Una fibra óptica es una fibra de vidrio o plástico flexible que puede transmitir luz [a] de un extremo al otro. Estas fibras se utilizan ampliamente en las comunicaciones por fibra óptica , donde permiten la transmisión a distancias más largas y con mayores anchos de banda (velocidades de transferencia de datos) que los cables eléctricos. Se utilizan fibras en lugar de cables metálicos porque las señales viajan a través de ellas con menos pérdidas y son inmunes a las interferencias electromagnéticas . [1] Las fibras también se utilizan para iluminación y formación de imágenes, y a menudo se envuelven en haces para que puedan usarse para llevar luz hacia adentro o imágenes hacia afuera de espacios confinados, como en el caso de un fibroscopio . [2] Las fibras especialmente diseñadas también se utilizan para una variedad de otras aplicaciones, como sensores de fibra óptica y láseres de fibra . [3]
Las fibras ópticas de vidrio se fabrican normalmente mediante trefilado , mientras que las fibras de plástico se pueden fabricar mediante trefilado o extrusión . [4] [5] Las fibras ópticas suelen incluir un núcleo rodeado de un material de revestimiento transparente con un índice de refracción más bajo . La luz se mantiene en el núcleo mediante el fenómeno de la reflexión interna total que hace que la fibra actúe como una guía de ondas . [6] Las fibras que admiten muchas rutas de propagación o modos transversales se denominan fibras multimodo , mientras que las que admiten un solo modo se denominan fibras monomodo (SMF). [7] Las fibras multimodo generalmente tienen un diámetro de núcleo más amplio [8] y se utilizan para enlaces de comunicación de corta distancia y para aplicaciones en las que se debe transmitir alta potencia. [9] Las fibras monomodo se utilizan para la mayoría de los enlaces de comunicación de más de 1050 metros (3440 pies). [10]
Poder unir fibras ópticas con bajas pérdidas es importante en la comunicación por fibra óptica. [11] Esto es más complejo que unir cables o alambres eléctricos e implica un corte cuidadoso de las fibras, una alineación precisa de los núcleos de las fibras y el acoplamiento de estos núcleos alineados. Para aplicaciones que exigen una conexión permanente, es común un empalme por fusión . En esta técnica, se utiliza un arco eléctrico para fundir los extremos de las fibras. Otra técnica común es un empalme mecánico , donde los extremos de las fibras se mantienen en contacto mediante fuerza mecánica. Las conexiones temporales o semipermanentes se realizan mediante conectores de fibra óptica especializados . [12]
El campo de la ciencia aplicada y la ingeniería que se ocupa del diseño y la aplicación de fibras ópticas se conoce como fibra óptica . El término fue acuñado por el físico indio-estadounidense Narinder Singh Kapany . [13]
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Daniel Colladon y Jacques Babinet demostraron por primera vez la guía de la luz por refracción, el principio que hace posible la fibra óptica, en París a principios de la década de 1840. [14] John Tyndall incluyó una demostración de ello en sus conferencias públicas en Londres , 12 años después. [15] Tyndall también escribió sobre la propiedad de la reflexión interna total en un libro introductorio sobre la naturaleza de la luz en 1870: [16] [17]
Cuando la luz pasa del aire al agua, el rayo refractado se desvía hacia la perpendicular ... Cuando el rayo pasa del agua al aire se desvía de la perpendicular... Si el ángulo que el rayo en el agua forma con la perpendicular a la superficie es mayor de 48 grados, el rayo no saldrá del agua en absoluto: se reflejará totalmente en la superficie... El ángulo que marca el límite donde comienza la reflexión total se llama ángulo límite del medio. Para el agua este ángulo es de 48°27′, para el vidrio de sílex es de 38°41′, mientras que para un diamante es de 23°42′.
A finales del siglo XIX, un equipo de médicos vieneses guió la luz a través de varillas de vidrio curvadas para iluminar cavidades corporales. [18] A principios del siglo XX, se aplicaron aplicaciones prácticas, como la iluminación interna cercana en odontología. La transmisión de imágenes a través de tubos fue demostrada de forma independiente por el experimentador de radio Clarence Hansell y el pionero de la televisión John Logie Baird en la década de 1920. En la década de 1930, Heinrich Lamm demostró que se podían transmitir imágenes a través de un haz de fibras ópticas sin revestimiento y lo utilizó para exámenes médicos internos, pero su trabajo fue en gran parte olvidado. [15] [19]
En 1953, el científico holandés Bram van Heel demostró por primera vez la transmisión de imágenes a través de haces de fibras ópticas con un revestimiento transparente. [19] Más tarde ese mismo año, Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany en el Imperial College de Londres lograron hacer haces de transmisión de imágenes con más de 10,000 fibras, y posteriormente lograron la transmisión de imágenes a través de un haz de 75 cm de largo que combinaba varios miles de fibras. [19] [20] [21] El primer gastroscopio semiflexible de fibra óptica práctico fue patentado por Basil Hirschowitz , C. Wilbur Peters y Lawrence E. Curtiss, investigadores de la Universidad de Michigan , en 1956. En el proceso de desarrollo del gastroscopio, Curtiss produjo las primeras fibras revestidas de vidrio; las fibras ópticas anteriores habían dependido del aire o de aceites y ceras poco prácticos como material de revestimiento de bajo índice. [19]
Kapany acuñó el término fibra óptica después de escribir un artículo en 1960 en Scientific American que presentó el tema a un público amplio. Posteriormente escribió el primer libro sobre el nuevo campo. [19] [22]
El primer sistema de transmisión de datos por fibra óptica en funcionamiento fue demostrado por el físico alemán Manfred Börner en los laboratorios de investigación de Telefunken en Ulm en 1965, seguido por la primera solicitud de patente para esta tecnología en 1966. [23] [24] En 1968, la NASA utilizó fibra óptica en las cámaras de televisión que se enviaron a la Luna. En ese momento, el uso de las cámaras estaba clasificado como confidencial y los empleados que las manipulaban tenían que ser supervisados por alguien con la autorización de seguridad adecuada. [25]
Charles K. Kao y George A. Hockham, de la empresa británica Standard Telephones and Cables (STC), fueron los primeros en promover la idea de que la atenuación de las fibras ópticas podía reducirse por debajo de los 20 decibeles por kilómetro (dB/km), lo que convertía a las fibras en un medio de comunicación práctico, en 1965. [26] Propusieron que la atenuación de las fibras disponibles en ese momento se debía a impurezas que podían eliminarse, en lugar de a efectos físicos fundamentales como la dispersión. Teorizaron de forma correcta y sistemática las propiedades de pérdida de luz de las fibras ópticas y señalaron el material adecuado para utilizar en dichas fibras: vidrio de sílice de alta pureza. Este descubrimiento le valió a Kao el Premio Nobel de Física en 2009. [27] El límite de atenuación crucial de 20 dB/km fue alcanzado por primera vez en 1970 por los investigadores Robert D. Maurer , Donald Keck , Peter C. Schultz y Frank Zimar trabajando para el fabricante de vidrio estadounidense Corning Glass Works . [28] Demostraron una fibra con una atenuación de 17 dB/km dopando vidrio de sílice con titanio . Unos años más tarde produjeron una fibra con una atenuación de solo 4 dB/km usando dióxido de germanio como dopante central. En 1981, General Electric produjo lingotes de cuarzo fundido que podían estirarse en hebras de 25 millas (40 km) de largo. [29]
Inicialmente, las fibras ópticas de alta calidad sólo podían fabricarse a 2 metros por segundo. El ingeniero químico Thomas Mensah se incorporó a Corning en 1983 y aumentó la velocidad de fabricación a más de 50 metros por segundo, lo que hizo que los cables de fibra óptica fueran más baratos que los tradicionales de cobre. [30] [ fuente autoeditada ] [31] [32] Estas innovaciones marcaron el comienzo de la era de las telecomunicaciones por fibra óptica.
El centro de investigación italiano CSELT trabajó con Corning para desarrollar cables de fibra óptica prácticos, lo que dio como resultado el primer cable de fibra óptica metropolitano que se implementó en Turín en 1977. [33] [34] CSELT también desarrolló una técnica temprana para empalmar fibras ópticas, llamada Springroove. [35]
La atenuación en los cables ópticos modernos es mucho menor que en los cables eléctricos de cobre, lo que permite conexiones de fibra de larga distancia con repetidores a distancias de 70 a 150 kilómetros (43 a 93 millas). Dos equipos, dirigidos por David N. Payne de la Universidad de Southampton y Emmanuel Desurvire en Bell Labs , desarrollaron el amplificador de fibra dopado con erbio , que redujo el costo de los sistemas de fibra de larga distancia al reducir o eliminar los repetidores óptico-eléctricos-ópticos, en 1986 y 1987 respectivamente. [36] [37] [38]
El campo emergente de los cristales fotónicos condujo al desarrollo en 1991 de la fibra de cristal fotónico [39] , que guía la luz por difracción a partir de una estructura periódica, en lugar de por reflexión interna total. Las primeras fibras de cristal fotónico estuvieron disponibles comercialmente en 2000. [40] Las fibras de cristal fotónico pueden transportar mayor potencia que las fibras convencionales y sus propiedades dependientes de la longitud de onda se pueden manipular para mejorar el rendimiento. Estas fibras pueden tener núcleos huecos. [41]
La fibra óptica se utiliza como medio para las telecomunicaciones y las redes informáticas porque es flexible y se puede agrupar en forma de cables. Es especialmente ventajosa para las comunicaciones a larga distancia, porque la luz infrarroja se propaga a través de la fibra con una atenuación mucho menor en comparación con la electricidad en los cables eléctricos. Esto permite cubrir largas distancias con pocos repetidores .
10 o 40 Gbit/s es lo típico en los sistemas implementados. [42] [43]
Mediante el uso de multiplexación por división de longitud de onda (WDM), cada fibra puede transportar muchos canales independientes, cada uno de los cuales utiliza una longitud de onda de luz diferente. La velocidad de datos neta (velocidad de datos sin bytes de sobrecarga) por fibra es la velocidad de datos por canal reducida por la sobrecarga de corrección de errores de avance (FEC), multiplicada por el número de canales (normalmente hasta 80 en sistemas WDM densos comerciales a partir de 2008 [actualizar]).
Para aplicaciones de corta distancia, como una red en un edificio de oficinas (consulte fibra hasta la oficina ), el cableado de fibra óptica puede ahorrar espacio en los conductos de cables. Esto se debe a que una sola fibra puede transportar muchos más datos que los cables eléctricos, como el cable de categoría 5 estándar , que normalmente funciona a velocidades de 100 Mbit/s o 1 Gbit/s.
Las fibras también se utilizan a menudo para conexiones de corta distancia entre dispositivos. Por ejemplo, la mayoría de los televisores de alta definición ofrecen una conexión óptica de audio digital. Esto permite la transmisión de audio a través de la luz, utilizando el protocolo S/PDIF a través de una conexión óptica TOSLINK .
Las fibras tienen muchos usos en la teledetección . En algunas aplicaciones, la propia fibra es el sensor (las fibras canalizan la luz óptica hacia un dispositivo de procesamiento que analiza los cambios en las características de la luz). En otros casos, la fibra se utiliza para conectar un sensor a un sistema de medición.
Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir la tensión , la temperatura , la presión y otras magnitudes modificando una fibra de modo que la propiedad que se mide module la intensidad , la fase , la polarización , la longitud de onda o el tiempo de tránsito de la luz en la fibra. Los sensores que varían la intensidad de la luz son los más simples, ya que solo se requiere una fuente y un detector simples. Una característica particularmente útil de estos sensores de fibra óptica es que pueden, si es necesario, proporcionar detección distribuida a distancias de hasta un metro. La detección acústica distribuida es un ejemplo de esto.
Por el contrario, se pueden proporcionar mediciones altamente localizadas integrando elementos sensores miniaturizados con la punta de la fibra. [53] Estos se pueden implementar mediante diversas tecnologías de micro y nanofabricación , de modo que no excedan el límite microscópico de la punta de la fibra, lo que permite aplicaciones tales como la inserción en vasos sanguíneos a través de una aguja hipodérmica.
Los sensores de fibra óptica extrínsecos utilizan un cable de fibra óptica , normalmente multimodo, para transmitir luz modulada desde un sensor que no sea de fibra óptica o un sensor electrónico conectado a un transmisor óptico. Una de las principales ventajas de los sensores extrínsecos es su capacidad de llegar a lugares a los que de otro modo serían inaccesibles. Un ejemplo es la medición de la temperatura en el interior de los motores a reacción mediante el uso de una fibra para transmitir la radiación a un pirómetro situado fuera del motor. Los sensores extrínsecos se pueden utilizar de la misma forma para medir la temperatura interna de los transformadores eléctricos , donde los campos electromagnéticos extremos presentes hacen imposibles otras técnicas de medición. Los sensores extrínsecos miden la vibración, la rotación, el desplazamiento, la velocidad, la aceleración, el par y la torsión. Se ha desarrollado una versión de estado sólido del giroscopio, que utiliza la interferencia de la luz. El giroscopio de fibra óptica (FOG) no tiene partes móviles y explota el efecto Sagnac para detectar la rotación mecánica.
Los usos más comunes de los sensores de fibra óptica incluyen sistemas avanzados de seguridad para la detección de intrusiones . La luz se transmite a lo largo de un cable sensor de fibra óptica colocado en una cerca, una tubería o un cableado de comunicaciones, y la señal de retorno se monitorea y analiza para detectar perturbaciones. Esta señal de retorno se procesa digitalmente para detectar perturbaciones y activar una alarma si se ha producido una intrusión.
Las fibras ópticas se utilizan ampliamente como componentes de sensores químicos ópticos y biosensores ópticos . [54]
La fibra óptica se puede utilizar para transmitir energía utilizando una célula fotovoltaica para convertir la luz en electricidad. [55] Si bien este método de transmisión de energía no es tan eficiente como los convencionales, es especialmente útil en situaciones en las que es deseable no tener un conductor metálico como en el caso del uso cerca de máquinas de resonancia magnética, que producen fuertes campos magnéticos. [56] Otros ejemplos son para alimentar la electrónica en elementos de antena de alta potencia y dispositivos de medición utilizados en equipos de transmisión de alto voltaje.
Las fibras ópticas se utilizan como guías de luz en aplicaciones médicas y de otro tipo en las que es necesario proyectar una luz intensa sobre un objetivo sin una trayectoria de visión clara. Muchos microscopios utilizan fuentes de luz de fibra óptica para proporcionar una iluminación intensa a las muestras que se están estudiando.
La fibra óptica también se utiliza en la óptica de imágenes. Se utiliza un haz coherente de fibras, a veces junto con lentes, para un dispositivo de imágenes largo y delgado llamado endoscopio , que se utiliza para ver objetos a través de un pequeño orificio. Los endoscopios médicos se utilizan para procedimientos exploratorios o quirúrgicos mínimamente invasivos. Los endoscopios industriales (ver fibroscopio o boroscopio ) se utilizan para inspeccionar cualquier cosa de difícil acceso, como el interior de los motores a reacción.
En algunos edificios, las fibras ópticas dirigen la luz solar desde el techo a otras partes del edificio (consulte óptica sin imágenes ). Las lámparas de fibra óptica se utilizan para iluminación en aplicaciones decorativas, incluidos carteles , arte , juguetes y árboles de Navidad artificiales . La fibra óptica es una parte intrínseca del producto de construcción de hormigón transmisor de luz LiTraCon .
La fibra óptica también se puede utilizar en el control de la salud estructural . Este tipo de sensor puede detectar tensiones que pueden tener un impacto duradero en las estructuras . Se basa en el principio de medición de la atenuación analógica.
En espectroscopia , los haces de fibras ópticas transmiten luz desde un espectrómetro a una sustancia que no se puede colocar dentro del espectrómetro mismo, para analizar su composición. Un espectrómetro analiza sustancias haciendo rebotar la luz en ellas y a través de ellas. Al usar fibras, un espectrómetro se puede utilizar para estudiar objetos de forma remota. [57] [58] [59]
Una fibra óptica dopada con ciertos elementos de tierras raras, como el erbio, se puede utilizar como medio de ganancia de un láser de fibra o un amplificador óptico . Las fibras ópticas dopadas con tierras raras se pueden utilizar para proporcionar amplificación de señal empalmando una sección corta de fibra dopada en una línea de fibra óptica regular (sin dopar). La fibra dopada se bombea ópticamente con una segunda longitud de onda láser que se acopla a la línea además de la onda de señal. Ambas longitudes de onda de luz se transmiten a través de la fibra dopada, que transfiere energía desde la segunda longitud de onda de bombeo a la onda de señal. El proceso que causa la amplificación es la emisión estimulada .
La fibra óptica también se utiliza ampliamente como medio no lineal. El medio de vidrio admite una gran cantidad de interacciones ópticas no lineales y las largas longitudes de interacción posibles en la fibra facilitan una variedad de fenómenos que se aprovechan para aplicaciones e investigaciones fundamentales. [60] Por el contrario, la no linealidad de la fibra puede tener efectos nocivos en las señales ópticas y a menudo se requieren medidas para minimizar dichos efectos no deseados.
Las fibras ópticas dopadas con un desplazador de longitud de onda recogen luz de centelleo en experimentos de física .
Las miras de fibra óptica para pistolas, rifles y escopetas utilizan trozos de fibra óptica para mejorar la visibilidad de las marcas en la mira.
Una fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica cilíndrica ( guía de ondas no conductora ) que transmite luz a lo largo de su eje a través del proceso de reflexión interna total. La fibra consta de un núcleo rodeado por una capa de revestimiento , ambos hechos de materiales dieléctricos . [61] Para confinar la señal óptica en el núcleo, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el del revestimiento. El límite entre el núcleo y el revestimiento puede ser abrupto, en la fibra de índice escalonado , o gradual, en la fibra de índice graduado . La luz se puede introducir en las fibras ópticas mediante láseres o LED .
La fibra óptica es inmune a las interferencias eléctricas, ya que no hay interferencias entre señales en distintos cables ni captación de ruido ambiental. La información que viaja por el interior de la fibra óptica es inmune incluso a los pulsos electromagnéticos generados por dispositivos nucleares. [b] [ cita requerida ]
Los cables de fibra óptica no conducen electricidad, lo que hace que la fibra sea útil para proteger equipos de comunicaciones en entornos de alto voltaje , como instalaciones de generación de energía o aplicaciones propensas a la caída de rayos . El aislamiento eléctrico también evita problemas con bucles de tierra . Debido a que no hay electricidad en los cables ópticos que pueda generar chispas, se pueden utilizar en entornos donde hay vapores explosivos. Las escuchas telefónicas (en este caso, las escuchas telefónicas de fibra óptica ) son más difíciles en comparación con las conexiones eléctricas.
Los cables de fibra óptica no son el objetivo del robo de metales . Por el contrario, los sistemas de cables de cobre utilizan grandes cantidades de cobre y han sido objeto de este tipo de robo desde el auge de las materias primas en los años 2000 .
El índice de refracción es una forma de medir la velocidad de la luz en un material. La luz viaja más rápido en el vacío , como en el espacio exterior. La velocidad de la luz en el vacío es de unos 300.000 kilómetros (186.000 millas) por segundo. El índice de refracción de un medio se calcula dividiendo la velocidad de la luz en el vacío por la velocidad de la luz en ese medio. Por tanto, el índice de refracción del vacío es 1, por definición. Una fibra monomodo típica utilizada para telecomunicaciones tiene un revestimiento hecho de sílice pura, con un índice de 1,444 a 1500 nm, y un núcleo de sílice dopado con un índice de alrededor de 1,4475. [61] Cuanto mayor sea el índice de refracción, más lento viaja la luz en ese medio. A partir de esta información, una regla empírica sencilla es que una señal que utiliza fibra óptica para la comunicación viajará a unos 200.000 kilómetros por segundo. Así, una llamada telefónica transmitida por fibra entre Sydney y Nueva York, una distancia de 16.000 kilómetros, significa que hay un retraso mínimo de 80 milisegundos (aproximadamente un segundo) entre el momento en que uno de los interlocutores habla y el otro lo escucha. [c]
Cuando la luz que viaja en un medio ópticamente denso incide sobre un límite con un ángulo de incidencia pronunciado (mayor que el ángulo crítico para el límite), la luz se refleja completamente. Esto se denomina reflexión interna total . Este efecto se utiliza en las fibras ópticas para confinar la luz en el núcleo. La mayoría de las fibras ópticas modernas son de guía débil , lo que significa que la diferencia en el índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento es muy pequeña (normalmente inferior al 1%). [62] La luz viaja a través del núcleo de la fibra, rebotando de un lado a otro en el límite entre el núcleo y el revestimiento.
Como la luz debe incidir en el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico, solo la luz que entra en la fibra dentro de un cierto rango de ángulos puede viajar por la fibra sin filtrarse. Este rango de ángulos se denomina cono de aceptación de la fibra. Existe un ángulo máximo desde el eje de la fibra en el que la luz puede ingresar a la fibra para propagarse o viajar por el núcleo de la fibra. El seno de este ángulo máximo es la apertura numérica (NA) de la fibra. La fibra con una NA mayor requiere menos precisión para empalmar y trabajar con ella que la fibra con una NA menor. El tamaño de este cono de aceptación es una función de la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento de la fibra. La fibra monomodo tiene una NA pequeña.
Las fibras con un diámetro de núcleo grande (superior a 10 micrómetros) pueden analizarse mediante óptica geométrica . Dicha fibra se denomina fibra multimodo , a partir del análisis electromagnético (véase más abajo). En una fibra multimodo de índice escalonado, los rayos de luz se guían a lo largo del núcleo de la fibra mediante reflexión interna total. Los rayos que se encuentran con el límite entre el núcleo y el revestimiento en un ángulo (medido en relación con una línea normal al límite) mayor que el ángulo crítico para este límite, se reflejan completamente. El ángulo crítico está determinado por la diferencia en el índice de refracción entre los materiales del núcleo y del revestimiento. Los rayos que se encuentran con el límite en un ángulo bajo se refractan desde el núcleo hacia el revestimiento donde terminan. El ángulo crítico determina el ángulo de aceptación de la fibra, que a menudo se informa como apertura numérica . Una apertura numérica alta permite que la luz se propague por la fibra en rayos tanto cerca del eje como en varios ángulos, lo que permite un acoplamiento eficiente de la luz en la fibra. Sin embargo, esta alta apertura numérica aumenta la cantidad de dispersión ya que los rayos en diferentes ángulos tienen diferentes longitudes de trayectoria y, por lo tanto, toman diferentes cantidades de tiempo para atravesar la fibra.
En la fibra de índice graduado, el índice de refracción en el núcleo disminuye continuamente entre el eje y el revestimiento. Esto hace que los rayos de luz se desvíen suavemente a medida que se acercan al revestimiento, en lugar de reflejarse abruptamente desde el límite entre el núcleo y el revestimiento. Las trayectorias curvas resultantes reducen la dispersión por trayectorias múltiples porque los rayos de ángulo alto pasan más a través de la periferia de índice más bajo del núcleo, en lugar de por el centro de índice alto. El perfil de índice se elige para minimizar la diferencia en las velocidades de propagación axial de los diversos rayos en la fibra. Este perfil de índice ideal es muy cercano a una relación parabólica entre el índice y la distancia desde el eje. [ cita requerida ]
La fibra con un diámetro de núcleo menor que aproximadamente diez veces la longitud de onda de la luz que se propaga no se puede modelar utilizando óptica geométrica. En cambio, debe analizarse como una estructura de guía de ondas electromagnéticas, de acuerdo con las ecuaciones de Maxwell reducidas a la ecuación de onda electromagnética . [d] Como guía de ondas óptica, la fibra admite uno o más modos transversales confinados por los cuales la luz puede propagarse a lo largo de la fibra. La fibra que admite solo un modo se llama monomodo . [e] El análisis de la guía de ondas muestra que la energía de la luz en la fibra no está completamente confinada en el núcleo. En cambio, especialmente en las fibras monomodo, una fracción significativa de la energía en el modo ligado viaja en el revestimiento como una onda evanescente . El tipo más común de fibra monomodo tiene un diámetro de núcleo de 8 a 10 micrómetros y está diseñado para su uso en el infrarrojo cercano . La fibra multimodo, en comparación, se fabrica con diámetros de núcleo tan pequeños como 50 micrómetros y tan grandes como cientos de micrómetros.
Algunas fibras ópticas para usos especiales están construidas con un núcleo o una capa de revestimiento no cilíndrico, generalmente con una sección transversal elíptica o rectangular. Entre ellas se encuentran las fibras que mantienen la polarización y que se utilizan en sensores de fibra óptica y las fibras diseñadas para suprimir la propagación en modo galería susurrante .
La fibra de cristal fotónico está hecha con un patrón regular de variación de índice (a menudo en forma de orificios cilíndricos que recorren la longitud de la fibra). Dicha fibra utiliza efectos de difracción en lugar de, o además de, la reflexión interna total, para confinar la luz al núcleo de la fibra. Las propiedades de la fibra se pueden adaptar a una amplia variedad de aplicaciones.
La atenuación en la fibra óptica, también conocida como pérdida de transmisión, es la reducción de la intensidad de la señal luminosa a medida que viaja a través del medio de transmisión. Los coeficientes de atenuación en la fibra óptica se expresan normalmente en unidades de dB/km. El medio suele ser una fibra de vidrio de sílice [f] que confina el haz de luz incidente en su interior. La atenuación es un factor importante que limita la transmisión de una señal digital a grandes distancias. Por ello, se han realizado muchas investigaciones para limitar la atenuación y maximizar la amplificación de la señal óptica. La reducción de cuatro órdenes de magnitud en la atenuación de las fibras ópticas de sílice a lo largo de cuatro décadas fue el resultado de la mejora constante de los procesos de fabricación, la pureza de la materia prima, las preformas y los diseños de las fibras, lo que permitió que estas fibras se acercaran al límite inferior teórico de atenuación. [63]
Las fibras ópticas monomodo se pueden fabricar con pérdidas extremadamente bajas. La fibra Vascade® EX2500 de Corning, una fibra monomodo de baja pérdida para longitudes de onda de telecomunicaciones, tiene una atenuación nominal de 0,148 dB/km a 1550 nm. [64] Una longitud de 10 km de dicha fibra transmite casi el 71% de la energía óptica a 1550 nm.
La atenuación en la fibra óptica se debe principalmente a la dispersión y la absorción . En las fibras basadas en vidrios de fluoruro como ZBLAN, la atenuación mínima está limitada por la absorción de impurezas. La gran mayoría de las fibras ópticas se basan en vidrio de sílice, donde la absorción de impurezas es insignificante. En las fibras de sílice, la atenuación está determinada por mecanismos intrínsecos: dispersión de Rayleigh en los vidrios a través de los cuales se propaga la luz y absorción infrarroja en los mismos vidrios. La absorción en sílice aumenta abruptamente en longitudes de onda superiores a 1570 nm. En las longitudes de onda más útiles para las telecomunicaciones, la dispersión de Rayleigh es el mecanismo de pérdida dominante. A 1550 nm, los componentes de atenuación para una fibra con pérdida baja récord se dan de la siguiente manera: pérdida por dispersión de Rayleigh: 0,1200 dB/km, pérdida por absorción de infrarrojos: 0,0150 dB/km, pérdida por absorción de impurezas: 0,0047 dB/km, pérdida por imperfección de la guía de ondas: 0,0010 dB/km.
La propagación de la luz a través del núcleo de una fibra óptica se basa en la reflexión interna total de la onda luminosa, en términos de óptica geométrica, o en modos guiados, en términos de guía de ondas electromagnéticas. En una fibra óptica monomodo típica, aproximadamente el 75 % de la luz se propaga a través del material del núcleo, que tiene un índice de refracción más alto, y aproximadamente el 25 % de la luz se propaga a través del revestimiento, que tiene un índice de refracción más bajo. La interfaz entre el núcleo y los vidrios del revestimiento es excepcionalmente suave y no da lugar a una pérdida significativa por dispersión o una pérdida por imperfección de la guía de ondas. La pérdida por dispersión se origina principalmente a partir de la dispersión de Rayleigh en la masa de los vidrios que componen el núcleo y el revestimiento de la fibra.
La dispersión de la luz en la fibra de vidrio de calidad óptica se debe a irregularidades a nivel molecular (fluctuaciones de composición) en la estructura del vidrio. De hecho, una escuela de pensamiento emergente sostiene que el vidrio es simplemente el caso límite de un sólido policristalino. En este marco, los dominios que presentan diversos grados de orden de corto alcance se convierten en los componentes básicos de los metales, así como de los vidrios y las cerámicas. Entre estos dominios y dentro de ellos se encuentran los defectos microestructurales que proporcionan las ubicaciones más ideales para la dispersión de la luz.
La dispersión depende de la longitud de onda de la luz que se dispersa y del tamaño de los centros de dispersión. La dependencia angular de la intensidad de la luz dispersada desde una fibra óptica coincidió con la dispersión de Rayleigh, lo que indica que los centros de dispersión son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz que se propaga. Se origina a partir de las fluctuaciones de densidad impulsadas por la temperatura ficticia del vidrio y de las fluctuaciones de concentración de dopantes tanto en el núcleo como en el revestimiento. El coeficiente de dispersión de Rayleigh, R , se puede presentar como: donde R d representa la dispersión de Rayleigh en las fluctuaciones de densidad y R c representa la dispersión de Rayleigh en las fluctuaciones de concentración de dopantes. Los dopantes, como el dióxido de germanio o el flúor, se utilizan para crear la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento, para formar una estructura de guía de ondas. donde λ es la longitud de onda, n es el índice de refracción , p es el coeficiente fotoelástico, β c es la compresibilidad isotérmica, k B es la constante de Boltzmann , T f es la temperatura ficticia. La única variable físicamente significativa que afecta la dispersión en las fluctuaciones de densidad es la temperatura ficticia del vidrio, una temperatura ficticia más baja da como resultado un vidrio más homogéneo y una dispersión de Rayleigh más baja. La temperatura ficticia puede reducirse drásticamente con aproximadamente 100 ppm en peso de dopante de óxido alcalino en el núcleo de la fibra, así como con un enfriamiento más lento de la fibra durante el proceso de estirado de la fibra. Estos enfoques se utilizan para producir fibras ópticas con la menor atenuación, especialmente las de los cables de telecomunicaciones submarinos.
Para concentraciones pequeñas de dopante, R c es proporcional a x (d n /d x ) 2 , donde x es la fracción molar del dopante en el vidrio a base de SiO 2 y n es el índice de refracción del vidrio. Cuando se utiliza el dopante GeO 2 para aumentar el índice de refracción del núcleo de la fibra, aumenta el componente de fluctuación de concentración de la dispersión de Rayleigh y la atenuación de la fibra. Esta es la razón por la que las fibras de menor atenuación no utilizan GeO 2 en el núcleo y utilizan flúor en el revestimiento, para reducir el índice de refracción del revestimiento. R c en la fibra de núcleo de sílice pura es proporcional a la integral de superposición entre el modo LP01 y el componente de fluctuación de concentración inducida por flúor en el revestimiento.
En el núcleo de la fibra de sílice pura dopada con potasio (KPSC) solo las fluctuaciones de densidad desempeñan un papel significativo, ya que las concentraciones de K2O , flúor y cloro son muy bajas. Las fluctuaciones de densidad en el núcleo se moderan mediante una temperatura ficticia más baja resultante del dopaje con potasio, y se reducen aún más mediante el recocido durante el proceso de estirado de la fibra. Esto difiere del revestimiento, donde los niveles más altos de dopante de flúor y las fluctuaciones de concentración resultantes se suman a la pérdida. En dichas fibras, la luz que viaja a través del núcleo experimenta una dispersión y una atenuación menores en comparación con la luz que se propaga a través del segmento de revestimiento de la fibra.
A altas potencias ópticas, la dispersión también puede ser causada por procesos ópticos no lineales en la fibra. [65] [66]
Además de la dispersión de la luz, también puede producirse atenuación o pérdida de señal debido a la absorción selectiva de longitudes de onda específicas. Las consideraciones sobre los materiales primarios incluyen tanto a los electrones como a las moléculas, como se indica a continuación:
El diseño de cualquier dispositivo ópticamente transparente requiere la selección de materiales en función del conocimiento de sus propiedades y limitaciones. Las características de absorción de la estructura cristalina observadas en las regiones de frecuencia más baja (rango de longitud de onda del infrarrojo medio al lejano) definen el límite de transparencia de longitud de onda larga del material. Son el resultado del acoplamiento interactivo entre los movimientos de las vibraciones inducidas térmicamente de los átomos y moléculas constituyentes de la red sólida y la radiación de onda de luz incidente. Por lo tanto, todos los materiales están limitados por regiones limitantes de absorción causadas por vibraciones atómicas y moleculares (estiramiento de enlaces) en el infrarrojo lejano (>10 μm).
En otras palabras, la absorción selectiva de luz IR por un material en particular ocurre porque la frecuencia seleccionada de la onda de luz coincide con la frecuencia (o un múltiplo entero de la frecuencia, es decir, armónico ) en la que vibran las partículas de ese material. Dado que los diferentes átomos y moléculas tienen diferentes frecuencias naturales de vibración, absorberán selectivamente diferentes frecuencias (o porciones del espectro) de luz IR.
La reflexión y transmisión de las ondas de luz se produce porque las frecuencias de las ondas de luz no coinciden con las frecuencias de resonancia naturales de vibración de los objetos. Cuando la luz infrarroja de estas frecuencias incide en un objeto, la energía se refleja o se transmite.
La atenuación en un tendido de cable aumenta significativamente con la inclusión de conectores y empalmes. Al calcular la atenuación aceptable (presupuesto de pérdida) entre un transmisor y un receptor, se incluye:
Los conectores suelen introducir 0,3 dB por conector en conectores bien pulidos. Los empalmes suelen introducir menos de 0,2 dB por empalme. [ cita requerida ]
La pérdida total se puede calcular mediante:
donde la pérdida de dB por kilómetro es una función del tipo de fibra y se puede encontrar en las especificaciones del fabricante. Por ejemplo, una fibra monomodo típica de 1550 nm tiene una pérdida de 0,3 dB por kilómetro. [ cita requerida ]
El presupuesto de pérdida calculado se utiliza durante las pruebas para confirmar que la pérdida medida está dentro de los parámetros operativos normales.
Las fibras ópticas de vidrio casi siempre están hechas de sílice , pero otros materiales, como el fluorocirconato , el fluoroaluminato y los vidrios calcogenuros , así como materiales cristalinos como el zafiro , se utilizan para aplicaciones infrarrojas de longitud de onda más larga u otras aplicaciones especializadas. Los vidrios de sílice y fluoruro suelen tener índices de refracción de aproximadamente 1,5, pero algunos materiales como los calcogenuros pueden tener índices de hasta 3. Normalmente, la diferencia de índice entre el núcleo y el revestimiento es inferior al uno por ciento.
Las fibras ópticas plásticas (POF) son fibras multimodo de índice escalonado con un diámetro de núcleo de 0,5 milímetros o más. Las POF suelen tener coeficientes de atenuación más altos que las fibras de vidrio, 1 dB/m o más, y esta alta atenuación limita el alcance de los sistemas basados en POF.
La sílice muestra una transmisión óptica bastante buena en un amplio rango de longitudes de onda. En la porción cercana al infrarrojo (IR cercano) del espectro, particularmente alrededor de 1,5 μm, la sílice puede tener pérdidas de absorción y dispersión extremadamente bajas del orden de 0,2 dB/km. Estas bajas pérdidas dependen del uso de sílice ultrapura. Una alta transparencia en la región de 1,4 μm se logra manteniendo una baja concentración de grupos hidroxilo (OH). Alternativamente, una alta concentración de OH es mejor para la transmisión en la región ultravioleta (UV). [67]
La sílice se puede estirar para formar fibras a temperaturas razonablemente altas y tiene un rango de transformación vítrea bastante amplio . Otra ventaja es que el empalme por fusión y el corte de fibras de sílice es relativamente eficaz. La fibra de sílice también tiene una alta resistencia mecánica tanto contra la tracción como contra la flexión, siempre que la fibra no sea demasiado gruesa y que las superficies hayan sido bien preparadas durante el procesamiento. Incluso el corte simple de los extremos de la fibra puede proporcionar superficies agradablemente planas con una calidad óptica aceptable. La sílice también es relativamente inerte químicamente . En particular, no es higroscópica (no absorbe agua).
El vidrio de sílice se puede dopar con diversos materiales. Uno de los objetivos del dopaje es aumentar el índice de refracción (p. ej., con dióxido de germanio (GeO 2 ) u óxido de aluminio (Al 2 O 3 )) o reducirlo (p. ej., con flúor o trióxido de boro (B 2 O 3 )). El dopaje también es posible con iones activos por láser (por ejemplo, fibras dopadas con tierras raras) para obtener fibras activas que se utilizarán, por ejemplo, en amplificadores de fibra o aplicaciones láser . Normalmente, tanto el núcleo de la fibra como el revestimiento se dopan, de modo que todo el conjunto (núcleo y revestimiento) es efectivamente el mismo compuesto (p. ej., un vidrio de aluminosilicato , germanosilicato, fosfosilicato o borosilicato ).
En el caso de las fibras activas, el sílice puro no suele ser un vidrio de alojamiento muy adecuado, ya que presenta una baja solubilidad para los iones de tierras raras. Esto puede provocar efectos de extinción debido a la agrupación de iones dopantes. Los aluminosilicatos son mucho más eficaces en este sentido.
La fibra de sílice también presenta un umbral alto de daño óptico. Esta propiedad garantiza una baja tendencia a la rotura inducida por láser. Esto es importante para los amplificadores de fibra cuando se utilizan para la amplificación de pulsos cortos.
Debido a estas propiedades, las fibras de sílice son el material de elección en muchas aplicaciones ópticas, como las comunicaciones (excepto para distancias muy cortas con fibra óptica de plástico), los láseres de fibra, los amplificadores de fibra y los sensores de fibra óptica. Los grandes esfuerzos realizados en el desarrollo de varios tipos de fibras de sílice han aumentado aún más el rendimiento de dichas fibras en comparación con otros materiales. [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75]
El vidrio de fluoruro es una clase de vidrios de calidad óptica sin óxido compuestos de fluoruros de varios metales . Debido a la baja viscosidad de estos vidrios, es muy difícil evitar por completo la cristalización mientras se procesa a través de la transición vítrea (o se extrae la fibra de la masa fundida). Por lo tanto, aunque los vidrios de fluoruro de metales pesados (HMFG) muestran una atenuación óptica muy baja, no solo son difíciles de fabricar, sino que son bastante frágiles y tienen poca resistencia a la humedad y otros ataques ambientales. Su mejor atributo es que carecen de la banda de absorción asociada con el grupo hidroxilo (OH) (3200–3600 cm −1 ; es decir, 2777–3125 nm o 2,78–3,13 μm), que está presente en casi todos los vidrios a base de óxido. Estas bajas pérdidas nunca se lograron en la práctica, y la fragilidad y el alto costo de las fibras de fluoruro las hicieron menos que ideales como candidatos primarios.
Las fibras de fluoruro se utilizan en espectroscopia de infrarrojos medios , sensores de fibra óptica , termometría y obtención de imágenes . Las fibras de fluoruro se pueden utilizar para la transmisión de ondas de luz guiadas en medios como láseres YAG ( granate de itrio y aluminio ) a 2,9 μm, según se requiera para aplicaciones médicas (por ejemplo, oftalmología y odontología ). [76] [77]
Un ejemplo de vidrio de fluoruro de metal pesado es el grupo de vidrios ZBLAN , compuesto por fluoruros de circonio , bario , lantano , aluminio y sodio . Su principal aplicación tecnológica es como guías de ondas ópticas tanto en forma plana como de fibra. Son ventajosos especialmente en el rango del infrarrojo medio (2000–5000 nm).
El vidrio fosfatado es una clase de vidrios ópticos compuestos de metafosfatos de varios metales. En lugar de los tetraedros de SiO 4 observados en los vidrios de silicato, el componente básico de este vidrio es el pentóxido de fósforo (P 2 O 5 ), que cristaliza en al menos cuatro formas diferentes. El polimorfo más conocido es la estructura en forma de jaula de P 4 O 10 .
Los vidrios de fosfato pueden ser más ventajosos que los vidrios de sílice para fibras ópticas con una alta concentración de iones de tierras raras dopantes. Una mezcla de vidrio de fluoruro y vidrio de fosfato es el vidrio de fluorofosfato. [78] [79]
Los calcógenos —los elementos del grupo 16 de la tabla periódica— , en particular el azufre (S), el selenio (Se) y el telurio (Te), reaccionan con elementos más electropositivos , como la plata , para formar calcogenuros . Estos son compuestos extremadamente versátiles, ya que pueden ser cristalinos o amorfos, metálicos o semiconductores y conductores de iones o electrones . El vidrio de calcogenuro se puede utilizar para fabricar fibras para la transmisión de infrarrojos lejanos. [80]
Las fibras ópticas estándar se fabrican construyendo primero una preforma de gran diámetro con un perfil de índice de refracción cuidadosamente controlado y luego tirando de la preforma para formar la fibra óptica larga y delgada. La preforma se fabrica comúnmente mediante tres métodos de deposición química de vapor : deposición de vapor interna , deposición de vapor externa y deposición axial de vapor . [81]
En la deposición de vapor en el interior , la preforma comienza como un tubo de vidrio hueco de aproximadamente 40 centímetros (16 pulgadas) de largo, que se coloca horizontalmente y se hace girar lentamente en un torno . Se inyectan gases como tetracloruro de silicio (SiCl 4 ) o tetracloruro de germanio (GeCl 4 ) con oxígeno en el extremo del tubo. Luego, los gases se calientan mediante un quemador de hidrógeno externo, lo que lleva la temperatura del gas hasta 1900 K (1600 °C, 3000 °F), donde los tetracloruros reaccionan con el oxígeno para producir partículas de sílice o dióxido de germanio . Cuando las condiciones de reacción se eligen para permitir que esta reacción ocurra en la fase gaseosa en todo el volumen del tubo, en contraste con las técnicas anteriores en las que la reacción ocurría solo en la superficie del vidrio, esta técnica se llama deposición química de vapor modificada .
Las partículas de óxido se aglomeran para formar grandes cadenas de partículas que posteriormente se depositan en las paredes del tubo en forma de hollín. La deposición se debe a la gran diferencia de temperatura entre el núcleo de gas y la pared, lo que hace que el gas empuje las partículas hacia afuera en un proceso conocido como termoforesis . A continuación, se hace pasar la antorcha de arriba a abajo por todo el tubo para depositar el material de manera uniforme. Una vez que la antorcha ha llegado al final del tubo, se la lleva de nuevo al principio del tubo y las partículas depositadas se funden para formar una capa sólida. Este proceso se repite hasta que se haya depositado una cantidad suficiente de material. Para cada capa, la composición se puede modificar variando la composición del gas, lo que da como resultado un control preciso de las propiedades ópticas de la fibra terminada.
En la deposición de vapor externa o deposición axial de vapor, el vidrio se forma por hidrólisis de llama , una reacción en la que el tetracloruro de silicio y el tetracloruro de germanio se oxidan por reacción con agua en una llama de oxihidrógeno . En la deposición de vapor externa, el vidrio se deposita sobre una varilla sólida, que se retira antes de su posterior procesamiento. En la deposición axial de vapor, se utiliza una varilla de siembra corta y se construye una preforma porosa, cuya longitud no está limitada por el tamaño de la varilla de origen, en su extremo. La preforma porosa se consolida en una preforma sólida transparente calentándola a aproximadamente 1800 K (1500 °C, 2800 °F).
La fibra de comunicaciones típica utiliza una preforma circular. Para algunas aplicaciones, como las fibras de doble revestimiento , se prefiere otra forma. [82] En los láseres de fibra basados en fibra de doble revestimiento, una forma asimétrica mejora el factor de llenado para el bombeo láser .
Debido a la tensión superficial, la forma se suaviza durante el proceso de estirado y la forma de la fibra resultante no reproduce los bordes afilados de la preforma. Sin embargo, es importante pulir cuidadosamente la preforma, ya que cualquier defecto en la superficie de la preforma afecta las propiedades ópticas y mecánicas de la fibra resultante.
La preforma, independientemente de su construcción, se coloca en un dispositivo conocido como torre de estirado , donde se calienta la punta de la preforma y se tira de la fibra óptica como si fuera una cuerda. La tensión de la fibra se puede controlar para mantener el grosor de fibra deseado.
La luz se dirige a través del núcleo de la fibra mediante un revestimiento óptico con un índice de refracción más bajo que atrapa la luz en el núcleo mediante una reflexión interna total. En algunos tipos de fibra, el revestimiento está hecho de vidrio y se extrae junto con el núcleo a partir de una preforma con un índice de refracción que varía radialmente. En otros tipos de fibra, el revestimiento está hecho de plástico y se aplica como un revestimiento (ver a continuación).
El revestimiento está recubierto por un amortiguador (que no debe confundirse con un tubo amortiguador real) que lo protege de la humedad y el daño físico. [69] Estos recubrimientos son materiales compuestos de acrilato de uretano o poliimida curados con rayos UV que se aplican al exterior de la fibra durante el proceso de estirado. Los recubrimientos protegen las hebras muy delicadas de fibra de vidrio (aproximadamente del tamaño de un cabello humano) y le permiten sobrevivir a los rigores de la fabricación, las pruebas de funcionamiento, el cableado y la instalación. El recubrimiento amortiguador debe retirarse de la fibra para la terminación o el empalme.
Los procesos actuales de estirado de fibra óptica de vidrio emplean un enfoque de recubrimiento de doble capa. Un recubrimiento primario interno está diseñado para actuar como un amortiguador para minimizar la atenuación causada por la microcurvatura . Un recubrimiento secundario externo protege el recubrimiento primario contra daños mecánicos y actúa como una barrera para las fuerzas laterales, y puede colorearse para diferenciar los hilos en las construcciones de cables agrupados. Estas capas de recubrimiento de fibra óptica se aplican durante el estirado de la fibra, a velocidades cercanas a los 100 kilómetros por hora (60 mph). Los recubrimientos de fibra óptica se aplican utilizando uno de dos métodos: húmedo sobre seco y húmedo sobre húmedo . En húmedo sobre seco, la fibra pasa a través de una aplicación de recubrimiento primario, que luego se cura con rayos UV, luego a través de la aplicación de recubrimiento secundario, que posteriormente se cura. En húmedo sobre húmedo, la fibra pasa a través de las aplicaciones de recubrimiento primario y secundario, luego pasa al curado con rayos UV. [ cita requerida ]
El espesor del recubrimiento se tiene en cuenta al calcular la tensión que experimenta la fibra bajo diferentes configuraciones de curvatura. [83] Cuando una fibra recubierta se envuelve alrededor de un mandril, la tensión que experimenta la fibra viene dada por [83] : 45 donde E es el módulo de Young de la fibra , d m es el diámetro del mandril, d f es el diámetro del revestimiento y d c es el diámetro del recubrimiento.
En una configuración de flexión de dos puntos, una fibra recubierta se dobla en forma de U y se coloca entre las ranuras de dos placas frontales, que se juntan hasta que la fibra se rompe. La tensión en la fibra en esta configuración está dada por [83] : 47 donde d es la distancia entre las placas frontales. El coeficiente 1,198 es una constante geométrica asociada con esta configuración.
Los revestimientos de fibra óptica protegen las fibras de vidrio de los arañazos que podrían provocar una degradación de la resistencia. La combinación de humedad y arañazos acelera el envejecimiento y el deterioro de la resistencia de la fibra. Cuando la fibra se somete a tensiones bajas durante un período prolongado, puede producirse fatiga de la fibra. Con el tiempo o en condiciones extremas, estos factores se combinan para provocar la propagación de defectos microscópicos en la fibra de vidrio, lo que en última instancia puede provocar una falla de la fibra.
Las condiciones ambientales pueden afectar tres características clave de las guías de ondas de fibra óptica: resistencia, atenuación y resistencia a las pérdidas causadas por microcurvas. Las cubiertas externas de los cables de fibra óptica y los tubos de protección protegen la fibra óptica de vidrio de las condiciones ambientales que pueden afectar el rendimiento de la fibra y su durabilidad a largo plazo. En el interior, los revestimientos garantizan la confiabilidad de la señal transportada y ayudan a minimizar la atenuación debido a las microcurvas.
En las fibras prácticas, el revestimiento suele estar recubierto con una resina resistente y presenta una capa amortiguadora adicional , que puede estar rodeada por una capa de revestimiento , generalmente de plástico. Estas capas añaden resistencia a la fibra pero no afectan a sus propiedades ópticas. Los conjuntos de fibras rígidas a veces colocan vidrio absorbente de luz entre las fibras, para evitar que la luz que se filtra de una fibra entre en otra. Esto reduce la diafonía entre las fibras o reduce el destello en aplicaciones de imágenes de haces de fibras. [84] [85] Los cables multifibra suelen utilizar amortiguadores de colores para identificar cada hebra.
Los cables modernos vienen en una amplia variedad de revestimientos y armaduras, diseñados para aplicaciones tales como entierro directo en zanjas, aislamiento de alto voltaje, uso dual como líneas eléctricas, [86] [ verificación fallida ] instalación en conductos, amarre a postes telefónicos aéreos, instalación submarina e inserción en calles pavimentadas.
Algunas versiones de cables de fibra óptica están reforzadas con hilos de aramida o hilos de vidrio como elemento de resistencia intermedio. En términos comerciales, el uso de los hilos de vidrio es más rentable y no pierde durabilidad mecánica. Los hilos de vidrio también protegen el núcleo del cable contra roedores y termitas.
Los cables de fibra pueden ser muy flexibles, pero la pérdida de la fibra tradicional aumenta considerablemente si la fibra se dobla con un radio menor a unos 30 mm. Esto crea un problema cuando el cable se dobla en las esquinas. Las fibras flexibles , destinadas a una instalación más sencilla en entornos domésticos, se han estandarizado como ITU-T G.657 . Este tipo de fibra se puede doblar con un radio tan bajo como 7,5 mm sin impacto adverso. Se han desarrollado incluso más fibras flexibles. [87] La fibra flexible también puede ser resistente al hackeo de la fibra, en el que la señal en una fibra se monitorea subrepticiamente doblando la fibra y detectando la fuga. [88]
Otra característica importante del cable es su capacidad para soportar tensión, lo que determina cuánta fuerza se puede aplicar al cable durante la instalación.
Las fibras ópticas se conectan a los equipos terminales mediante conectores de fibra óptica . Estos conectores suelen ser de un tipo estándar, como FC , SC , ST , LC , MTRJ , MPO o SMA . Las fibras ópticas se pueden conectar mediante conectores, normalmente en un panel de conexión , o de forma permanente mediante empalme , es decir, uniendo dos fibras para formar una guía de ondas óptica continua. El método de empalme generalmente aceptado es el empalme por fusión , que funde los extremos de la fibra para unirlos. Para trabajos de fijación más rápidos, se utiliza un empalme mecánico . Todas las técnicas de empalme implican la instalación de una carcasa que protege el empalme.
El empalme por fusión se realiza con un instrumento especializado. Primero se quitan los extremos de la fibra de su revestimiento de polímero protector (así como la cubierta exterior más resistente, si está presente). Los extremos se cortan con una cuchilla de precisión para hacerlos perpendiculares y se colocan en soportes especiales en la empalmadora por fusión. El empalme generalmente se inspecciona a través de una pantalla de visualización ampliada para verificar los cortes antes y la fusión después del empalme. La empalmadora utiliza pequeños motores para alinear las caras de los extremos y emite una pequeña chispa entre los electrodos en el espacio para quemar el polvo y la humedad. Luego, la empalmadora genera una chispa más grande que eleva la temperatura por encima del punto de fusión del vidrio, fusionando los extremos de forma permanente. La ubicación y la energía de la chispa se controlan cuidadosamente para que el núcleo fundido y el revestimiento no se mezclen, y esto minimiza la pérdida óptica. La empalmadora mide una estimación de la pérdida de empalme dirigiendo la luz a través del revestimiento en un lado y midiendo la luz que se filtra del revestimiento en el otro lado. Una pérdida de empalme inferior a 0,1 dB es habitual. La complejidad de este proceso hace que el empalme de fibra sea mucho más difícil que el de cables de cobre.
Los empalmes mecánicos de fibra están diseñados para ser más rápidos y fáciles de instalar, pero aún es necesario pelarlos, limpiarlos con cuidado y cortarlos con precisión. Los extremos de la fibra se alinean y se mantienen unidos mediante una manga de precisión, que a menudo utiliza un gel transparente que combina índices y mejora la transmisión de luz a través de la unión. Los empalmes mecánicos suelen tener una mayor pérdida óptica y son menos robustos que los empalmes por fusión, especialmente si se utiliza el gel.
Las fibras se terminan en conectores que sujetan el extremo de la fibra de forma precisa y segura. Un conector de fibra óptica es un cilindro rígido rodeado por un manguito que sujeta el cilindro en su zócalo de acoplamiento. El mecanismo de acoplamiento puede ser de presionar y hacer clic , girar y enganchar ( montaje de bayoneta ) o atornillar ( roscado ). El cilindro suele moverse libremente dentro del manguito y puede tener una llave que evita que el cilindro y la fibra giren mientras se acoplan los conectores.
Un conector típico se instala preparando el extremo de la fibra e insertándolo en la parte trasera del cuerpo del conector. Normalmente se utiliza un adhesivo de fraguado rápido para sujetar la fibra de forma segura y se fija un protector contra tirones en la parte trasera. Una vez que el adhesivo se fija, se pule el extremo de la fibra. Se utilizan varios perfiles de pulido, según el tipo de fibra y la aplicación. La pérdida de intensidad de la señal resultante se denomina pérdida por separación . En el caso de la fibra monomodo, los extremos de la fibra suelen pulirse con una ligera curvatura que hace que los conectores acoplados se toquen solo en sus núcleos. Esto se denomina pulido de contacto físico (PC). La superficie curva se puede pulir en ángulo para realizar una conexión de contacto físico en ángulo (APC) . Estas conexiones tienen una pérdida mayor que las conexiones PC, pero una reflexión posterior muy reducida porque la luz que se refleja en la superficie en ángulo se filtra fuera del núcleo de la fibra. Los extremos de la fibra APC tienen una reflexión posterior baja incluso cuando están desconectados.
En la década de 1990, la cantidad de piezas por conector, el pulido de las fibras y la necesidad de hornear el epoxi en cada conector dificultaron la terminación de los cables de fibra óptica. Hoy en día, los tipos de conectores que se encuentran en el mercado ofrecen formas más sencillas y que requieren menos mano de obra para terminar los cables. Algunos de los conectores más populares se pulen previamente en la fábrica e incluyen un gel en el interior del conector. Se realiza una hendidura a la longitud requerida, para llegar lo más cerca posible de la pieza pulida que ya está dentro del conector. El gel rodea el punto donde se unen las dos piezas dentro del conector para una pérdida de luz muy pequeña. [89] Para las instalaciones más exigentes, los pigtails prepulidos de fábrica de longitud suficiente para llegar a la primera caja de empalme por fusión aseguran un buen rendimiento y minimizan la mano de obra en el sitio.
A menudo es necesario alinear una fibra óptica con otra fibra óptica o con un dispositivo optoelectrónico como un diodo emisor de luz , un diodo láser o un modulador . Esto puede implicar alinear cuidadosamente la fibra y colocarla en contacto con el dispositivo, o puede utilizar una lente para permitir el acoplamiento sobre un espacio de aire. Normalmente, el tamaño del modo de fibra es mucho mayor que el tamaño del modo en un diodo láser o un chip óptico de silicio . En este caso, se utiliza una fibra cónica o con lente para hacer coincidir la distribución del campo del modo de fibra con la del otro elemento. La lente en el extremo de la fibra se puede formar utilizando pulido, corte por láser [90] o empalme por fusión.
En un entorno de laboratorio, un extremo de fibra desnuda se acopla mediante un sistema de lanzamiento de fibra, que utiliza una lente de objetivo de microscopio para enfocar la luz hasta un punto fino. Se utiliza una plataforma de traslación de precisión (mesa de microposicionamiento) para mover la lente, la fibra o el dispositivo para permitir que se optimice la eficiencia de acoplamiento. Las fibras con un conector en el extremo hacen que este proceso sea mucho más simple: el conector simplemente se conecta a un colimador de fibra óptica prealineado, que contiene una lente que está colocada con precisión en la fibra o es ajustable. Para lograr la mejor eficiencia de inyección en una fibra monomodo, se deben optimizar la dirección, la posición, el tamaño y la divergencia del haz. Con una buena optimización, se puede lograr una eficiencia de acoplamiento del 70 al 90%.
Con fibras monomodo correctamente pulidas, el haz emitido tiene una forma gaussiana casi perfecta, incluso en el campo lejano, si se utiliza una buena lente. La lente debe ser lo suficientemente grande como para soportar la apertura numérica completa de la fibra y no debe introducir aberraciones en el haz. Normalmente se utilizan lentes asféricas .
En el caso de intensidades ópticas elevadas, superiores a 2 megavatios por centímetro cuadrado, cuando una fibra se ve sometida a un impacto o sufre algún otro daño repentino, puede producirse una fusión de la fibra . La reflexión del daño vaporiza la fibra inmediatamente antes de la rotura, y este nuevo defecto sigue siendo reflectante, de modo que el daño se propaga de nuevo hacia el transmisor a una velocidad de 1 a 3 metros por segundo (4 a 11 km/h, 2 a 8 mph). [91] [92] El sistema de control de fibra abierta , que garantiza la seguridad ocular del láser en caso de rotura de una fibra, también puede detener eficazmente la propagación de la fusión de la fibra. [93] En situaciones, como los cables submarinos, en los que se pueden utilizar niveles de potencia elevados sin necesidad de un control de fibra abierta, un dispositivo de protección de "fusible de fibra" en el transmisor puede interrumpir el circuito para mantener el daño al mínimo.
El índice de refracción de las fibras varía ligeramente con la frecuencia de la luz, y las fuentes de luz no son perfectamente monocromáticas. La modulación de la fuente de luz para transmitir una señal también amplía ligeramente la banda de frecuencia de la luz transmitida. Esto tiene el efecto de que, en largas distancias y a altas velocidades de modulación, las diferentes frecuencias de luz pueden tardar tiempos diferentes en llegar al receptor, lo que en última instancia hace que la señal sea imposible de discernir y requiere repetidores adicionales. [94] Este problema se puede superar de varias maneras, incluido el uso de una longitud de fibra relativamente corta que tenga el gradiente de índice de refracción opuesto.
