitación de un gas con ayuda de microondas, se obtiene un plasma. El gas que se ioniza, es decir se descompone en sus cargas eléctricas. Al reunificarse éstas, se libera calor que se utiliza par fundir materiales de elevado punto de fusión. Así en el proceso del plasma, se disocian los halogenos con ayuda de un plasma de baja presión y luego,con oxigeno, se forman SiO2. Las partículas formadas en este proceso se precipitan directamente a temperaturas del orden de los 1000 C, formando una capa de vidrio.
Dado que a la llama de plasma se le imprime un rápido movimiento de vaiven a lo largo del tubo, se pueden producir más de 1000 capas delgadas, lo cual permite incrementar la exactitud del perfil de índices de refracción


FIG.5.7. La Deposición de Vapor Química Modificada con reforzamiento de plasma es similar en principio de MCVD. La diferencia queda en el uso de un plasma en lugar de una antorcha.
El plasma es una región de gases ionizados eléctricamente calentados. Proporciona calor suficiente para aumentar la reacción química que está dentro del tubo y la velocidad de deposición.
Esta técnica puede usarse para fabricar fibras muy largas (50 km). Se usa para los dos tipos de fibra de índice escalon e índice gradual.
Paso 02 : Estirado de la Fibra y el Devanando en carrete

Estirado de la fibra

La punta de la preforma se calienta a aproximadamente 2000°C en un horno. Cuando el vidrio se ablanda, una cuerda delgada de vidrio ablandada cae ayudada por la gravedad y se enfria al caer.
Cuando la fibra es arrastrado su diámetro es constantemente supervisado
Una cubierta de plástico se aplica entonces a la fibra, antes de que toque cualquier componente. La capa protege la fibra del polvo y humedad. La fibra se envuelve al final del proceso alrededor de una bobina.
Durante el proceso del estirado, el diámetro de la fibra es controlado a 125 micras dentro de una tolerancia de 1 micra. El valor real del diámetro es comparado con los 125-micrometros, y las desviaciones se corrigen con cambios en la velocidad de arrastre. Si el diámetro de la fibra aumenta, la velocidad del estirado,se aumenta; si el diámetro de fibra empieza a disminuir, la velocidad se disminuye.

Una a dos-capa de proteccion se aplica entonces a la fibra--una capa interna suave y una capa exterior dura. Estas capas son tratadas por lámparas ultravioletas. El proceso de estirado es automatizado yno requiere virtualmente de ningún operador




Paso 03 : Pruebas y Mediciones


Luego del estirado la fibra pasa a la etapa de prueba y medidas en la cual se verifican todos los parámetros ópticos y geometricos. Existen tres tipos de pruebas : mecánico, óptico, y geometrico.
Primero: Se prueba la fuerza de tensión de la fibra. Cada bobina de fibra es arrastrado y se enrolla a través de una serie de cabrestantes y sujeta a cargas para asegurar que la fibra muestre una fuerza de tensión mínima de 100,000 lb/pg2 . La fibra se devana en carrete y se corta a longitudes especificas.
Segundo: La fibra óptica también se prueba para evitar defectos puntuales con un reflectometro óptico, el cual indicara cualquier anomalía a lo largo de la longitud de la fibra.
Una serie de parámetros ópticos dependen de la longitud de onda. Estos parámetros incluyen: la atenuación, y el ancho de banda, La apertura numérica, la dispersión cromática.

Tercero: las fibra multimodos y monomodos son probados en sus parámetros geometricos, incluye pruebas del diámetro del cladding, la no circularidad del cladding, cubierta del diámetro exterior, la no circularidad del diámetro exterior, error de concentricidad del cladding y del nucleo, y diámetro del nucleo.

La comprobación medioambiental y mecánica también se realiza periódicamente para asegurar que la fibra mantega su integridad óptica y mecánica. Estas pruebas incluyen la fuerza de tensióna y operación en rangos de temperatura, dependencia de la atenuación con la temperatura, dependencia de la temperatura y humedad, y su influencia en el envejeciendo.







DISPERSION DE MODO DE POLARIZACION - PMD

Cuando se realizaron las primeras discusiones sobre la Dispersión de Modo de polarización en el año 1986, solo unos cuantos investigadores consideraron que este efecto llegaría a formar parte de las restricciones del negocio de las comunicaciones por fibra óptica. La PMD puede distorsionar la señal, hasta hacer inmanejables los bits, destruyendo la integridad de una red.

El problema principal es que el núcleo de la fibra no es perfectamente redondo, lo que origina dispersión a un grado tal que puede dejar a la señal en un estado que difícilmente pueda ser leído Cuando la luz viaja en una fibra monomodo hacia el receptor, tiene dos modos de polarización que viajan en dos ejes, y se mueven formando un ángulo recto uno del otro. En una fibra ideal las dos polarizaciones se propagarían a la misma velocidad de fase pero en realidad cualquier asimetría, curvatura o torsión hace que las dos polarizaciones se propaguen a diferente velocidad. La causa de la PMD[ ] es una pequeña diferencia en el índice de refracción en una pareja particular de estadoS de polarización ortogonal, a esta propiedad se denomina birrefrigencia . Esto quiere decir que la velocidad de la luz depende de la ruta que toma a lo largo de la fibra.



La figura 11.1 muestra las causas de la birrefrigencia.



Figura 11.1 Sección transversal de fibra ópticas ilustrando las causas de birrefrigencia

En contraste a la fibra ideal, mostrado en lado izquierdo de la figura 1, una fibra real exhibe diferentes tipos de imperfecciones; de derecha a izquierda: torsión o curvatura, impurezas en la fibra, y asimetría de la fibra. Las imperfecciones son parte inherente del proceso de fabricación de la fibra y son en parte causado por las condiciones ambientales y la calidad del despliegue ó instalación de la fibra. La simetría en la configuración de las fibras es casi constante en el tiempo lo cual causa una PMD constante. La curvatura y tensión de la fibra puede variar en el tiempo debido a los cambios de la temperatura y aún mostrar fluctuaciones diurnas (Día/Noche) de la torsión y causar variaciones de la PMD. Las vibraciones pueden causar cambios dinámicos en la curvatura, y como resultado variar la PMD en fibras que se instalan cerca de líneas de un tren y asimismo las fibras aéreas pueden mostrar un cambio en la tensión y curvatura debido al movimiento causado por el viento. Todos estos efectos contribuyen a que la PMD no sea constante, por lo que el máximo PMD que puede ocurrir solamente puede ser aproximado. Con respecto a la Dispersión del Modo de Polarización es importante entender que la causa real de la degradación de la señal es el retardo diferencial de grupo (también denominado la PMD instantánea) y que el termino PMD es realmente la media del valor de la DGD (Differential group delay) a una longitud de onda y en un tiempo determinado. Cuando la luz es acoplada en una fibra, toma diferentes rutas conforme viaja a través de ella, la figura 2 muestra como el retardo diferencial de grupo es la diferencia en el tiempo de los componentes del pulso de luz que viaja a través de la fibra dependiendo de las rutas que tomen.



Figura .11 2 Elementos de la fibra con eje rápido y lento y DGD de pulsos de luz rápidos y lentos

La parte del pulso de luz marcado con una X viaja en el eje lento y la otra parte del pulso viaja en el eje rápido de la fibra. En el punto final de la fibra se presentará una diferencia de tiempo de las dos partes del pulso de luz, a esto se denomina el retrazo diferencial de grupo (DGD). En un tipo especial de fibra denominado fibra mantenedora de polarización (PMF polarization maintainig fiber), las diferentes partes de los pulsos de luz viajan por diferentes rutas, pero no cambian esta ruta durante todo su recorrido por la fibra. Este tipo de fibra puede ser fácilmente compensada en su DGD (PMD) mediante el uso de un polarizador para filtrar una parte del pulso de luz, ya sea la parte marcada con X o la otra parte representada en la figura 2 ( La figura 2 representa un tramo de fibra siempre y cuando la fibra fuera PMF). Una fibra de telecomunicaciones real puede representarse como una serie de elementos de fibras birrefrigentes del tipo ilustrado en la figura 2, concatenados con una orientación aleatoria de los ejes, tal como se muestra en la figura 3



Figura 11.3. Concatenación aleatoria de elementos birrifrigentes como representación de una fibra

Cada sección de la fibra exhibe un eje rápido y otro lento que son rotados aleatoriamente en relación uno del otro. Entre secciones, la luz es acoplada desde una pareja de ejes rápido y lento a otra pareja de ejes, a través de un proceso denominado modo de acoplamiento. Debido al modo aleatorio de la orientación de los ejes rápidos y lentos y del modo de acoplamiento para los diferentes elementos de la fibra, la PMD es de naturaleza estadística, y no es posible tener un modo simple de compensación, La PMD y el DGD se miden en picosegundos, Debido a la naturaleza estadística de la PMD, la PMD no es linealmente proporcional a la longitud de la fibra pero si lo es a su raíz cuadrada. El coeficiente de la PMD esta dado en ps/km ½, Para ilustrar el comportamiento temporal de la PMD y DGD, la figura 3.4 muestra las mediciones durante un periodo largo de la DGD/PMD en una fibra de dispersión desplazada en un periodo de 36 días. En la figura 4, el retardo diferencial de grupo se le da un código de colores. El color azul oscuro corresponde a DGD bajos < 0.5 ps, y el rojo oscuro corresponde a DGD elevados > 5.5 ps. La PMD puede ser obtenida tomando el promedio de la DGD en un punto particular de longitud de onda en un periodo de tiempo. Sin embargo, las mediciones tienen que ser tomadas sobre un periodo lo suficientemente largo para obtener resultados precisos de los promedios. Los cambios de la PMD en el tiempo (promediada en una longitud de onda o promedio de DGD) es solamente cercano al +/- 10 %, además los cambios de la DGD en el tiempo a una longitud de onda particular es mucho mayor. Esto muestra que para cualquier punto dado en el tiempo un sistema de transmisión puede tener un alto retardo causado por un alto tasa de error de bits a una longitud de onda mientras muestra una baja tasa de errores de bit en otras longitudes de onda. Debido a que los cambios de la DGD con las longitudes de onda y el tiempo, se tiene que tomar en cuenta la estadística para describir el valor de la DGD y conocer la perfomance de un sistema. La probabilidad que la DGD de una sección de fibra tenga un cierto valor en un tiempo particular sigue una distribución de Maxwell .



Figure 11.4 Medición de PMD en fibra durante un periodo largo de tiempo, sobre un tramo de 127 KM de fibra de dispersión desplazada: from Karlsson[ ], JLT, 18, 7, 941 (2000)

Degradación en el Sistema y limites de la PMD

La PMD causa serios disturbios a la capacidad de transmsisón. En la Figura 5, se muestra el modelo de pulso en el tiempo y el diagrama del ojo para una señal sin retardo diferencial de grupo (sin ningún PMD).El patrón de pulso tiene buena forma, y el diagrama de ojo esta bien abierto, dando por resultado una baja " tasa de error de bit". La figura 6 muestra la señal bajo la influencia de 100 ps de DGD con una potencia distribuida uniformemente en los ejes rápido y lento. De ambas figuras queda claro que la DGD, y la PMD, influye en el funcionamiento de sistema.



Las tolerancias de los sistemas a la PMD tiene que ver mucho con las diferentes velocidades de bits, un método intuitivo para limitar los efectos de la PMD se da en la tabla 11.1



Fuente:http://orbita.starmedia.com/fortiz/ConceptoBasico00.htm

2 comentarios:

Anónimo dijo...

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