OTRAS APLICACIONES CON FIBRAS ÓPTICAS

APLICACIONES
El campo de aplicación de las fibras ópticas es muy amplio y aumenta día a día. Algunas de
las aplicaciones más importantes son:
-
Telecomunicaciones: En este apartado cabe incluir la red de enlaces y la red de abonado
de las administraciones públicas de telefonía. Hay que destacar la importancia de las
fibras ópticas en el contexto de la red digital de servicios integrados (RDSI).
- Redes locales y comunicación entre ordenadores.
-
Aplicaciones militares: La seguridad (secreto) que ofrecen las comunicaciones por fibra
óptica, hace que esta tecnología sea muy apetecible en aplicaciones militares.
- Enlaces de televisión: Está especialmente indicada la utilización de fibras ópticas en
enlaces de televisión para aplicaciones de seguridad.
-
CATV: Debido fundamentalmente al ancho de banda soportado por las fibras y que éstas
prácticamente, no afectan a la S/N.
- Electromedicina.
- Otros: Por su ligereza y alta capacidad de transmisión de datos, son muy útiles cuando el
peso es determinante, como por ejemplo en aviones y barcos.
Mientras que el precio del cable de cobre aumenta de año en año, en los sistemas de fibra
óptica la tendencia es a la inversa. Además la investigación en este campo es intensa y hay
continuos progresos. Por eso es previsible que en el futuro la fibra óptica se encuentre integrada
prácticamente, en todos los campos relacionados con las telecomunicaciones, electrónica. etc.
OTRAS APLICACIONES CON FIBRAS ÓPTICAS
Un detector de corriente fibra óptica.
Inicialmente, una de las áreas de mayor interés en la investigación actual de la optoelectrónica
lo constituye una rama del programa de comunicaciones mediante fibras, el desarrollo de los
detectores de fibra óptica. El tema básico del detector de fibra es que la luz que pasa a través de
una fibra óptica es afectada, en alguna forma, por las condiciones externas con el cambio
consecuente en las propiedades de la luz transmitida. En algunos casos, tal vez la fibra en sí no
tenga efecto alguno sobre el mecanismo de detección, sino que simplemente guía la luz hacia la
región de interés.
En la figura 1 de muestra un simple detector de fibra que detecta el aforo de un recipiente. En
ausencia de líquido en el recipiente, la luz es regresada desde el extremo de la fibra, habrá un
cambio en la cantidad de luz reflejada. En efecto, algo de tal luz se fugará hacia el líquido debido
al diferencial disminuido de índice de refracción entre la fibra y el medio circundante. Por
consiguiente, existe una caída en la cantidad de luz que regresa al detector.
U7-T5 Aplicaciones -
1
Figura 1.- Detector de nivel con fibra óptica.
En la figura 2 se muestra el diagrama de algunos otros ejemplos de detectores de fibra. Las
ventajas que se obtienen mediante el empleo de tales aplicaciones son comparables, en muchos
sentidos, a las de las comunicaciones ópticas. Los detectores de fibra suelen ser menos propensos
a daño a altas temperaturas que los dispositivos de medición ordinarios, no experimentan
interferencia eléctrica y, dado que no portan corriente eléctrica, son intrínsecamente seguros.
Globalmente, el detector de fibra es idealmente adecuado para ser utilizado en medios peligrosos
o en zonas en las que puede haber riesgos de explosiones, como en refinerías de petróleo o
fábricas de gas mar adentro, o en la industria de suministro de electricidad. Además, debido a que
en las técnicas de medición ópticas por lo general no se hace contacto físico con el área de
medición, pueden operarse a control remoto y son no destructivas. Un listado no exhaustivo de
los parámetros físicos que han sido monitoriados utilizando detectores de fibra es el siguiente:
temperatura, presión, deformación, aforo de líquidos, aceleración, rotación, corriente, voltaje y
campos electromagnéticos.
U7-T5 Aplicaciones -
2
Figura 2.- Sensores típicos de fibra.
Detección de corriente.
La medición de la corriente que fluye por conductores eléctricos es un área a la que la
aplicación de detectores de fibra puede aportar ventajas importantes. Esto es especial- mente
cierto cuando las corrientes son del orden de unos cuantos cientos de amperes, como en la
transmisión de energía eléctrica. En los métodos convencionales utilizados por las compañías de
luz para medir la corriente, se emplean transformadores voluminosos difíciles de aislar y que
presentan respuestas bastante lentas a las corrientes transitorias. En contraste, las técnicas ópticas
pueden ser compactas, poco costosas y tener una respuesta rápida.
La Central Electricity Generating Board ha venido investigando desde hace algunos años la
aplicación de los detectores de fibra al monitoreo de corriente y voltaje en sistemas de
transmisión de energía eléctrica. Aquí se analizará el funcionamiento del detector de corriente
prototipo, cuyo diagrama se muestra en la figura 3
U7-T5 Aplicaciones -
3
Figura 3.- Detector de corriente de fibra óptica (adaptado de un diagrama original
publicado por CEGB).
Principios de la detección.
El método con el cual es posible medir la luz con una fibra óptica se basa en el principio de
que la polarización de un haz luminoso que se desplaza a través de un medio transparente puede
ser afectado por la introducción de un campo magnético. Este es el efecto Faraday (figura 4). La
magnitud de la rotación es máxima cuando la luz se desplaza en la misma dirección que el campo
magnético. El origen del efecto surge de la forma en que un campo magnético afecta la absorción
atómica de un material. Esto conduce a una velocidad de propagación ligeramente diferente para
luz polarizada circularmente, dependiendo de sí es polarizada por la izquierda o por la derecha.
Dado que la luz linealmente polarizada puede considerarse equivalente a una combinación de dos
componentes de sentido opuesto circularmente polarizadas, es posible observar que si una
componente se propaga más rápido que la otra a medida que el haz se desplaza a través del
medio, entonces habrá una rotación neta del haz polarizado.
Figura 4.- Efecto Faraday en un material magnetoóptico.
Volviendo a lo que se conoce acerca de electricidad y magnetismo, se sabe que un conductor
de corriente originará un campo magnético que actúa a ángulos rectos con la dirección de la
corriente (figura 5). Si una fibra óptica, que conduce un haz luminoso linealmente polarizado, es
U7-T5 Aplicaciones -
4
arrollada alrededor del conductor, entonces la acción del campo magnético hará girar el plano de
polarización del haz. El ángulo de rotación está dado por:
β = kvHx
en donde kv es una constante, denominada constante de Verdet para un material dado, H es la
magnitud del campo magnético y x es la longitud de la trayectoria recorrida por el haz en el
campo magnético. La teoría básica afirma que la intensidad del campo magnético asociada con
una corriente I que fluye en un conductor está dada por:
H = I/2πr
en donde r es la distancia entre el conductor y el punto de medición de la intensidad de campo.
Así, la rotación de Faraday puede expresarse como:
β = kv (I/2πr)x
Pero x, la trayectoria recorrida por la luz, también será igual a 2πr si la fibra es arrollada una
vez alrededor del conductor, y por lo tanto,
β = kvI
Suponiendo que la fibra es arrollada alrededor del conductor a distancia uniforme, la ecuación
anterior proporciona la magnitud de la rotación. Si alrededor del conductor hay varias vueltas de
fibra, entonces se incrementa la trayectoria del haz, se mejora la magnitud del efecto y se
compensan campos magnéticos parásitos.
Experimentalmente, se encuentra que la constante de Verdet para el sistema es igual a 15.6 x
103 min A-1. Así, la rotación de Faraday para una corriente de 1000 A rms (valor medio
cuadrático o eficaz) será de 15.6 minutos de arco.
Figura 5.- Campo magnético alrededor de un conductor que porta corriente.
El elemento detector.
U7-T5 Aplicaciones -
5
La elección de la fibra es crucial para el funcionamiento. Debido a que se pretende medir la
rotación de la polarización, cualquier cambio natural de la condición de polarización del haz a
medida que éste se propaga a lo largo de la fibra podría enmascarar el efecto que se pretende
medir. Tales materiales se denominan birrefringentes y todas las fibras presentan algún grado de
birrefringencia Intrinseca. Sin embargo, existe un punto óptimo de operación para la fibra, que
corresponde a un plano preferido de polarización que debe poseer el haz incidente, de modo que
el haz de salida salga linealmente polarizado, aunque no necesariamente en el mismo plano. Esta
condición se cumple colocando una placa de media onda enfrente de la fibra, que permite que el
plano de polarización de la luz incidente gire hacia el plano de polarización preferido por la fibra.
Existen a disposición fibras de baja birrefringencia especialmente fabricadas, que minimizan
todos los efectos intrínsecos.
Además, dado que la propagación a lo largo de la fibra de más de un modo tiende a complicar
el patrón de polarización, es necesario promediar la rotación magnética. Esto acaba por
determinar la elección de las fibras de un modo. Aun así, siempre habrá modos indeseables que
se propagan a lo largo de la fibra, debido a la emisión de algo de luz disponible hacia el
revestimiento. Tales modos indeseables pueden eliminarse haciendo pasar la fibra a través de un
breve volumen de líquido cuyo índice de refracción sea mayor que el de la fibra, de manera que
los modos indeseables se acoplen y sean expulsados. En caso de que en la fibra se generen otros
modos indeseables, debido a flexión o presión, es posible conducir a división de modos adicional
al extremo de salida de la fibra.
Optica de emisión.
La selección de una fibra de un modo crea problemas a la emisión de suficiente luz a través
de ella para producir una señal significativa en el otro extremo. Para mejorar el grado de
polarización hasta aproximadamente una parte en 104, a través de un prisma de polarización se
hace pasar un láser de HeNe que entregue una salida linealmente polarizada de 50 mW de
potencia continua. El haz es emitido hacia la fibra utilizando una lente objetivo de microscopio
de 10x de amplificación y abertura numérica igual a 0.12. Al comparar la abertura numérica de la
lente con la de la fibra, se observará una falta de equivalencia entre ambas, dando por resultado
que sólo una fracción de luz, 0.048/0.12 = 0.40, se acople con la fibra. Sin embargo, la situación
real no es tan mala, ya que es evidente a primera vista, debido a que el diámetro del haz láser sólo
mide aproximadamente 2 mm y el diámetro de entrada de la lente mide 8 mm, entonces sólo se
utiliza la cuarta parte del diámetro útil de la lente. Por tanto, la abertura numérica efectiva es
aproximadamente 0.03, por lo que es posible la emisión eficiente del haz.
Optica de detección.
Para medir la rotación es necesario comparar la orientación de polarización relativa entre los
haces de salida y entrada. Esto se logra colectando la luz emitida mediante otro objetivo de 10x y
AN 0.12, y haciéndola pasar por un prisma Wollaston. Este prisma resuelve el haz en dos
componentes separadas linealmente polarizadas perpendiculares entre sí. Cada componente es
detectada por fotodetectores PIN separados, cuyas salidas se conectan a amplificadores de suma y
resta para obtener una salida proporcional a:
(I1 – I2) (I1 + I2)
U7-T5 Aplicaciones -
6
en donde I1 e I2 son las fotocorrientes respectivas producidas en los diodos. Este procedimiento
es el método clásico para asegurar máxima sensibilidad de salida, así como que la salida sea
independiente dé las fluctuaciones en la intensidad del haz y diferencias en los detectores.
También puede hacerse girar el prisma, a fin de ganar la señal de salida óptima de los detectores.
En el instrumento prototipo, para el intervalo cero y 1000 A eficaces se obtuvo una respuesta
lineal de la salida del detector contra la corriente de una barra colectora.
U7-T5 Aplicaciones -
7