Una fibra óptica , o fibra óptica , es una fibra flexible de vidrio o plástico que puede transmitir luz [a] de un extremo al otro. Estas fibras encuentran un amplio uso en las comunicaciones de fibra óptica , donde permiten la transmisión a distancias más largas y con anchos de banda (velocidad de transferencia de datos) más altos 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 e imágenes y, a menudo, se envuelven en haces para que puedan usarse para transportar luz hacia espacios confinados o sacar imágenes de ellos, 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 estirado , mientras que las fibras de plástico se pueden fabricar mediante estirado o extrusión . [4] [5] Las fibras ópticas normalmente incluyen un núcleo rodeado por un material de revestimiento transparente con un índice de refracción más bajo . La luz se mantiene en el núcleo mediante el fenómeno de reflexión interna total que hace que la fibra actúe como guía de ondas . [6] Las fibras que soportan muchas rutas de propagación o modos transversales se denominan fibras multimodo , mientras que las que soportan 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 donde se debe transmitir alta potencia. [9] Las fibras monomodo se utilizan para la mayoría de los enlaces de comunicación de más de 1.050 metros (3.440 pies). [10]
Poder unir fibras ópticas con bajas pérdidas es importante en la comunicación por fibra óptica. [11] Esto es más complejo que unir alambres o cables eléctricos e implica una cuidadosa división 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 el empalme mecánico , donde los extremos de las fibras se mantienen en contacto mediante una fuerza mecánica. Las conexiones temporales o semipermanentes se realizan mediante conectores de fibra óptica especializados . [12]
Se conoce como fibra óptica al campo de las ciencias aplicadas y la ingeniería que se ocupa del diseño y aplicación de fibras ópticas . El término fue acuñado por el físico indio-estadounidense Narinder Singh Kapany . [13]
,1884.JPG/1280px-DanielColladon's_Lightfountain_or_Lightpipe,LaNature(magazine),1884.JPG)
Daniel Colladon y Jacques Babinet demostraron por primera vez en París a principios de la década de 1840 el guiado de la luz por refracción, el principio que hace posible la fibra óptica . [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 desde la perpendicular... Si el ángulo que el rayo en el agua forma con la perpendicular a Si la superficie tiene más 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 pedernal es de 38°41′, mientras que para un diamante es de 23°42′.
A finales del siglo XIX, un equipo de médicos vieneses guiaba la luz a través de varillas de vidrio dobladas para iluminar las cavidades del cuerpo. [18] A principios del siglo XX siguieron aplicaciones prácticas como la iluminación interna cercana durante la 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 desnudas y lo utilizó para exámenes médicos internos, pero su trabajo quedó 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] Ese mismo año, Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany del Imperial College de Londres lograron fabricar 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 proceso de desarrollo Con el 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 una amplia audiencia. 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 Telefunken en Ulm en 1965, seguido de 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 fueron enviadas a la luna. En aquel momento, el uso de las cámaras se consideraba confidencial y los empleados que manipulaban las cámaras debían 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 podría reducirse por debajo de los 20 decibeles por kilómetro (dB/km), convirtiendo a las fibras en un medio de comunicación práctico, en 1965. [26] Propusieron que la atenuación de las fibras disponibles en ese momento era causada por impurezas que podían eliminarse, en lugar de por efectos físicos fundamentales como la dispersión. Teorizaron correcta y sistemáticamente las propiedades de pérdida de luz de la fibra óptica y señalaron el material adecuado a utilizar para 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 que trabajaban para American fabricante de vidrio 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 sólo 4 dB/km utilizando dióxido de germanio como dopante central. En 1981, General Electric produjo lingotes de cuarzo fundido que podían estirarse en hebras de 40 km (25 millas) de largo. [29]
Inicialmente, las fibras ópticas de alta calidad sólo podían fabricarse a 2 metros por segundo. El ingeniero químico Thomas Mensah se unió a Corning en 1983 y aumentó la velocidad de fabricación a más de 50 metros por segundo, haciendo que los cables de fibra óptica sean más baratos que los tradicionales de cobre. [30] [ fuente autoeditada ] 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. [31] [32] CSELT también desarrolló una técnica temprana para empalmar fibras ópticas, llamada Springroove. [33]
La atenuación en los cables ópticos modernos es mucho menor que en los cables eléctricos de cobre, lo que da lugar a conexiones de fibra de larga distancia con distancias de repetidor de 70 a 150 kilómetros (43 a 93 millas). Dos equipos, liderados por David N. Payne de la Universidad de Southampton y Emmanuel Desurvire de 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. [34] [35] [36]
El campo emergente de los cristales fotónicos condujo al desarrollo en 1991 de la fibra de cristal fotónico , [37] que guía la luz por difracción de una estructura periódica, en lugar de por reflexión interna total. Las primeras fibras de cristal fotónico estuvieron disponibles comercialmente en 2000. [38] Las fibras de cristal fotónico pueden transportar mayor potencia que las fibras convencionales y sus propiedades dependientes de la longitud de onda pueden manipularse para mejorar el rendimiento. Estas fibras pueden tener núcleos huecos. [39]
La fibra óptica se utiliza como medio para telecomunicaciones y redes de computadoras porque es flexible y puede agruparse como cables. Es especialmente ventajoso 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 son típicos en los sistemas implementados. [40] [41]
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 directa (FEC), multiplicada por el número de canales (generalmente hasta 80 en sistemas comerciales densos WDM 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 estándar de categoría 5 , 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 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, se utiliza fibra 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 cantidades 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 sólo se requiere una fuente y un detector simples. Una característica particularmente útil de dichos sensores de fibra óptica es que, si es necesario, pueden proporcionar detección distribuida en 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. [50] Estos pueden implementarse 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 mediante una aguja hipodérmica.
Los sensores de fibra óptica extrínsecos utilizan un cable de fibra óptica , normalmente multimodo, para transmitir luz modulada desde un sensor sin fibra óptica o un sensor electrónico conectado a un transmisor óptico. Un beneficio importante de los sensores extrínsecos es su capacidad para llegar a lugares que de otro modo serían inaccesibles. Un ejemplo es la medición de la temperatura dentro de los motores a reacción mediante el uso de una fibra para transmitir radiación a un pirómetro fuera del motor. Los sensores extrínsecos se pueden utilizar de la misma manera para medir la temperatura interna de transformadores eléctricos , donde los campos electromagnéticos extremos presentes imposibilitan 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 aprovecha el efecto Sagnac para detectar la rotación mecánica.
Los usos comunes de los sensores de fibra óptica incluyen sistemas avanzados de seguridad de detección de intrusos . La luz se transmite a lo largo de un cable sensor de fibra óptica colocado en una cerca, tubería o cableado de comunicación, y la señal devuelta se monitorea y analiza en busca de 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 . [51]
La fibra óptica se puede utilizar para transmitir energía mediante una célula fotovoltaica para convertir la luz en electricidad. [52] Si bien este método de transmisión de energía no es tan eficiente como los convencionales, es especialmente útil en situaciones donde es deseable no tener un conductor metálico como en el caso del uso cerca de máquinas de resonancia magnética, que producen fuertes campos magnéticos. [53] Otros ejemplos son la alimentación de componentes electrónicos 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 dirigir una luz brillante sobre un objetivo sin una línea de visión clara. Muchos microscopios utilizan fuentes de luz de fibra óptica para proporcionar una iluminación intensa de las muestras que se estudian.
La fibra óptica también se utiliza en 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 usa para ver objetos a través de un pequeño orificio. Los endoscopios médicos se utilizan para procedimientos quirúrgicos o exploratorios 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 (ver 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 LiTraCon , que transmite la luz .
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 medir la atenuación analógica.
En espectroscopia , haces de fibras ópticas transmiten luz desde un espectrómetro a una sustancia que no se puede colocar dentro del propio espectrómetro, para poder analizar su composición. Un espectrómetro analiza sustancias haciendo rebotar la luz a través de ellas. Mediante el uso de fibras, se puede utilizar un espectrómetro para estudiar objetos de forma remota. [54] [55] [56]
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 . Se pueden utilizar fibras ópticas dopadas con tierras raras para proporcionar amplificación de señal empalmando una sección corta de fibra dopada en una línea de fibra óptica normal (no dopada). La fibra dopada se bombea ópticamente con una segunda longitud de onda láser que, además de la onda de señal, se acopla a la línea. Ambas longitudes de onda de luz se transmiten a través de la fibra dopada, que transfiere energía desde la segunda longitud de onda de la bomba a la onda de señal. El proceso que provoca la amplificación es la emisión estimulada .
La fibra óptica también se explota ampliamente como medio no lineal. El medio de vidrio admite una serie 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. [57] 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 dotadas con un desplazador de longitud de onda recogen la luz centelleante en experimentos de física .
Las miras de fibra óptica para pistolas, rifles y escopetas utilizan piezas 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 mediante el proceso de reflexión interna total. La fibra consta de un núcleo rodeado por una capa de revestimiento , ambos hechos de materiales dieléctricos . [58] 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 fibra de índice escalonado , o gradual, en fibra de índice gradual . La luz se puede alimentar a través de fibras ópticas mediante láseres o LED .
La fibra es inmune a las interferencias eléctricas; no hay interferencias entre señales en diferentes cables ni captación de ruido ambiental. La información que viaja dentro de la fibra óptica es incluso inmune a los pulsos electromagnéticos generados por dispositivos nucleares. [b] [ cita necesaria ]
Los cables de fibra 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 sufrir rayos . El aislamiento eléctrico también evita problemas con los bucles de tierra . Debido a que no hay electricidad en los cables ópticos que puedan generar chispas, se pueden usar en ambientes donde hay vapores explosivos presentes. Las escuchas telefónicas (en este caso, escuchas de fibra ) son más difíciles en comparación con las conexiones eléctricas.
Los cables de fibra no son objeto de robo de metales . Por el contrario, los sistemas de cables de cobre utilizan grandes cantidades de cobre y han sido el objetivo desde el auge de las materias primas de la década de 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 dopada con un índice de alrededor de 1,4475. [58] Cuanto mayor es el índice de refracción, más lentamente viaja la luz en ese medio. A partir de esta información, una regla general sencilla es que una señal que utilice fibra óptica para comunicarse viajará a unos 200.000 kilómetros por segundo. Así, una llamada telefónica realizada por fibra entre Sydney y Nueva York, una distancia de 16.000 kilómetros, significa que hay un retraso mínimo de 80 milisegundos (alrededor de un segundo) entre el momento en que una persona habla y la otra escucha. [C]
Cuando la luz que viaja en un medio ópticamente denso choca contra un límite en un ángulo pronunciado (mayor que el ángulo crítico para el límite), la luz se refleja por completo. Esto se llama reflexión interna total . Este efecto se utiliza en fibras ópticas para confinar la luz en el núcleo. La mayoría de las fibras ópticas modernas tienen una guía débil , lo que significa que la diferencia en el índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento es muy pequeña (normalmente menos del 1%). [59] La luz viaja a través del núcleo de la fibra, rebotando hacia adelante y hacia atrás en el límite entre el núcleo y el revestimiento.
Debido a que la luz debe incidir en el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico, sólo la luz que ingresa a la fibra dentro de un cierto rango de ángulos puede viajar a lo largo de 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 entrar en la fibra para que se propague o viaje en el núcleo de la fibra. El seno de este ángulo máximo es la apertura numérica (NA) de la fibra. La fibra con una NA más grande requiere menos precisión para empalmar y trabajar que la fibra con una NA más pequeña. El tamaño de este cono de aceptación es 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 , según el análisis electromagnético (ver más abajo). En una fibra multimodo de índice escalonado, los rayos de luz son guiados a lo largo del núcleo de la fibra mediante una reflexión interna total. Los rayos que se encuentran con el límite del núcleo y el revestimiento en un ángulo (medido con respecto a 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 llegan al 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, a menudo informado como apertura numérica . Una alta apertura numérica 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, tardan diferentes cantidades de tiempo en 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 doblen 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 de trayectorias múltiples porque los rayos de ángulo alto pasan más a través de la periferia de índice más bajo del núcleo, en lugar del centro de índice alto. El perfil de índice se elige para minimizar la diferencia en las velocidades de propagación axial de los distintos rayos en la fibra. Este perfil de índice ideal está muy cerca de una relación parabólica entre el índice y la distancia desde el eje. [ cita necesaria ]
La fibra con un diámetro central inferior a 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 ondas electromagnéticas . [d] Como guía de ondas óptica, la fibra admite uno o más modos transversales confinados mediante los cuales la luz puede propagarse a lo largo de la fibra. La fibra que admite un solo modo se denomina monomodo . [e] El análisis de la guía de ondas muestra que la energía luminosa 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 usarse en el infrarrojo cercano . En comparación, la fibra multimodo se fabrica con diámetros de núcleo tan pequeños como 50 micrómetros y tan grandes como cientos de micrómetros.
Algunas fibras ópticas para fines especiales se construyen con un núcleo o capa de revestimiento no cilíndrico, generalmente con una sección transversal elíptica o rectangular. Estos incluyen fibra que mantiene la polarización utilizada en sensores de fibra óptica y fibra diseñada para suprimir la propagación en modo galería susurrante .
La fibra de cristal fotónico se fabrica con un patrón regular de variación del índice (a menudo en forma de orificios cilíndricos que se extienden a lo largo de la fibra). Dicha fibra utiliza efectos de difracción en lugar 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 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 fibra óptica suelen expresarse 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 lo tanto, 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 durante 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 fibras, lo que permitió que estas fibras se acercaran al límite inferior teórico de atenuación. [60]
Se pueden fabricar fibras ópticas monomodo 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. [61] Una longitud de 10 km de dicha fibra transmite casi el 71% de la energía óptica a 1550 nm. Se ha observado que si el agua del océano fuera tan clara como la fibra, se podría ver hasta el fondo incluso de la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico, a una profundidad de 11.000 metros (36.000 pies). [62]
La investigación empírica ha demostrado que la atenuación en la fibra óptica se debe principalmente tanto a la dispersión como a la absorción .
La propagación de la luz a través del núcleo de una fibra óptica se basa en la reflexión interna total de la onda luminosa. Las superficies rugosas e irregulares, incluso a nivel molecular, pueden provocar que los rayos de luz se reflejen en direcciones aleatorias. Esto se llama reflexión difusa o dispersión y normalmente se caracteriza por una amplia variedad de ángulos de reflexión.
La dispersión depende de la longitud de onda de la luz que se dispersa. Por tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad, dependiendo de la frecuencia de la onda de luz incidente y de la dimensión física (o escala espacial) del centro de dispersión, que normalmente tiene la forma de alguna característica microestructural específica. Dado que la luz visible tiene una longitud de onda del orden de un micrómetro (una millonésima de metro), los centros de dispersión tendrán dimensiones en una escala espacial similar.
Por tanto, la atenuación resulta de la dispersión incoherente de la luz en las superficies e interfaces internas . En materiales (poli)cristalinos como metales y cerámicas, además de los poros, la mayoría de las superficies o interfaces internas tienen la forma de límites de grano que separan pequeñas regiones de orden cristalino. Se ha demostrado que cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce por debajo del tamaño de la longitud de onda de la luz que se dispersa, la dispersión ya no se produce en un grado significativo. [ cita requerida ] Este fenómeno ha dado lugar a la producción de materiales cerámicos transparentes .
De manera similar, la dispersión de la luz en la fibra de vidrio de calidad óptica es causada por irregularidades a nivel molecular (fluctuaciones de composición) en la estructura del vidrio. De hecho, una escuela de pensamiento emergente es que el vidrio es simplemente el caso límite de un sólido policristalino. Dentro de este marco, los dominios que exhiben diversos grados de orden de corto alcance se convierten en los componentes básicos de los metales, así como del vidrio y la cerámica. Distribuidos entre estos dominios y dentro de ellos se encuentran defectos microestructurales que proporcionan las ubicaciones más ideales para la dispersión de la luz. Este mismo fenómeno se considera uno de los factores limitantes en la transparencia de las cúpulas de los misiles IR. [63]
A potencias ópticas elevadas, la dispersión también puede deberse a procesos ópticos no lineales en la fibra. [64] [65]
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 de materiales primarios incluyen tanto electrones como moléculas de la siguiente manera:
El diseño de cualquier dispositivo ópticamente transparente requiere la selección de materiales basada en el 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 IR medio a lejano) definen el límite de transparencia de longitud de onda larga del material. Son el resultado del acoplamiento interactivo entre los movimientos de vibraciones inducidas térmicamente de los átomos y moléculas constituyentes de la red sólida y la radiación de ondas 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 particular se produce porque la frecuencia seleccionada de la onda de luz coincide con la frecuencia (o un múltiplo entero de la frecuencia, es decir, armónica ) a la que vibran las partículas de ese material. Dado que 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 ondas de luz se produce porque las frecuencias de las ondas de luz no coinciden con las frecuencias resonantes naturales de vibración de los objetos. Cuando la luz IR de estas frecuencias incide en un objeto, la energía se refleja o se transmite.
La atenuación sobre un tendido de cable aumenta significativamente mediante la inclusión de conectores y empalmes. Al calcular la atenuación aceptable (presupuesto de pérdidas) 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 necesaria ]
La pérdida total se puede calcular mediante:
donde la pérdida de dB por kilómetro es 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 necesaria ]
El presupuesto de pérdidas calculado se utiliza al realizar 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 algunos otros materiales, como fluorocirconato , fluoroaluminato y vidrios de calcogenuro , 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 tan altos como 3. Normalmente, la diferencia de índice entre el núcleo y el revestimiento es inferior al uno por ciento.
Las fibras ópticas plásticas (POF) suelen ser fibras multimodo de índice escalonado con un diámetro de núcleo de 0,5 milímetros o más. Los 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 presenta una transmisión óptica bastante buena en una amplia gama de longitudes de onda. En la porción del espectro del infrarrojo cercano (IR cercano), 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. Se logra una alta transparencia en la región de 1,4 μm manteniendo una baja concentración de grupos hidroxilo (OH). Alternativamente, una concentración alta de OH es mejor para la transmisión en la región ultravioleta (UV). [66]
La sílice puede transformarse en fibras a temperaturas razonablemente altas y tiene un rango de transformación vítrea bastante amplio . Otra ventaja es que el empalme por fusión y la escisión de fibras de sílice son relativamente eficaces. 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 un simple corte de los extremos de la fibra puede proporcionar superficies muy planas con una calidad óptica aceptable. La sílice también es relativamente inerte químicamente . En particular, no es higroscópico (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 (por ejemplo, con dióxido de germanio (GeO 2 ) u óxido de aluminio (Al 2 O 3 )) o reducirlo (por ejemplo, con flúor o trióxido de boro (B 2 O 3 )). El dopaje también es posible con iones activos con láser (por ejemplo, fibras dopadas con tierras raras) para obtener fibras activas que se utilizarán, por ejemplo, en amplificadores de fibra o aplicaciones láser . Tanto el núcleo de fibra como el revestimiento suelen estar dopados, de modo que todo el conjunto (núcleo y revestimiento) es efectivamente el mismo compuesto (por ejemplo, un aluminosilicato , germanosilicato, fosfosilicato o vidrio de borosilicato ).
Especialmente para fibras activas, la sílice pura no suele ser un vidrio huésped muy adecuado, porque 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 a este respecto.
La fibra de sílice también presenta un alto umbral de daño óptico. Esta propiedad garantiza una baja tendencia a la rotura inducida por el láser. Esto es importante para los amplificadores de fibra cuando se utilizan para amplificar pulsos cortos.
Debido a estas propiedades, las fibras de sílice son el material elegido en muchas aplicaciones ópticas, como comunicaciones (excepto para distancias muy cortas con fibra óptica plástica), láseres de fibra, amplificadores de fibra y sensores de fibra óptica. Los grandes esfuerzos realizados en el desarrollo de diversos tipos de fibras de sílice han aumentado aún más el rendimiento de dichas fibras con respecto a otros materiales. [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74]
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 completamente la cristalización mientras se procesan a través de la transición vítrea (o se extrae la fibra de la masa fundida). Así, aunque los vidrios de fluoruro de metales pesados (HMFG) presentan una atenuación óptica muy baja, no sólo 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. Pérdidas tan bajas nunca se lograron en la práctica, y la fragilidad y el alto costo de las fibras de fluoruro las hicieron menos que ideales como candidatas primarias.
Las fibras de fluoruro se utilizan en espectroscopia de infrarrojo medio , sensores de fibra óptica , termometría e 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 requiere para aplicaciones médicas (por ejemplo, oftalmología y odontología ). [75] [76]
Un ejemplo de vidrio fluorado de metales pesados es el grupo de vidrio 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 a 5000 nm).
El vidrio de fosfato es una clase de vidrio óptico compuesto de metafosfatos de varios metales. En lugar de los tetraedros de SiO 4 que se observan 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 familiar es la estructura en forma de jaula del P 4 O 10 .
Los vidrios de fosfato pueden resultar ventajosos frente a los vidrios de sílice para fibras ópticas con una alta concentración de iones dopantes de tierras raras. Una mezcla de vidrio fluorado y vidrio fosfato es vidrio fluorofosfato. [77] [78]
Los calcógenos —los elementos del grupo 16 de la tabla periódica —en particular azufre (S), selenio (Se) y telurio (Te)—reaccionan con elementos más electropositivos , como la plata , para formar calcogenuros . Se trata de 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 del infrarrojo lejano. [79]
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 una fibra óptica larga y delgada. La preforma se fabrica comúnmente mediante tres métodos de deposición química de vapor : deposición de vapor interior , deposición de vapor exterior y deposición axial de vapor . [80]
Con 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 . Gases como el tetracloruro de silicio (SiCl 4 ) o el tetracloruro de germanio (GeCl 4 ) se inyectan con oxígeno en el extremo del tubo. Luego, los gases se calientan mediante un quemador de hidrógeno externo, lo que eleva la temperatura del gas a 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 fase gaseosa en todo el volumen del tubo, en contraste con técnicas anteriores donde la reacción ocurría solo en la superficie del vidrio, esta técnica se llama deposición química de vapor modificada .
Las partículas de óxido se aglomeran entonces formando 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 del gas y la pared, lo que hace que el gas empuje las partículas hacia afuera en un proceso conocido como termoforesis . Luego, el soplete se recorre hacia arriba y hacia abajo a lo largo del tubo para depositar el material de manera uniforme. Una vez que el soplete ha llegado al final del tubo, se lleva de regreso al comienzo 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 exterior o deposición axial de vapor, el vidrio se forma mediante hidrólisis a la llama , una reacción en la que el tetracloruro de silicio y el tetracloruro de germanio se oxidan mediante la reacción con agua en una llama de oxihidrógeno . En la deposición de vapor exterior, el vidrio se deposita sobre una varilla sólida, que se retira antes del procesamiento posterior. En la deposición axial de vapor, se utiliza una varilla de semilla corta y en su extremo se construye una preforma porosa, cuya longitud no está limitada por el tamaño de la varilla de origen. 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, tales como fibras de doble revestimiento, se prefiere otra forma. [81] En los láseres de fibra basados en fibra de doble revestimiento, una forma asimétrica mejora el factor de llenado para el bombeo del 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 un pulido cuidadoso de la preforma, ya que cualquier defecto de 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 extrae la fibra óptica como si fuera un hilo. La tensión sobre la fibra se puede controlar para mantener el espesor de fibra deseado.
La luz es guiada por el 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. Para algunos tipos de fibra, el revestimiento está hecho de vidrio y se extrae junto con el núcleo de una preforma con un índice de refracción que varía radialmente. Para otros tipos de fibra, el revestimiento es de plástico y se aplica como un revestimiento (ver más abajo).
El revestimiento está recubierto por un amortiguador que lo protege de la humedad y los daños físicos. [68] Estos recubrimientos son materiales compuestos de poliimida o compuestos de acrilato de uretano curados con luz ultravioleta que se aplican al exterior de la fibra durante el proceso de estirado. Los recubrimientos protegen las delicadas hebras de fibra de vidrio (aproximadamente del tamaño de un cabello humano) y le permiten sobrevivir a los rigores de la fabricación, las pruebas, el cableado y la instalación. Se debe quitar el revestimiento amortiguador de la fibra para su terminación o empalme.
Los procesos actuales de estirado de fibra óptica de vidrio emplean un enfoque de recubrimiento de doble capa. Un revestimiento primario interno está diseñado para actuar como amortiguador y minimizar la atenuación causada por la microflexión . Un revestimiento secundario exterior protege el revestimiento primario contra daños mecánicos y actúa como una barrera contra las fuerzas laterales, y puede colorearse para diferenciar los hilos en construcciones de cables agrupados. Estas capas de revestimiento de fibra óptica se aplican durante el estiramiento de la fibra, a velocidades cercanas a los 100 kilómetros por hora (60 mph). Los recubrimientos de fibra óptica se aplican mediante 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 luz UV, y luego a través de una aplicación de recubrimiento secundario, que posteriormente se cura. En húmedo sobre húmedo, la fibra pasa por las aplicaciones de recubrimiento primario y secundario y luego pasa al curado UV. [ cita necesaria ]
El espesor del recubrimiento se tiene en cuenta al calcular la tensión que experimenta la fibra bajo diferentes configuraciones de flexión. [82] Cuando una fibra recubierta se enrolla alrededor de un mandril, la tensión experimentada por la fibra viene dada por [82] : 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 revestimiento.
En una configuración de doblez 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 viene dada por [82] : 47
donde d es la distancia entre las placas frontales. El coeficiente 1,198 es una constante geométrica asociada a esta configuración.
Los revestimientos de fibra óptica protegen las fibras de vidrio de arañazos que podrían provocar una degradación de su resistencia. La combinación de humedad y rayones 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 fallas en la fibra.
Tres características clave de las guías de ondas de fibra óptica pueden verse afectadas por las condiciones ambientales: fuerza, atenuación y resistencia a las pérdidas causadas por la microflexión. Las cubiertas externas de los cables de fibra óptica y los tubos protectores protegen la fibra óptica de vidrio de las condiciones ambientales que pueden afectar el rendimiento y la durabilidad a largo plazo de la fibra. En el interior, los revestimientos garantizan la fiabilidad de la señal transmitida y ayudan a minimizar la atenuación debida a la microflexión.
En las fibras prácticas, el revestimiento suele estar recubierto con una resina resistente y presenta una capa amortiguadora adicional , que puede estar rodeada además por una capa envolvente , normalmente de plástico. Estas capas añaden resistencia a la fibra pero no afectan sus propiedades ópticas. Los conjuntos de fibras rígidas a veces colocan vidrio que absorbe la luz entre las fibras, para evitar que la luz que se escapa 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. [83] [84] El cable multifibra generalmente utiliza protectores de colores para identificar cada hilo.
Los cables modernos vienen en una amplia variedad de revestimientos y armaduras, diseñados para aplicaciones tales como enterramiento directo en zanjas, aislamiento de alto voltaje, uso dual como líneas eléctricas, [85] [ verificación fallida ] instalación en conductos, amarre a postes telefónicos aéreos, submarinos. Instalación 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 hilos de vidrio es más rentable sin pérdida de durabilidad mecánica. Los hilos de vidrio también protegen el núcleo del cable contra roedores y termitas.
El cable de fibra puede ser muy flexible, pero la pérdida de la fibra tradicional aumenta considerablemente si la fibra se dobla con un radio inferior 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 fibras aún más flexibles. [86] La fibra flexible también puede ser resistente al corte de fibra, en el que la señal en una fibra se monitorea subrepticiamente doblando la fibra y detectando la fuga. [87]
Otra característica importante del cable es su capacidad para soportar la 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 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 trabajos de fijación más rápidos se utiliza un empalme mecánico . Todas las técnicas de empalme implican la instalación de un recinto que proteja el empalme.
El empalme por fusión se realiza con un instrumento especializado. Primero se quita la capa protectora de polímero de los extremos de las fibras (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 las escisiones 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 escapa del revestimiento en el otro lado. Lo típico es una pérdida de empalme inferior a 0,1 dB. La complejidad de este proceso hace que el empalme de fibra sea mucho más difícil que el empalme de alambre de cobre.
Los empalmes mecánicos de fibra están diseñados para ser más rápidos y fáciles de instalar, pero aún existe la necesidad de pelarlos, limpiarlos cuidadosamente y cortarlos con precisión. Los extremos de las fibras se alinean y se mantienen unidos mediante una funda de precisión, a menudo utilizando un gel transparente de coincidencia de índices que mejora la transmisión de luz a través de la articulación. Los empalmes mecánicos suelen tener una mayor pérdida óptica y son menos robustos que los empalmes por fusión, especialmente si se utiliza gel.
Las fibras terminan en conectores que sujetan el extremo de la fibra de forma precisa y segura. Un conector de fibra óptica es un cilindro cilíndrico rígido rodeado por un manguito que sostiene el cilindro en su zócalo de acoplamiento. El mecanismo de acoplamiento puede ser de empujar y hacer clic , girar y trabar ( montaje de bayoneta ) o atornillarse ( roscado ). Normalmente, el cilindro puede moverse libremente dentro del manguito y puede tener una llave que impida que el cilindro y la fibra giren cuando se acoplan los conectores.
Un conector típico se instala preparando el extremo de la fibra e insertándolo en la parte posterior del cuerpo del conector. Por lo general, se utiliza adhesivo de fraguado rápido para sujetar la fibra de forma segura y se fija un alivio de tensión en la parte posterior. Una vez que el adhesivo fragua, el extremo de la fibra se pule hasta obtener un acabado de espejo. Se utilizan varios perfiles de pulido, según el tipo de fibra y la aplicación. Para la fibra monomodo, los extremos de la fibra generalmente se pulen con una ligera curvatura que hace que los conectores acoplados se toquen solo en sus núcleos. Esto se llama pulimento 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 mayor pérdida que las conexiones de PC, pero tienen una gran reducción de la retrorreflexión, porque la luz que se refleja en la superficie en ángulo se escapa del núcleo de la fibra. La pérdida de intensidad de la señal resultante se llama pérdida de espacio . Los extremos de la fibra APC tienen una reflexión trasera baja incluso cuando están desconectados.
En la década de 1990, la terminación de cables de fibra óptica requería mucha mano de obra. 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, existen en el mercado muchos tipos de conectores que ofrecen formas más sencillas y menos laboriosas de terminar los cables. Algunos de los conectores más populares vienen prepulidos de fábrica e incluyen un gel dentro del conector. Esos dos pasos ayudan a ahorrar dinero en mano de obra, especialmente en proyectos grandes. Se hace una hendidura a la longitud requerida para acercarse lo más posible a la pieza pulida que ya está dentro del conector. El gel rodea el punto donde las dos piezas se unen dentro del conector para una pérdida de luz muy pequeña. [ cita necesaria ] El rendimiento a largo plazo del gel es una consideración de diseño, por lo que para las instalaciones más exigentes, los pigtails prepulidos de fábrica de longitud suficiente para llegar al primer recinto de empalme por fusión suelen ser el enfoque más seguro que minimiza 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 usar 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 lentes para hacer coincidir la distribución del campo modal de la fibra con la del otro elemento. La lente en el extremo de la fibra se puede formar mediante pulido, corte por láser [88] 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 etapa de traducción de precisión (mesa de microposicionamiento) para mover la lente, fibra o dispositivo para permitir optimizar la eficiencia del acoplamiento. Las fibras con un conector en el extremo simplifican mucho este proceso: 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 buenas vigas, se puede lograr una eficiencia de acoplamiento del 70 al 90%.
Con fibras monomodo adecuadamente 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. Generalmente se utilizan lentes asféricas .
A intensidades ópticas elevadas, superiores a 2 megavatios por centímetro cuadrado, cuando una fibra se somete a un choque o se daña repentinamente, puede producirse una fusión de la fibra . El reflejo del daño vaporiza la fibra inmediatamente antes de la rotura, y este nuevo defecto permanece reflectante de modo que el daño se propaga hacia el transmisor a 1 a 3 metros por segundo (4 a 11 km/h, 2 a 8 mph). [89] [90] El sistema de control de fibra abierto , que garantiza la seguridad del ojo láser en caso de que se rompa una fibra, también puede detener eficazmente la propagación del fusible de fibra. [91] En situaciones, como cables submarinos, donde se pueden usar altos niveles de potencia sin la necesidad de un control de fibra abierto, un dispositivo de protección de "fusible de fibra" en el transmisor puede romper 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, a largas distancias y a altas velocidades de modulación, las diferentes frecuencias de luz pueden tardar diferentes tiempos en llegar al receptor, lo que en última instancia hace que la señal sea imposible de discernir y requiere repetidores adicionales. [92] 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.
