La fibra óptica es una fibra flexible, transparente hecha de vidrio (sílice) o de plástico, ligeramente más grueso que un cabello humano. Las fibras ópticas se utilizan más a menudo como un medio para transmitir la luz y son de amplio uso en las telecomunicaciones.
Las fibras ópticas se utilizan como canales ópticos de comunicación debido a su alto BW, velocidades de datos de Gbps, y su capacidad de transmisión. Miles de canales se pueden multiplexar en una fibra. Por otra parte, las fibras ópticas tienen muy baja atenuación, alrededor de 0,2 dB / km, y relativo bajo coste. Todas estas características resultan de gran interés para las comunicaciones a través de grandes distancias.
El centro de cristal fino de la fibra en el que viaja la luz se llama el núcleo. El material óptico exterior que rodea el núcleo que refleja la luz de nuevo en el núcleo se llama el revestimiento. Un revestimiento exterior o chaqueta protege la superficie óptica.
Una fibra óptica tiene una región central, principal o core, de mayor índice de refracción n1 que el de la región del revestimiento circundante, que tiene un índice de refracción n2. Si la luz incide en la interfaz en cualquier ángulo mayor que el ángulo crítico, φ1c definido en la sección 2.3, no va a pasar a través del segundo medio y se refleja de nuevo en el núcleo debido al proceso de TIR.
Una fibra óptica tiene un núcleo de puro Si con índices de refracción: n = 5.57 para longitudes de onda de 0.4 µm y n = 3.78 para longitudes de onda de 0.7 µm.
Calcular los tiempos necesarios para luces de ambas longitudes de onda para viajar a lo largo de 2 km que la fibra óptica.
La velocidad de la luz de diferentes longitudes de onda en el núcleo será diferente debido a los diferentes valores del índice de refracción en las longitudes de onda dadas. Este valor está dado por: .
Primero debemos calcular las velocidades en cada una de las longitudes de onda:
Entonces podemos calcular el tiempo necesario para viajar 2 km, como sigue:
Las fibras multimodo son fibras que pueden llevar más de un modo de una longitud de onda de luz específica. Algunas fibras tienen un núcleo de muy pequeño diámetro y soportan un solo modo, las fibras monomodo, donde la luz viaja como una línea recta en el centro del núcleo. Para obtener una onda que se propaga a lo largo de una guía es necesario tener una interferencia constructiva. Todos los rayos interfieren entre sí. Sólo se permiten ciertos ángulos. Cada ángulo permitido representa un modo de propagación.
El ángulo máximo de aceptación de la fibra define un cono para la luz entrante en la fibra que se propagará en distintos modos de propagación. La mitad del ángulo definido por dicho cono es el ángulo de aceptación, φmax, determinado sólo por los índices de refracción. La NA ( apertura numérica) de la fibra viene definida por la ecuación siguiente:
donde n es el índice de refracción del medio en que la luz viaja antes de entrar en la fibra óptica.
El número de modos de propagación, M, depende de los parámetros de la fibra del modo siguiente:
, siendo V el número V o frecuencia normalizada, definido por la ecuación siguiente:
, donde 2a es el espesor del core.
cuando V < 2.495 hay un solo modo de propagación en la fibra, el modo fundamental (fibra de modo único o monomodal). Para valores de V > 2.495 la fibra es multimodo.
Las pérdidas de transmisión principales en la fibra están relacionadas con mecanismos de absorción y dispersión. La dispersión de Rayleigh debida a irregularidades microscópicas en la fibra es una fuente intrínseca de pérdidas. La absorción se debe a la presencia de impurezas en el material de la fibra. En fibras ópticas fabricadas a partir de sílice (SiO2) hay tres picos principales de atenuación debidos a la absorción causadas por iones OH- en longitudes de onda de 1.050 nm, 1.250 nm y 1.380 nm.
Una segunda fuente de pérdidas o atenuación es la flexión de la fibra. Parte de la radiación se pierde en la región en la que la fibra está doblada. La cantidad de pérdidas depende de la curvatura de la flexión. Si el radio de curvatura de la flexión es similar al diámetro de la fibra incluyendo el revestimiento, D, estamos en presencia de micro flexiones, mientras que la flexión con un radio de curvatura mayor que D es llamado un macro curvaturas. Típicamente, la macroflexión se produce cuando la fibra se dobla durante la instalación de un enlace de fibra óptica, como al pasar la fibra alrededor de una esquina, mientras que los efectos de micro flexión se deben a defectos de fabricación que pueden resultar en variaciones en la geometría de la fibra sobre pequeñas distancias.
Tipos de fibras ópticas |
Características |
Plásticas |
Pérdidas alrededor de 102 dB/km Muy flexibles, baratas, ligeras. |
Otras fibras cristalinas |
Materiales : Chalcogenide, fluoroaluminate Usada en comunicaciones de longitudes de onda largas. |
Sílica (SiO2) |
Puede ser extremadamente puro y luego dopado para obtener la concentración deseada de portadores. Bajas pérdidas y dispersion a λ = 1.55 μm |
Podemos acoplar dos fibras si son de tipos compatibles. Las fibras deben estar alineadas con precisión entre sí, con NA compatibles, y los extremos de la fibra deben ser unidos adecuadamente.
Ventajas |
Inconvenientes |
No les afectan las interferencias electromagnéticas |
Alto coste inicial de instalación |
Menor atenuación que en coaxiales o cables bifilares. Pueden usarse emisores de menor potencia |
Sistemas de comunicación punto a punto |
No son necesarias protecciones de masa o de sobretensión |
La unión de fibras y los empalmes no son fáciles. Es difícil añadir nodos adicionales |
Alta seguridad de la señal. No hay efectos de radiación que puedan detectarse por antenas |
Más frágiles que un cable coaxial |
Gran ancho de banda |
Más caras de reparar y mantener |
Los Cristales fotónicos son estructuras periódicas artificiales de múltiples dimensiones con un período del orden de longitudes de onda ópticas. Estos materiales están estructurados para tener una modulación periódica del índice de refracción.
Es posible fabricar fibras ópticas mediante el uso de cristales fotónicos. En estas fibras, tanto el núcleo como el revestimiento utilizan el mismo material, por lo general sílice. Una de las regiones de la fibra, el núcleo o el revestimiento, presenta agujeros de aire, mientras que la otra región es totalmente sólida. La presencia de los agujeros de aire en una región, por ejemplo en el revestimiento, da como resultado un índice de refracción efectivo que es menor que la región del núcleo sólido.
Por otra parte, es posible suprimir la emisión espontánea mediante el uso de cristales fotónicos.