República Bolivariana De Venezuela Venezuela Ministerio Del Poder Popular Para La Defensa Universidad Nacional Experimental De La Fuerza Armada UNEFA Núcleo Miranda - Los Teques Teoría Electromagnética
Maxwell aplicado a la Fibra Óptica
Bachilleres: HERNANDEZ, HERNANDEZ , Ernesto C.I: v17.556.971 De ABREU, ABREU, Aiskel C.I: v17.438.218 BILLAROEL, BILLAROEL , Barbara C.I: v18537.652 DOMINGUEZ, DOMINGUEZ , Anderson C.I: v17.532.698 ARMAS, ARMAS, Eduardo C.I: v18.539.812 DÍAZ, DÍAZ, Lisbeth C.I: v18.738.091 DELGADO, DELGADO, Carolina C.I: v18.189.741 AVILA, AVILA, Jhonmyn C.I: v18.738488 SALAS, SALAS, Meurys C.I: v16.370.662 Ciclo Profesional de Ingeniería Telecomunicaciones 1
Sección: 502
Los Teques, 16 de mayo de 2009
ÍNDICE INTRODUCCION……………………………………………… INTRODUCCION………………… ……………………………………………………… …………………………01 01 MAXWELL APLICADO A LA FIBRA ÓPTICA BIOGRAFÌA DE MAXWELL………………… MAXWELL……………………………………………… ………………………………………….03 …………….03 TABLA RESUMEN ECUACIONES DE MAXWELL………………………… MAXWELL…………………………………...07 ………...07 OBTENCION DE ONDAS MEDIANTE ECUACIONES DE MAXWELL……………...08 CAMPO ELECTRICO………………………… ELECTRICO…………………………………………………… …………………………………………..09 ………………..09 CAMPO MAGNETICO…………………… MAGNETICO………………………………………………… ………………………………………………10 …………………10 ECUACIONES DE MAXWELL PARA UNA FIBRA ÓPTICA…………………………11 MODO TRANSVERSAL ELECTROMAGNÉTICO……………………………………..13 ELECTROMAGNÉTICO……………………………………..13 TIPOS DE MODOS………………………… MODOS…………………………………………………… ……………………………………………..13 …………………..13 GUIA DE ONDA…………………………………………………………………………..14 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN…………………… OPERACIÓN………………………………………………… ……………………………………...14 ………...14 ANÁLISIS………………………………………… ANÁLISIS……………………………………………………………………… ……………………………………….14 ………….14 APLICACIONES………………………………………… APLICACIONES……………… ……………………………………………………… ……………………………….. ….. 15 FIBRA OPTICA……………………………………………………………………………15 HISTORIA DE LA FIBRA OPTICA……………………………………………………...17 MODOS EN UNA FIBRA ÓPTICA………………………………………………………19 TIPOS DE FIBRA ÓPTICA……………………………………………………………….20 FIBRA MULTIMODO…………………………………………………………………….20 FIBRA MONOMODO……………………………………………………………………..21 2
COMPONENTES DE LA FIBRA ÓPTICA………………………………………………21 TIPOS DE CONECTORES………………… CONECTORES……………………………………………… ……………………………………………..21 ………………..21 EMISORES DEL HAZ DE LUZ…………………………………………………………..22 LUZ…………………………………………………………..22 CABLES DE FIBRA ÓPTICA…………………………………………………… ÓPTICA…………………………………………………………….24 ……….24 LAS FUNCIONES DEL CABLE……………………… CABLE………………………………………………… ………………………………….25 ……….25 INSTALACIÓN Y EXPLOTACIÓN……………………………………………………...25 ELEMENTOS Y DISEÑO DEL CABLE DE FIBRA ÓPTICA………..…………………25 ÓPTICA………..…………………25 ELEMENTOS ESTRUCTURALES………………… ESTRUCTURALES……………………………………………… …………………………………….26 ……….26 ELEMENTOS DE REFUERZO……………………… REFUERZO…………………………………………………… …………………………………...26 ……...26 FUNDA……………………………………………… FUNDA…………………………………………………………………………… …………………………………….27 ……….27 FABRICACION DE LA FIBRA OPTICA………………………………………………...27 FABRICACIÓN DEL CILINDRO DE CRISTAL………………………………………...28 EXTRACCIÓN DE LAS FIBRAS………………………………………………………...29 FIBRAS………………………………………………………...29 FUNCIONAMIENTO DE LA FIBRA ÓPTICA…………………………………………..31 SISTEMAS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA…………………………………………… ÓPTICA…………………………………………….33 .33 TRANSMISOR……………………………………… TRANSMISOR…………… ……………………………………………………… …………………………………….34 ……….34 REGENERADOR ÓPTICO…………………… ÓPTICO……………………………………………… …………………………………………..34 ………………..34 RECEPTOR ÓPTICO…………………… ÓPTICO………………………………………………… ………………………………………………...35 …………………...35 VENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA……………………………………………………..35 DESVENTAJAS…………………………………...………………………………………37 ANEXOS………………………………………………… ANEXOS……………………… ……………………………………………………… ………………………………...38 …...38 CONCLUSIÒN…………………………………………… CONCLUSIÒN……………… ……………………………………………………… ……………………………….53 …….53 BIBLIOGRAFÍA…………………………………… BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………… ……………………………………...54 ………...54
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INTRODUCCION
En la actualidad vivimos en un mundo constituido por información, la información nos rodea por todas partes. Se puede decir que cada día la cantidad de información que se encuentra en la red de redes es mayor por lo que ha sido necesario desarrollar un nuevo sistema de comunicaciones, para transferir los datos de una manera más eficaz, la “fibra óptica”. La fibra óptica ha sido el medio que ha venido a sustituir a los cables, y en algunos caso casoss a los los saté satéli lite tess ti tien enen en mu much chas as vent ventaj ajas as con con resp respec ecto to a ello elloss y su uso uso se ha incrementado gradualmente. La fibra óptica es un sistema de transmisión de datos que se hace a través de un filamento de vidrio o plástico, la fibra óptica existe gracias al principio de reflexión total interna, ya que los rayos de luz dentro de la fibra van rebotando con las paredes externas del filamento. Para que este filamento de vidrio conduzca la información a través de la luz se necesita que a los extremos de este existan dispositivos electrónicos que de un lado envíen la información en forma de rayos de luz y del otro lado haya un interpretador de esta información que reciba y decodifique la señal. En algunos casos es necesario un tercer artefacto que es el regenerador óptico, el cual se utiliza cuando se envía la señal a grandes distancias, en el punto donde la señal ya pierde intensidad, para de esta forma darle intensidad a la señal para pa ra llegar más lejos. Los sistemas de comunicación por fibra óptica aun son costosos, pero con los avances de la tecnología, encontraremos cada vez más competitivo su uso con respecto a los sistemas cableados teniendo en cuenta su gran eficiencia con respecto a estos. La fibra óptica es un filamento con un espesor de 1.25 μs de diámetro aproximadamente, fabricada con base en vidrio de Sílice (SiO2). Las fibras ópticas son líneas de transmisión que funcionan bajo el principio de la reflexión interna total. El uso de fibras ópticas ofrece 4
numerosas ventajas relacionadas con las características de confiabilidad, tamaño y pérdidas de potencias, sin embargo, el uso de esta tecnología. supone una costosa inversión inicial y costosos dispositivos alternos. Las ecuaciones de Maxwell permiten modelar los modos de propagación en una línea de fibra óptica . Estos modos son el modo axial y el modo
transversal.
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DESARROLLO
Biografía de Maxwell. (Edimburgo, 13 de junio de 1831 - Cambridge, 5 de noviembre de 1879), el más imaginativo de los científico del siglo XIX, dio a los descubrimientos de FARADAY andamiaje matemático y logró reunir los fenómenos ópticos y electromagnéticos hasta entonces conocidos en el cuadrando una teoría de notable hermosura y de acabada estructura. Físico escocés. Nació en el seno de una familia perteneciente a la nobleza. Su padre practicaba la abogacía, se ocupaba de la explotación de sus tierras y, en suma, era un hombre activo que le ayudó en su formación muy poderosamente. Estudió en la Academia de Edimburgo obteniendo éxitos en Matemáticas y Literatura. A la edad de quince anos presentó -a través de las amistades a mistades de su progenitor- , en la Real Sociedad de Edimburgo, una nueva solución al problema del óvalo perfecto, que fue aceptada como la más simplificada de las hasta entonces existentes. A los diecisiete años inicia un estudio sobre las refracciones de la luz y el comportamiento de los sólidos elás elásti tico cos, s, que concl concluy uyee en menos menos de tres tres años años con con expr expres esio iones nes mate matemá máti tica cass de los los resultados obtenidos. Ingresa en la Universidad de Cambrigde y comienza a escribir ensayos literarios y filosóficos. Acabada su carrera publica un estudio sobre los colores que conso consoli lida da su fama fama anter anterio iorr como como cien cientí tífi fico. co. Como Como perso persona nali lidad dad pecul peculia iarr e incl inclus usoo extravagante, su paso por la Universidad supuso en él cierta moderación. Profundiza en los estudios iniciados por Faraday y universaliza sus principios mediante su aprehensión matemática. Con respecto a la "propagación de ondas" en el espacio razonaba asi:
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El cambio del campo eléctrico, razonó MAXWELL, engendra en proximidad un campo campo magn magnéti ético co,, e inver inversa same ment ntee cada cada y acci acción ón del del campo campo magn magnéti ético co orig origin inaa uno eléctrico. Dado que, acciones eléctricas se propagan con velocidad finita de punto a punto, se podrán concebir los cambios periódicos —cambios-dirección e intensidad— de un camp campoo eléc eléctr tric icoo como como una una prop propag agac ació iónn de onda ondas. s. Tales ales onda ondass eléc eléctr tric icas as está estánn necesariamente acompañadas por ondas magnéticas indisolublemente liga ellas. Los dos campo campos, s, eléc eléctr tric icoo y magné magnéti tico co,, peri periód ódic icame ament ntee varia variabl bles es,, está estánn cons consta tant ntem emen ente te perp perpend endic icul ular ares es entr entree sí y dire direcci cción ón comú comúnn de su propa propaga gació ción. n. Son, Son, pues, pues, onda ondass transversales semejantes a las de la luz. Por otra parte, las ondas electromagnéticas se transmiten, como se puede deducir de investigaciones de WEBER y KOHLRAUSCH, con la misma ve dad que la luz. De esta doble analogía y con genial MAXWELL concluye su identidad: la luz, afirma, consiste en una perturbación electromagnética que se propaga en el éter. Ondas eléctricas y ondas luminosas son fenómenos idénticos. A la construcción teórica erigida por MAXWELL, HEINRICH HERTZ (18571894) brindó la base de la comprobación experimental. En 1888 logró producir ondas por medi medios os exclu exclusi sivam vament entee eléct eléctri rico coss y demos demostr trar ar que que esta estass onda ondass pose poseen en toda todass las las características de la luz visible, con la única diferencia de que sus longitudes de onda son enormemente mayores. HERTZ pone en evidencia que las ondas eléctricas se dejan refractar, reflexionar, polarizar, y que su velocidad de propagación es igual a la luz. La predicción de MAXWELL se había realizado: ¡la existencia de las ondas electromagnéticas era una realidad tangible! El calor es movimiento: El problema problema que Maxwell Maxwell se puso a si mismo en 1860 fue el de la conducta de los gases, especialmente en relación con los cambios de temperatura. En aquellos tiempos, todavía no se comprendía, realmente, qué era el calor; la idea de que se trataba de una especie de fluido que pasaba de los cuerpos calientes a los fríos seguía teniendo un apoyo considerable. Maxwell se interrogó acerca del comportamiento de las moléculas al moverse rápidamente, y sus excelentes habilidades matemáticas le permitieron trat tratar ar el prob proble lema ma de form formaa esta estadí díst stic ica. a. Desa Desarr rrol olló ló una una ecuac ecuació iónn que desc descri ribí bíaa la distribución de velocidades de las moléculas de gas a una temperatura dada. La ecuación mostra mostraba ba que, que, aunque aunque alguna algunass mol molécul éculas as se movían movían,, compar comparati ativame vamente nte,, despaci despacioo y 7
algunas, excepcionalmente, rápido, la mayoría lo hacían a una velocidad media que se incrementaba al aumentar la temperatura y que disminuía al enfriarse. La temperatura, y el propio calor, se producían a causa del movimiento de las moléculas, y eso era tan cierto en los líquidos y sólidos como en los gases. El calor no era algo que fluía de un lugar a otro, era, simplemente, otra palabra para describir la actividad de las moléculas de una sustancia en cuestión. Es aceptado en círculos científicos y adquiere reconocimiento, pero no obtiene grandes honores, ni ocupa puestos importantes. Maxwell es y no es un revolucionario. Pero es un genio indiscutible. En él se halla el desarrollo de las teorías de Faraday y en él la base de las de Planck. Durante un breve tiempo trabaja en la Universidad de Aberdeen y posteriormente en el Colegio Real de Londres, hasta 1865. A este tiempo corresponde la fundamentación matemática de las leyes físicas de Faraday sobre la dinámica del campo electromagnético. Abandona el Colegio y se retira a la finca de su patrimonio familiar. Desde allí hace viajes a Cambridge para algunas labores académicas. Fundó el laboratorio Cavendish y lleva su dirección realizando la síntesis del estudio teórico-práctico de la Física. Esta institución supuso supuso una evoluci evolución ón al presti prestigio gio teóric teóricoo de Cambri Cambridge. dge. Poster Posterior iormen mente te fueron fueron sus directores Rayleigh, Rutherford... Una Una vez vez esta estable bleci cida da la posi posibi bili lidad dad de tran transm smit itir ir osci oscila laci cion ones es eléct eléctri rica cass sin sin conductor, el paso decisivo estaba dado para constituir la telegrafía inalámbrica, cuyo primer esbozo se escondía en los experimentos de HERTZ y que había sido desarrollada por el francés EDOUARD BRANLY, el inglés OLIVER LODGE, el ruso GEORGE POPOFF y el italiano GUGLIELMO MARCONI. En 1899 las ondas hertzianas lograron cruzar el Canal de la Mancha y años después el océano Atlántico. Tan grande como su utilidad práctica fue la inmediata consecuencia teórica de las investigaciones de MAXWELL y de HERTZ. Todas las radiaciones se revelaron de la misma índole física, diferenciándose solamente por las longitudes de onda. Su escala comienza con las largas ondas hertzianas y, pasando por la luz visible, terminó en los días
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de HERTZ con los rayos ultravioletas, a los que pronto debían agregarse los rayos X, los rayos radiactivos y los rayos cósmicos.
Las ecuaciones de Maxwell son un conjunto de cuatro ecuaciones que describen por completo los fenómenos electromagnéticos. electromagnéticos. La gran contribución de James Clerk Maxwell fue reunir reunir en estas estas ecuacio ecuaciones nes largos largos años años de result resultados ados experi experimen mental tales, es, debido debidoss a Coulomb,, Gauss Coulomb Gauss,, Ampere Ampere,, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético. electromagnético. En 1884, Oliver Heaviside junto con Willard Gibbs agrupó estas ecuaciones y las reformuló en la notación vectorial actual. Sin embargo, es importante conocer que al hacer eso, Heaviside usó derivadas parciales temporales, diferentes a las derivadas totales usadas por Maxwell. Ello provocó que se perdiera el término vxB que aparecía en la ecuación pos poste teri rior or del del trab trabaj ajoo de Maxw Maxwel ell. l. En la actu actual alid idad ad,, este este térm términ inoo se usa usa como como complementario a estas ecuaciones y se conoce como fuerza de Lorentz. Lorentz. La historia es aún confusa, debido a que el término ecuaciones de Maxwell se usa también para un conjunto de ocho ecuaciones en la publicación de Maxwell de 1865, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field , y esta confusión se debe a que seis de las
ocho ecuaciones son escritas como tres ecuaciones para cada eje de coordenadas, así se puede uno confundir al encontrar veinte ecuaciones con veinte incógnitas. Los dos tipos de ecuaciones son casi equivalentes, a pesar del término eliminado por Heaviside en las actuales cuatro ecuaciones. El aspecto más importante del trabajo de Maxwell en el electromagnetismo es el término que introdujo en la ley de Ampère; Ampère; la derivada temporal de un campo eléctrico, eléctrico, conocido conocido como corriente de desplazamiento. desplazamiento. El trabajo que Maxwell publicó en 1865, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field , modificaba la versión de la ley de Ampère
con lo que se predecía la existencia de ondas electromagnéticas propagándose, dependiendo 9
del medio material, a la velocidad de la luz en dicho medio. De esta forma Maxwell iden identi tifi ficó có la luz luz como como una una onda onda elec electr troma omagn gnét étic ica, a, unif unific ican ando do así así la ópti óptica ca con el electromagnetismo. Exceptuando la modificación a la ley de Ampère, ninguna de las otras ecuaciones era original. Lo que hizo Maxwell fue reobtener dichas ecuaciones a partir de modelos mecánicos e hidrodinámicos usando su modelo mod elo de vórtices de líneas de fuerza de Faraday. Faraday.
TABLA RESUMEN ECUACIONES DE MAXWELL
Nombre
Forma diferencial
Forma integral
Ley de Gauss:: Gauss
Ley de Gauss para el campo magnético:
Ley de Faraday:: Faraday
Ley de Ampère generalizad a:
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Estas cuatro ecuaciones junto con la fuerza de Lorentz son las que explican cualquier tipo de fenómeno electromagnético. Una fortaleza de las ecuaciones de Maxwell es que permanecen invariantes en cualquier sistema de unidades, salvo de pequeñas excepciones, y que son compatibles con la relatividad especial y general general.. Además Maxwell
descubrió que la cantidad
era simplemente la velocidad de la luz en el vacío,
por lo que la luz es una forma de radiación electromagnética. electromagnética. Los valores aceptados actualmente para la velocidad de la luz, la permitividad y la permeabilidad magnética se resumen en la siguiente tabla:
Símbolo
Nombre
Valor
Unidad de medida
numérico
SI
Tipo
Velocidad de la luz en el
metros por
definid
vacío
segundo
o
Permitividad
faradios por metro
Permeabilidad magnética
henrios por metro
deriva do
definid o
OBTENCION DE ONDAS MEDIANTE ECUACIONES DE MAXWELL Recordemos en primer lugar las ecuaciones de Maxwell que para medios isótropos, no magnéticos y sin carga libre:
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Combinando correctamente estas relaciones, llegamos a las siguientes ecuaciones: ecu aciones:
Podemos observar la similitud que guarda cada una de estas ecuaciones con la expresión general de una ecuación de ondas, que reproducimos a continuación:
Donde
, siendo c la velocidad de la luz en el vacío y n es el índice de
refracción del medio. La solución a la la ecuación de onda es la siguiente:
Con
.
Por lo tanto, para las ecuaciones de onda de los campos eléctrico y
magnético:
Y
CAMPO ELECTRICO 12
El campo eléctrico es el modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. Matemáticamente se lo describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor "q" sufrirá los efectos de una fuerza mecánica "F" que vendrá dada por la siguiente ecuación:
Esta definición indica que el campo no es directamente medible, sino a través de la medición de la fuerza actuante sobre alguna carga. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Michael por Michael Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en el año 1832. 1832. A partir de la ecuación anterior podemos definir un campo eléctrico e léctrico en un punto p como:
donde sabemos que k es la constante de un campo se halla k = 1/(4πε); donde ε es la constante del ambiente o espacio donde se está estudiando el campo. â es el vector dirección dirección unitario unitario que va desde desde la carga carga hasta hasta el punto punto a. Es la norma norma del vector vector ā que define la distancia entre el punto y la carga. CAMPO MAGNETICO El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q que se desplaza a una velocidad
, sufre los efectos de una fuerza que es
perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo, llamada inducción magnética o densidad de flujo magnético. magnético. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.
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(Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto cruz es un producto vectorial que tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B). El módulo de la fuerza resultante será La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula una brújula,, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre, terrestre, puede ser considerada un magnetómetro. Para conocer o aplicar las ecuaciones de Maxwell a la Fibra Óptica debemos conocer lo que es el campo eléctrico y el campo magnético ya que de ello depende la creación de una onda electromagnética. ECUACIONES DE MAXWELL PARA UNA FIBRA ÓPTICA La simetría cilíndrica de una fibra óptica nos sugiere utilizar coordenadas cilíndricas para estudiar el problema, lo que complica, a priori, un poco los cálculos, dado que las relacio relaciones nes vectori vectoriale aless son más comple complejas jas.. Sin embargo, embargo, resolv resolver er las ecuaciones ecuaciones de Maxwell para una simetría cilíndrica en coordenadas cartesianas acoplaría las diferentes componentes de forma que las ecuaciones resultantes serían muchísimo más complejas. Por ser una fibra de salto de índice, vamos a considerar una resolución parcial de las ecuaciones de Maxwell en cada una de las regiones (núcleo y revestimiento) como si fuesen medios medios homogén homogéneos eos para para poster posterior iormen mente te aplica aplicarr las condic condicion iones es de contorn contorno. o. De las ecuaciones transcendentales obtenidas, calcularemos las características de los modos. modo s. Una de las consecuencias más importantes de utilizar la simetría simetría cilíndrica es que las soluciones de las ecuaciones son SEPARABLES en cada una de las variables dentro de cada una de las regiones de la fibra (núcleo (núcleo y revestimient revestimiento). o). Es decir, decir, cada una de las soluciones a las ecuaciones de ondas anteriores sería la siguiente: Ai=CF1(r)F 2(Φ)F3(z)F4(t)
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donde Ai representa cada una de las incógnitas que tenemos que resolver: Er , EΦ, Ez, Hr , HΦ, Hz No obstante, solo hay que resolver dos de ellas, porque las ecuaciones de Maxwell permiten relacionarlas con la demás. Calcularemos inicialmente las componentes Ez y Hz. Operando sobre las ecuaciones de Maxwell, y asumiendo la forma funcional de las soluciones, se puede encontrar que las componentes Ez y Hz del campo electromagnético cumplen la siguiente ecuación de ondas en coordenadas cilíndricas: Campo Eléctrico
Campo Magnético
Es decir:
Podemos ver los pasos intermedios por los que se ha pasado hasta llegar a estos resultados. En la resolución de la ecuación de ondas para guías planas, las dos ecuaciones eran independi independientes, entes, lo que daba lugar lugar a modos modos TE o TM. En este caso, al al ser la la guía bidimensional, las dos componentes Ez y Hz no son completamente independientes, sino sino que las condiciones condiciones de contorno van a acoplar las dos componentes. componentes. Las condiciones condiciones de contorno en este caso para las componentes tangenciales son:
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Modo transversal electromagnético El modo transversal de un frente de onda electromagnética es el perfil del campo electromagnético en un plano perpendicular (transversal) a la dirección de propagación del rayo. Modos transversales ocurren en las ondas de radio y microondas confinadas en una guía de ondas, ondas, como también la luz confinada en una fibra óptica y en el resonador óptico de un láser . Los modos transversales son debidos a las condiciones de frontera impuestas por la guía de ondas. Por ejemplo una onda de radio que se propaga a lo largo de una guía hueca de paredes metálicas tendrá como consecuencia que las componentes del campo eléctrico paralelas a la dirección de propagación (eje de la guía) se anulen, y por tanto el perfil transversal del campo eléctrico estará restringido a aquellas ondas cuya longitud de onda encaje entre las paredes conductoras. Por esta razón, los modos soportados son cuantizados y pueden hallarse mediante la solución de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones de frontera adecuadas. Tipos de modos Los modos transversales son clasificados de la siguiente manera: •
modos TE (Transverse Electric) no existe ninguna componente del campo eléctrico en la dirección de propagación.
•
modo mo doss TM (Tran (Transve sverse rse Magnet Magnetic) ic) no existe existe nin ninguna guna compone componente nte del campo campo magnético en la dirección de propagación.
•
modos TEM (Transverse ElectroMagnetic) no existe ninguna componente del campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación.
•
modos Híbridos son aquellos donde hay componentes del campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación.
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Debido a las condiciones de frontera incluidas por el material, dentro de una guía de paredes conductoras, rellena de un material homogéneo e isótropo, no se puede propagar ningún modo híbrido. Exceptuando casos como este o de cierta simetría especial, los modos que se propagan en las guías comunes son principalmente del tipo híbrido. Por ejemplo, la luz que viaja en una fibra óptica u otra guía dieléctrica normalmente se compone de modos híbridos. Los modos de una fibra son usualmente referidos como modos LP (polarización lineal, de sus siglas en inglés), que se refiere a una aproximación escalar para escalar para el campo, suponiendo que el campo solo tiene una componente transversal (esto es bastante acertado para la fibras comunes donde es muy poca la diferencia entre los índices de refracción). Tanto una onda plana propagándose por el espacio libre, como los modos generados en un resonador óptico láser, son del tipo Transversal Electromagnético (TEM). GUIA DE ONDA En electromagnetismo y en telecomunicación, telecomunicación, una una guía guía de onda onda es cual cualqu quie ier r estructura física que guía ondas electromagnéticas. electromagnéticas. Principios de operación Dependiendo de la frecuencia, se pueden construir con materiales conductores o dieléctricos. dieléctricos. Generalmente, cuanto más baja es la frecuencia, mayor es la guía de onda. Por ejemplo, el espacio entre la superficie terrestre y la ionosfera, ionosfera, la atmósfera, atmósfera, actúa como una guía de onda. Las dimensiones limitadas de la Tierra provocan que esta guía de onda actúe como cavidad resonante para las ondas electromagnéticas en la banda ELF. ELF. Las guías de onda también pueden tener dimensiones de pocos centímetros. centímetros. Un ejemplo puede ser aquellas utilizadas por los satélites de EHF y por los radares. radares. Análisis
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Las guías de onda electromagnéticas se analizan resolviendo las ecuaciones de Maxwell. Maxwell. Estas ecuaciones tienen soluciones múltiples, o modos, que son los autofunciones del sistema de ecuaciones. Cada modo es pues caracterizado por un autovalor , que corresponde a la velocidad de propagación axial de la onda en la guía. Los modos de propagación dependen de la longitud de onda, onda, de la polarización y de las dimensiones de la guía. El modo longitudinal de una guía de onda es un tipo particular de onda estacionaria formado por ondas confinadas en la cavidad. Aplicaciones Las guías de onda son muy adecuadas para transmitir señales debido a sus bajas pérdidas. Por ello, se usan en microondas, a pesar de su ancho de banda limitado y volumen, mayor que el de líneas impresas o coaxiales para coaxiales para la misma frecuencia. También se realizan distintos dispositivos en guías de onda, como acopladores direccionales, filtros, circuladores y otros. Actualmente, Actualmente, son especialmente especialmente importantes, importantes, y lo serán más en el futuro, las guías de onda dieléctricas trabajando a frecuencias de la luz visible e infrarroja, habitualmente llamadas fibra óptica, óptica, útiles para transportar información de banda ancha, sustituyendo a los cables coaxiales y enlaces de microondas en las redes telefónicas y, en general, las redes de datos. FIBRA OPTICA Una Una fibr fibraa ópt óptic icaa es un fila filame ment ntoo delg delgado ado y lar largo de un mate materi rial al diel dieléct éctri rico co transparente, usualmente vidrio o plástico de un diámetro aproximadamente igual al de un cabello (entre 50 a 125 micras) al cual se le hace un revestimiento especial, con ciertas características para transmitir señales de luz a través de largas distancias. Un cable de fibra óptica está compuesto de las siguientes partes:
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•
Núcleo: Es propiamente propiamente la fibra óptica, óptica, la hebra delgada de vidrio vidrio por donde viaja la luz.
•
Revestimiento: Es una o más capas que rodean a la fibra óptica y están hechas de un material con un índice de refracción menor al de la fibra óptica, de tal forma que los rayos de luz se reflejen por el principio de reflexión total interna hacia el núcleo y permite que no se pierda la luz.
•
Forro: Es un revestimiento revestimiento de plástico que protege a la fibra y la capa media de la humedad y los maltratos.
La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el núcleo de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o láser o un LED. LED. Las fibras ópticas vienen en dos tipos: •
Las fibras multi-modo: Transmiten muchas señales por la fibra (usada en las redes de ordenadores , las redes de área local) local)
•
Fibras unimodales: Transmiten una señal por la fibra (usada en teléfonos y la televisión por cable). Las fibras unimodales tienen núcleos muy delgados (cerca de 9 micrones de diámetro) y transmiten la luz láser infrarroja (longitud de onda = 1.300 a 1.550 nanómetros). Las fibras multi-modo tienen núcleos más grandes (cerca de 62,5 micrones de diámetro) y transmiten la luz infrarroja (longitud de onda = 850 a 1.300 nm) de diodos emisores de luz (LEDs). Algunas fibras ópticas se pueden hacer de plástico. Estas fibras tienen una base
grande (0,04 pulgadas o diámetro de 1 milímetro) y transmiten la luz roja visible (longitud de onda = 650 nm) de los LEDs. Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a gran velocidad, mucho más rápido que en las comunicaciones de 19
radio y cable. También se utilizan para redes locales. Son el medio de transmisión por excelencia, inmune a las interferencias. Tienen un costo elevado. HISTORIA DE LA FIBRA OPTICA. Como resultado de estudios en física enfocados de la óptica, óptica, se descubrió un nuevo modo de empleo para la luz llamado rayo láser . Este último es usado con mayor vigor en el área de las telecomunicaciones, debido a lo factible que es enviar mensajes con altas velocidades y con una amplia cobertura. Sin embargo, no existía un conducto para hacer viajar los fotones originados por el láser. La posibilidad de controlar un rayo de luz, dirigiéndolo en una trayectoria recta, se conoce desde hace mucho tiempo. En 1820, Augustine-Ja Augustine-Jane ne Fresnes Fresnes ya conoc conocía ía las las ecuaciones por las que rige la captura de la luz dentro de una placa de cristal lisa. Su ampliación a lo que entonces se conocía como cables de vidrio fue obra de D. Hondros y Peter Debye en 1910. El físico irlandés John Tyndall descubrió que la luz podía viajar dentro de un material (agua), curvándose por reflexión interna, y en 1870 presentó sus estudios ante los miembros de la Real Sociedad. A partir de este principio se llevaron a cabo una serie de estudios, en los que demostraron el potencial del cristal como medio eficaz de transmisión a larga distancia. Además, se desarrollaron una serie de aplicaciones basadas en dicho principio para iluminar corrientes del agua en fuentes públicas. Más tarde, J. L. Baird registró patentes que describían la utilización de bastones sólidos de vidrio en la trasmisión de luz, para su empleo en un primitivo sistema de televisión de colores. El gran problema, sin embargo, es que las técnicas y los materiales usados no permitían la trasmisión de luz con buen rendimiento. Las pérdidas eran tan grandes y no había dispositivos de acoplamiento óptico. Solamente en 1950 las fibras ópticas comenzaron a interesar a los investigadores, con muchas aplicaciones prácticas que estaban siendo desarrolladas. En 1952, el físico Narinder Singh Kapany, apoyándose en los estudios de John Tyndall Tyndall,, realizó experimentos que condujeron a la invención de la fibra óptica.
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Uno de los primeros usos de la fibra óptica fue emplear un haz de fibras para la transmisión de imágenes, que se usó en el endoscopio médico. Usando la fibra óptica, se consi consigu guió ió un endo endosc scop opio io semif semifle lexi xibl ble, e, el cual cual fue fue patent patentad adoo por la Universidad de Michigan en 1956. En este invento se usaron unas nuevas fibras forradas con un material de bajo índice de refracción, ya que antes se impregnaban con aceites o ceras. En esta misma época, se empezaron a utilizar filamentos delgados como el pelo que transportaban luz a distancias cortas, tanto en la industria como en la medicina, de forma que la luz podía llegar a lugares que de otra forma serían inaccesibles. El único problema era que esta luz perdía hasta el 99% de su intensidad al atravesar distancias de hasta de 9 metros de fibra. En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal podía atravesar 240 kilómetros de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable. Pero las fibras ópticas con este grado de transparencia no se podían fabricar usando métodos tradicionales. El gran avance se produjo cuando se dieron cuenta de que el cristal de sílice puro, sin ninguna impureza de metal que absorbiese luz, solamente se podía fabricar directamente a partir de componentes de vapor, evitando de esta forma la contaminación que inevitablemente resultaba resultaba del uso convencional convencional de los crisoles crisoles de fundición. fundición. El progreso progreso se centraba centraba ahora en seleccionar el equilibrio correcto de componentes del vapor y optimizar sus reacciones. La tecn tecnol olog ogía ía en desa desarr rrol ollo lo se basa basaba ba prin princi cipa palm lmen ente te en el cono conoci cimi mien ento to de la termodinámica química, una ciencia perfeccionaba por tres generaciones de químicos desde su adopción original por parte de Willard Willard Gibbs, en el siglo XIX. XIX. También en 1980, AT&T presentó AT&T presentó a la Comisión Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos un proyecto de un sistema de 978 kilómetros que conectaría las principales ciudades del corredor que iba de Boston a Washington. Washington. Cuatro años después, cuando el sist sistem emaa comen comenzó zó a funci funcion onar ar,, su cabl cable, e, de menos menos de 25 cent centím ímet etro ross de diám diámet etro ro,, proporcionaba 80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas simultáneas. Para entonces, la longitud total de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos alcanzaba 400.000 kilómetros (lo suficiente para llegar a la luna). Pronto, cables similares atravesaron los océanos del mundo. El primer enlace transoceánico con fibra óptica fue el TAT-8 que comenzó a operar en 1988, usando un 21
cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las señales débiles se podían colocar a distancias distancias de más de 64 kilómetros. kilómetros. Tres años después, después, otro cable transatlántico transatlántico duplicó la capacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacífico también han entrado en funcionamiento. Desde entonces, se ha empleado fibra óptica en multitud de enlaces transoceánicos o entre ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redes troncales de las operadoras hacia los usuarios finales. Hoy en día, debido a sus mínimas pérdidas de señal y a sus óptimas propiedades de ancho de banda, la fibra óptica puede ser usada a distancias más largas que el cable de cobre. Además, Además, la fibra por su peso y tamaño reducido, hace que sea muy útil en entornos entornos donde el cable de cobre sería impracticable. Modos en una fibra óptica El número de modos en una fibra óptica determina si una fibra es mono-modo ó multi-modo, multi-modo, esto es, si puede mantener uno o varios modos guíados. Para determinar el número de modos guíados en una fibra de salto de índice es necesario determinar el parámetro de fibra V:
o equivalentemente:
donde k 0 es el número de onda, onda, a es el radio del núcleo, λ es la longitud de onda, onda, NA es la apertura numérica, numérica, n1 y n2 son respectivamente los índices de refracción del núcleo y del revestimiento. Cualquier fibra de salto de índice con un parámetro V menor que 2.405 es (por definición) una fibra monomodo, de igual forma si V > 2.405 la fibra guiará otros modos además del modo fundamental (multi-modo).
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La descomposición de la distribución de campos en modos transversales es muy útil porq porque ue faci facili lita ta la inte interp rpre reta taci ción ón de perf perfil iles es de inte intens nsid idad ad muy compl complej ejos os,, como como la superposición de modos más simples. Del estudio de estos modos es posible conocer la evolución del campo que se propaga. Tipos de Fibra óptica Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo. Fibra multimodo Una fibra multimodo multimodo es aquella aquella en la que los haces de luz pueden circular circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km; es simple de diseñar y económico.Su distancia máxima es de 2 km y usan diodos láser de láser de baja intensidad. El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo mismo orden de magnitud, que el revestimie revestimiento. nto. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión. Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo: •
Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.
•
Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante, tiene menor dispersión modal y el núcleo se constituye con stituye de distintos materiales.
Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según su ancho de banda las fibras pueden ser OM1, OM2 0 OM3. 23
•
OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
•
OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
•
OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan láser como emisores.
Fibra monomodo Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A difere diferenci nciaa de las fibras fibras mul multim timodo odo,, las fibras fibras monomod monomodoo permit permiten en alcanz alcanzar ar grandes grandes distancias (hasta 100 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información (decenas de Gb/s). Componentes de la fibra óptica Dentro de los componentes que se usan en la fibra óptica caben destacar los siguientes: los conectores, el tipo de emisor del haz h az de luz, los conversores de luz, etc. Tipos de conectores Estos elementos se encargan de conectar las líneas de fibra a un elemento, ya puede ser un transmisor o un receptor. Los tipos de conectores disponibles son muy variados, entre los que podemos encontrar se hallan los siguientes:
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Tipos de conectores de la fibra óptica.
•
FC, que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones.
•
FDDI, se usa para redes de fibra óptica.
•
LC y MT-Array MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos. da tos.
•
SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos.
•
ST o BFOC se usa en redes de edificios e dificios y en sistemas de seguridad.
Emisores del haz de luz Estos dispositivos se encargan de emitir el haz de luz que permite la transmisión de datos, estos emisores pueden ser de dos tipos: •
LEDs. Utilizan una corriente de 50 a 100 mA, su velocidad es lenta, solo se puede usar en fibras multimodo, pero su uso es fácil y su tiempo de vida es muy grande, además de ser económicos.
•
Láser. Este tipo de emisor usa una corriente de 5 a 40 mA, son muy rápidos, se puede usar con los dos tipos de fibra, monomodo y multimodo, pero por el contrario su uso es difícil, su tiempo de vida es largo pero menor que el de los LEDs y también son mucho más costosos.
Conversores luz-corriente luz-corriente eléctrica Este tipo de conversores convierten las señales ópticas que proceden de la fibra en señales eléctricas. Se limitan a obtener una corriente a partir de la luz modulada incidente, esta corriente es proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma de onda de la señal moduladora. Se funda fundame menta nta en el fenóm fenómen enoo opues opuesto to a la recom recombi bina naci ción, ón, es decir decir,, en la generación de pares electrón-hueco a partir de los fotones. El tipo más sencillo de detector corresponde a una unión semiconductora P-N. 25
Las condiciones que debe cumplir un fotodetector para su utilización en el campo de las comunicaciones, son las siguientes: •
La corriente inversa (en ausencia de luz) debe ser muy pequeña, para así poder detectar señales ópticas muy débiles (alta sensibilidad).
•
Rapidez de respuesta (gran ancho de banda).
•
El nivel de ruido generado por el propio dispositivo ha de ser mínimo.
Hay dos tipos de detectores: los fotodiodos PIN y los de avalancha APD. •
Detectores PIN: PIN: Su nombre viene de que se componen de una unión P-N y entre esa unión se intercala una nueva zona de material intrínseco (I), la cual mejora la eficacia del detector. detector.
Se utiliza principalmente en sistemas que permiten una fácil discriminación entre posibles niveles de luz y en distancias d istancias cortas. •
Detectores APD: APD: El mecanismo de estos detectores consiste en lanzar un electrón a gran velocidad (con la energía suficiente), contra un átomo para que sea capaz de arrancarle otro electrón.
Estos detectores se pueden clasificar en tres tipos: •
de silicio: silicio: presentan un bajo nivel de ruido y un rendimiento de hasta el 90% trabajando en primera ventana. Requieren alta tensión de alimentación (200-300V).
•
de germanio: germanio: aptos para trabajar con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y 1300 nm y con un rendimiento del 70%.
•
de compuestos de los grupos III y V. V.
Cables de fibra óptica Un cable de fibra óptica esta compuesto por un grupo de fibras ópticas por el cual se transmiten señales luminosas. Las fibras ópticas comparten su espacio con hiladuras de aramida que le confieren la necesaria resistencia a la tracción. 26
Sección de un cable de fibra óptica.
Conectores de cable de fibra óptica. Los cables de fibra óptica proporcionan una alternativa sobre los coaxiales en la industria de la electrónica y las telecomunicaciones. telecomunicaciones. Así, un cable con 8 fibras ópticas tiene un tamaño bastante más pequeño que los utilizados habitualmente, puede soportar las mismas comunicaciones que 60 cables de 1623 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8 tubos, todo ello con una distancia entre repetidores mucho mayor. Por otro lado, el peso del cable de fibra óptica es muchísimo menor que el de los coaxiales, ya que una bobina del cable de 8 fibras antes citado puede pesar del orden de 30 kg/ kg/km km,, lo que permite efectuar tendidos de 2 a 4 km de una sola vez, mientras que en el caso de los cables de cobre no son prácticas distancias superiores a 250 - 300 m. La “fibra óptica” no se suele emplear tal y como se obtiene tras su proceso de creación (tan sólo con el revestimiento primario), sino que hay que dotarla de de más elementos de refuerzo que permitan su instalación sin poner en riesgo al vidrio que la conforma. Es un proceso difícil, ya que el vidrio es quebradizo y poco dúctil. Además, la sección de la fibra es muy pequeña, por lo que la resistencia que ofrece a romperse es
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prác prácti tica came ment ntee nul nula. a. Es por tant tantoo neces necesar ario io prot proteg eger erla la medi median ante te la estr estruct uctur uraa que denominamos cable. Las funciones del cable Las funciones del cable de fibra óptica son varias. Actúa como elemento de protección de la fibra/s óptica/s que hay en su interior frente a daños y fracturas que puedan producirse tanto en el momento de su instalación como a lo largo de la vida útil de ésta. Además, proporciona suficiente consistencia mecánica para que pueda manejarse en las mismas condiciones de tracción, compresión, torsión y medioambientales que los cables de conductores. Para ello incorporan elementos de refuerzo y aislamiento frente al exterior. Instalación y explotación Referente a la instalación y explotación del cable, nos encontramos frente a la cuestión esencial de qué tensión es la máxima que debe admitirse durante el tendido para que el cable no se rompa y se garantice una vida media de unos 20 años. Elementos y diseño del cable de fibra óptica La estructura de un cable de fibra óptica dependerá en gran medida de la función que deba desempeñar esa fibra. A pesar de esto, todos los cables tienen unos elementos comunes que deben ser considerados y que comprenden: el revestimiento secundario de la fibra o fibras que contiene; los elementos estructurales y de refuerzo; la funda exterior del cable, y las protecciones contra el agua. Existen tres tipos de “revestimiento secundario”: •
“Revestimiento ceñido”: Consiste en un material (generalmente plástico duro como el nylon o el poliéster) que forma una corona anular maciza situada en contacto directo con el revestimiento primario. Esto genera un diámetro externo final que oscila entre 0’5 y 1 mm. Esto proporciona a la fibra una protección contra microcurvaturas, con la salvedad del momento de su montaje, que hay que vigilar que no las produzca ella misma.
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“Revestimiento holgado hueco”: Proporciona una cavidad sobredimensionada. Se
•
emplea un tubo hueco extruido (construido pasando un metal candente por el plástico) plástico) de material duro, pero flexible, flexible, con un diámetro variable variable de 1 a 2 mm. El tubo aísla a la fibra de vibraciones y variaciones mecánicas y de temperatura externas. •
“Revestimiento holgado con relleno”: El revestimiento holgado anterior se puede rellenar de un compuesto resistente a la humedad, con el objetivo de impedir el paso del agua a la fibra. Además ha de ser suave, dermatológicamente inocuo, fácil de extraer, autorregenerativo y estable para un rango de temperaturas que oscila entre los ¬ 55 y los 85 ºC Es frecuente el empleo de derivados del petróleo y compuestos de silicona para este cometido.
Elementos estructurales Los elementos estructurales del cable tienen como misión proporcionar el núcleo alrededor del cual se sustentan las fibras, ya sean trenzadas alrededor de él o dispersándose de forma paralela a él en e n ranuras practicadas sobre el elemento a tal efecto. Elementos de refuerzo Tienen por misión soportar la tracción a la que éste se ve sometido para que ninguna de sus fibras sufra una elongación superior a la permitida. También debe evitar posibles torsiones. Han de ser materiales flexibles y, ya que se emplearán kilómetros de ellos han de tener un coste asequible. Son materiales preferidos el acero ac ero el Kevlar y la fibra de vidrio. Funda Por último, todo cable posee una funda, generalmente de plástico cuyo objetivo es proteger el núcleo que contiene el medio de transmisión frente a fenómenos externos a éste como son la temperatura, la humedad, el fuego, los golpes externos, etc. Dependiendo de para qué sea destinada la fibra, la composición de la funda variará. Por ejemplo, si va a ser instalada en canalizaciones de planta exterior, debido al peso y a la tracción bastará con un 29
revestimiento de polietileno extruido. Si el cable va a ser aéreo, donde sólo importa la tracción en el momento de la instalación nos preocupará más que la funda ofrezca resistencia a las heladas y al viento. Si va a ser enterrado, querremos una funda que, aunque sea más pesada, soporte golpes y aplastamientos externos. En el caso de las fibras subma submari rina nass la funda funda será será una compl complej ejaa super superpos posic ició iónn de varia variass capas capas con diver diversa sass funciones aislantes. FABRICACION DE LA FIBRA OPTICA Las fibras ópticas se hacen del cristal óptico extremadamente puro. Por ejemplo, al ver una ventana de cristal transparente, cuanto más grueso es el cristal, menos transparente llega a ser debido a las impurezas en el cristal. Sin embargo, el cristal en una fibra óptica tiene ti ene mu muchí chísi simo mo menos menos impu impure rezas zas que que el vidr vidrio io del del cris crista tall de una una vent ventan ana. a. Una Una comparación de la calidad del cristal en una fibra óptica es la siguiente: si una persona estuviera navegando en un mar de kilómetros de profundidad que fuese de cristal de fibra óptica podría ver los peces en el fondo del océano. La fabricación de fibras ópticas tiene diferentes etapas: 1. Fabric Fabricació aciónn de un cilind cilindro ro de cris cristal tal.. 2. Extrac Extracció ciónn de las las fibra fibrass del cilind cilindro. ro. 3. Prueb Pruebaa fina finall de las las fib fibra ras. s. Especificando un poco dichas etapas: Fabricación del cilindro de cristal El cristal para el objeto semi-trabajado es hecho por un proceso llamado deposición de vapor químico modificado (MCVD, en inglés), el cual se esquematiza en la Fig. 04.
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Fig. 04 – Esquema del MCVD
En MCVD, el oxígeno se burbujea a través de soluciones del cloruro del silicio (SiCl4), cloruro del germanio (GeCl4) y/o otros productos químicos. La mezcla exacta gobierna las características físicas y ópticas (índice de refracción, el coeficiente de la extensión, extensión, el punto de fusión, etc.). Los vapores del gas se conducen al interior interior de un tubo sintético de silicio o cuarzo (revestimiento) en un torno especial. Mientras el torno da vueltas, vueltas, una antorcha antorcha se mueve arriba arriba y abajo del exterior del tubo. El calor extremo de la antorcha hace dos cosas: - El silicio y el germanio reaccionan con el oxígeno, formando el dióxido del silicio (SiO 2) y dióxido del germanio (GeO2). - El dióxido del silicio y del dióxido de germanio se unen en el interior del tubo y se funden juntos para formar el cristal. El torno da vueltas constantemente para hacer una capa uniforme. La pureza del cristal es mantenida usando el plástico resistente a la corrosión en el sistema de la entrega del gas (bloques de la válvula, tuberías, sellos) y controlando el flujo y la composición de la mezcla. 31
Extracción de las fibras Una vez realizado el cilindro se procede a colocarlo en una máquina que extrae de él las fibras. En la Fig. 05 se muestra de manera general el proceso de fabricación de la fibra óptica:
Fig. 05 – Esquema general de fabricación
El operador enrosca la fibra sobre un carrete. El mecanismo del carrete tira lentamente la fibra de la máquina anterior calentando el cilindro y es controlado usando un micrómetro láser para medir el diámetro de la fibra y para alimentar la información de nuevo al mecanismo del tractor. Las fibras se tiran del cilindro a una velocidad de 10 a 20 m/s y el producto acabado se enrosca sobre el carrete. Normalmente los carretes pueden llegar a contener más de 2,2 kilómetros de fibra óptica. Prueba de la fibra óptica acabada 32
La fibra óptica acabada se prueba con las siguientes condiciones: - Fuerza extensible: debe soportar 100.000 lb/in 2 o más - Perfil del índice de refracción: Determina el índice de refracción y el grado de impurezas en la fibra. - Geometría de la fibra: Se ve que el diámetro de base, las dimensiones del revestimiento y el diámetro de capa son uniformes. - Atenuación: Determina el grado de degradación que sufren las señales luminosas de varias longitudes de onda a una cierta distancia. - Capacidad de carga de información (ancho de banda): Número de señales que pueden ser llevadas al mismo tiempo (aplica solo a las fibras multi-modo). - Dispersión cromática: Extensión de varias longitudes de onda de la luz con la base (importante para la anchura de banda). - Gama de funcionamiento de temperatura y humedad. - Dependencia de la temperatura de la atenuación. atenuación. - Capacidad de conducir la luz debajo del agua: agua: Importante para los cables submarinos. Una vez que las fibras pasan el control de calidad, se venden a compañías de teléfono, a las compañías de televisión por cable y a abastecedores de red. Muchas compañías están sustituyendo actualmente sus viejos sistemas de alambre de cobre por los nuevos sistemas de fibra óptica para mejorar velocidad, capacidad y claridad.
Funcionamiento de la Fibra Óptica La fibra óptica funciona gracias al principio de la reflexión total interna, ver Fig. 1, que se da debido a que la fibra o núcleo tiene un cierto índice de refracción superado por el revestimiento, por lo tanto el rayo de luz, cuando se “desplaza” por la fibra y choca con la 33
pared de ésta, se produce el mismo efecto que observan los buzos cuando están debajo del agua; éstos, cuando ven hacia arriba hacia la superficie del agua, pueden ver lo que está afuera pero sólo hasta cierto ángulo de la vertical, a partir de este ángulo sólo verán un reflejo de lo que esta alrededor de ellos; eso mismo pasa en la fibra, como si ésta fuera el agua, y el revestimiento el aire más arriba de la superficie, que tiene menor índice de refracción.
Fig. 1 – Reflexión Total Total dentro de una Fibra Óptica
Los rayos de luz pueden entrar a la fibra óptica si el rayo se halla contenido dentro de un cierto cierto ángulo denominado denominado cono de aceptación. aceptación. Un rayo de luz puede perfectamente 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 Fig. 2 ilustra todo lo dicho.
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Fig. 2 – Diagrama del Cono de Aceptación
Una vez que la luz entra en la fibra óptica dentro del cono de aceptación, es decir, que sí puede ser propagado dentro de esta, tiene diferentes opciones en su camino:
•
Viajar en línea recta: Si la fibra está perfectamente recta, y el rayo de luz se hace entrar entrar en una forma alineada exactamente exactamente igual que la fibra, este rayo puede ir por el centro de la fibra sin tocar en ningún momento las paredes de la fibra, de esta forma el rayo puede viajar distancias muy grandes y llegará de forma muy rápida al otro extremo de la fibra. Esto sería el caso del rayo que se muestra en la Fig. 2 con el color rojo. Esto nunca sucede, por dos cosas: una, que es muy difícil tener una fibra óptica perfectamente recta, y por otro lado, es difícil alinear el rayo de luz exactamente con la fibra.
•
Viaje con rebote en las paredes: Esto es lo que sucede en la mayoría de los casos. La luz siempre entra con un cierto ángulo de apertura en el extremo de la fibra, lo que hace que desde el comienzo del camino el rayo vaya rebotando rebotando en las paredes, por lo que va a tardar un cierto tiempo más que el rayo que viaja sin rebotar. Por otro lado el rayo de luz no es un solo rayo como tal, en realidad es un haz de rayos, que pueden tardar diferentes tiempos en llegar al otro extremo, por lo que un mismo rayo tiene un cierto tiempo de duración mayor en el extremo que recibe que en el 35
que manda. Los rebotes suceden además principalmente porque las fibras se colocan no siempre en línea recta, normalmente tienen dobleces y curvaturas que hacen que los rayos se vean forzados a rebotar muchas veces más que si fuera recto, pero incluso así, la fibra óptica puede transmitir esa luz una distancia de cientos de kilómetros kilómetros sin necesidad de repetidoras repetidoras,, gracias gracias a que el revestimien revestimiento to no absorbe absorbe nada de la luz transmitida. •
Rayo fuera de la fibra: En algunos casos extremos puede suceder que si el cable es doblado muy abruptamente, la luz no pueda seguir rebotando y viajando a través de la fibra, y se salga de ésta, tal como si se introdujera en la fibra fuera del cono de aceptación. Esto sucede porque hay un ángulo crítico para el que para cierto ángulo menor si hay reflexión total interna, pero para un ángulo mayor no. Esto se muestra en la Fig. 2 como el rayo de color verde. Por otro lado, algo de la señal es degradada dentro de la fibra, sobre todo debido a
las impurezas en el cristal. El grado que la señal se degrade depende de la pureza del cristal y de la longitud de onda de la luz transmitida.
Sistemas de redes de fibra óptica Para entender cómo las fibras ópticas se utilizan en sistemas de comunicaciones, vamos mirar un ejemplo de una película de la II guerra mundial o documental donde dos naves naves navales navales en una flota flota necesi necesitan tan comunica comunicarse rse con uno, mientr mientras as que mantie mantienen nen silencio en los radios radios o en mares tempestuosos. El capitán de una nave envía un mensaje a un marinero en cubierta. El marinero traduce el mensaje a código Morse (puntos y rayas) y envía el mensaje utilizando utilizando una luz como señal a la otra nave. Un marinero en la cubierta de la otra nave ve el mensaje del código Morse, lo descifra y envía el mensaje al capitán. Ahora, con la fibra óptica, se puede hacer esto entre dos puntos separado miles de kilómetros. Los sistemas de redes de fibra óptica están conformados de la siguiente manera:
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• Transmisor: produce y codifica las señales de luz • Fibra óptica: conduce la luz una distancia. • Regenerador óptico: puede óptico: puede ser necesario para repotenciar la señal de luz (si son muy largas distancias y la luz se ha degradado al extremo). • Receptor óptico: recibe y descifra las señales de luz. A posterior se analizara con un poco en detalle cada c ada uno de estos: Transmisor El transmisor es como el marinero en la cubierta de la nave que envía el mensaje en forma de luz. Recibe y ordena el dispositivo óptico para dar encender y apagar la luz en la secuencia correcta, generando así la señal de luz. El transmisor está físicamente cerca de la fibra óptica y puede incluso tener una lente para enfocar la luz en la fibra. Un transmisor pudiese ser los lásers, pues tienen más energía que los LED, pero varían más con los cambios de temperatura y son más costosos. Las longitudes de onda más comunes de señales ligeras son 850nm, 1.300nm, y 1.550nm. Las porciones del nm (infrarrojo, no-visible del espectro). Regenerador Óptico Según lo mencionado anteriormente, una cierta pérdida de la señal ocurre cuando la luz se transmite a través de la fibra, especialmente cuando son muy largas distancias, por ejemplo con los cables submarinos. submarinos. Por lo tanto, tanto, unos regeneradores ópticos se empalman a lo largo del cable para repotenciar las señales de luz degradadas. Un regenerador óptico consiste en fibras ópticas con una capa especial dopada. Esta porción dopada hace que se emita una nueva luz con un láser. Cuando la señal degradada viene en la capa dopada, la energía del láser permite que las moléculas dopadas se conviertan en los láser ellas mismas.
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Las moléculas dopadas entonces emiten una nueva y más fuerte señal de luz con las mismas características que la señal débil entrante. Básicamente, el regenerador es un amplificador del láser para la señal entrante. Receptor Óptico El receptor óptico es como el marinero en la cubierta de la nave de recepción. Toma las señales digitales entrantes, las descifra y envía la señal eléctrica a la computadora, a la TV o al teléfono del otro usuario (atendiendo al capitán de la nave). El receptor utiliza una fotocélula o un fotodiodo para detectar la luz. Ventajas de la fibra óptica
Menos costosa: Es más barato por unidad de longitud que el alambre de cobre, haciendo que las compañías de telecomunicaciones tengan que invertir menos en el cableado que si fuesen cables normales, de esta forma también pueden tener un servicio más económico para el cliente.
Diámetro Diámetro reducido: reducido: Las fibras ópticas se pueden hacer de un diámetro más pequeño que el alambre de cobre.
Capacidad de carga más alta: Como las fibras ópticas son más finas que los alambres de cobre, se puede “meter” un mayor número de fibras en un cable de cierto diámetro que alambres de cobre. Esto permite que haya más líneas telefónicas en un mismo cable o que a una casa llegue un mayor número de canales de televisión que si fuesen cables de cobre. cob re.
Menos Menos degr degrada adaci ción ón de la señal señal:: la pérd pérdiida de señal eñal en fibr ibra ópt óptica ica es significativamente menor que en el alambre de cobre.
Señales de luz: A diferencia de señales eléctricas en los alambres de cobre, las señales luz en una fibra óptica no interfieren con las de otras fibras en el mismo cable, pues no existe inducción magnética. Esto significa que las conversaciones de teléfono no tendrán interferencia entre sí o los canales de televisión.
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Menor gasto de energía: Como las señales de luz en las fibras ópticas se degradan menos que las señales eléctricas en los cables de metal, los transmisores no necesitan ser transmisores de alto voltaje sino transmisores de luz de poca potencia, lo cual da el mismo resultado o mejor y es más económico.
Señales digitales: Las fibras ópticas son ideales para transmitir información digital, ya que dependen solamente de que haya luz o no la haya, por eso son muy utilizadas en las redes de computadoras.
No Inflamable: Al no pasar electricidad a través de fibras ópticas, no hay riesgo de incendios.
Ligero: Un cable óptico pesa menos que un cable de alambre de cobre de la misma longitud.
Flexible: Por ser flexible y poder transmitir y recibir luz, se utilizan en muchas cámaras fotográficas digitales flexibles para flexibles para varios propósitos.
Medicina: En los endoscopios y laparoscopios
Mecánica: En la inspección de tuberías y motores (en aviones, cohetes, carros, etc.) Por todas estas ventajas, la fibra óptica se ha popularizado en muchas industrias,
pero sobre todo en las telecomunicaciones y redes de computadoras. Por ejemplo, en las llamadas por teléfono internacionales que se realizan a través de satélites se oye a menudo un eco en la línea mientras que con los cables de fibra óptica transatlánticos, se tiene una conexión directa sin ecos. Desventajas A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desven desventaj tajas as frente frente a otros otros medios medios de trans transmis misión ión,, sien siendo do las las más más rele relevan vante tess las las siguientes:
La alta fragilidad de las fibras. Necesidad de usar transmisores y receptores más caros. 39
Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.
No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores alimentar repetidores intermedios.
La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.
La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.
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ANEXOS
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CONCLUSION Se puede concluir una definición de fibra óptica de la siguiente forma: material transparente con índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos, se transmite con muy pocas perdidas incluso aunque la fibra esta curvada. Respecto a la aplicación de las ecuaciones de Maxwell en las fibras ópticas podemos decir que las más utilizadas son la del campo eléctrico y campo magnético que a la vez originan originan una onda electromagnéti electromagnética ca que es la que viaja a través de la fibra óptica óptica llevando en si datos o luz.
Se puede decir que la fibra óptica constituye una etapa en la electrónica moderna muy importante tal como lo fueron las piedras en la edad del mismo nombre, pues constituye constituye la piedra piedra angular del desarrollo tecnológico tecnológico contemporáneo. contemporáneo. La fibra óptica no solo ha permitido profundizar en las interconexiones de escala, sino a permitido llegar a desarrollos desarrollos inimaginable inimaginabless hace un par de décadas tales como la endoscopia endoscopia utilizada en la ciru cirugí gíaa cardi cardiova ovasc scul ular ar,, que consi consist stee en la expl explor orac ació iónn en tiem tiempo po real real de los los vasos vasos sanguíneos con la ayuda de una cámara.
En el futuro las fibras ópticas estarán mucho mas cerca de lo que están hoy, hoy, si hoy existen fibras ópticas hasta las centrales telefónicas zonas con muchos edificios en unos años ninguna casa o edificio dejara de tener su cable óptico y posiblemente solo abra que conectarla directamente a la computadora y la televisión para disfrutar de todas sus ventajas. ventajas. Así pues, las fibras fibras ópticas son y serán por mucho tiempo mas el medio más rápido y eficiente de las comunicaciones, hasta que se invente un nuevo sistema que pueda ayudar a superar todas las bondades de las fibras.
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