FIBRAS ÓPTICAS

Elementos y Equipos Eléctricos
5.- Fibras Ópticas
Las fibras ópticas en sistemas de comunicaciones y en general en sistemas de
transmisión de señales, después de un largo periodo de experimentación y enlaces
pilotos, entre los años 1975 y 1980 entro en su etapa de empleo masivo.
Los primeros enlaces se difundieron en el campo de las telecomunicaciones con fibras
ópticas que tenían atenuaciones de hasta 50 db/km, hoy con distintos métodos de
obtención de materiales de extrema pureza y de fabricación se obtiene fibras ópticas
con atenuaciones de 0,2 db/km. Y enlaces de hasta 200 km. Sin tener que utilizar
repetidoras.
A medida que se fue avanzando con el uso de las fibras ópticas no solo se utiliza en la
transmisión de voz, sino que comenzó a utilizarse en la transmisión de datos. Uno de
los lugares que tiene gran utilización es en el campo de la elaboración y transmisión
de datos en el campo de la energía, destinados a la supervisión y control de equipos e
instalaciones. El manejo de esta enorme cantidad de datos ha sido confiado
tradicionalmente a distintos medios de comunicación (onda portadora, micro ondas,
para largas distancias), normalmente estos datos a transmitir parten de lugares donde
se trabaja con altas tensiones y dentro de fuente con fuertes campos magnéticos, los
que fácilmente pueden producir interferencias. Al ser la fibra óptica un material
totalmente dieléctrico no es afectada por este tipo de interferencias, además como la
transmisión se realiza con fotones, es un elemento que se puede instalar sin que se
corra ningún riesgo de corto circuito.
La fibra óptica esta constituida por dos cilindros coaxiales de silicio de alta pureza, que
por medio de la reflexión de a luz se logra transmitir información, presentando ventajas
con respecto a los conductores de materiales metálicos, entre las principales figuran:
Transmite luz, en consecuencia no se introduce interferencia.
Tiene gran capacidad de transmisión (180 a 200 comunicaciones telefónicas a
la vez) con respecto a los conductores de cobre.
La transmisión no es interferida por campos eléctricos y magnéticos
La energía puesta en juego en la transmisión es muy baja
Gran ancho de banda
Diámetro reducido
Peso reducido
Material totalmente dieléctrico: no existe posibilidad de tensiones inducidas
que pueden producir chispas o cortocircuitos.
5.1.-Principio de funcionamiento:
Para las transmisiones por fibra óptica se utilizan las longitudes de onda del
infrarrojo, o sea 800 a 1600 nm, siendo los valores preferidos los de 850,
1300,1550 nm que es donde están las de menores interferencias.
Transmisión con Fibra Óptica
Luz Visible
800nm
1600 nm.
.
Las fibras ópticas se componen de un cilindro material dieléctrico llamado núcleo
rodeado por un revestimiento también dieléctrico con un índice de refracción
112
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ligeramente inferior al núcleo. La forma de propagación de la señal se basa en las
propiedades de refracción y reflexión de la luz (reflexión total).
Supongamos dos sustancias diferentes:
5.1.1.- Principio de Reflexión
1 ángulo
de incidencia
N
2 ángulo
de reflexión
n1
1
n2
2
1 =
2
n1 y n2 índices de refracción.
Cuando un rayo luminoso incide sobre la superficie de separación dos sustancias, una
fracción de la misma se refleja.
La proporción de la luz reflejada es función del ángulo
que forma el rayo de luz
incidente con la perpendicular a la superficie de separación de los medios.
Por rayo de luz se entiende la trayectoria dentro de la cual se extiende la energía
luminosa.
Para el rayo luminoso es reflejado y su ángulo de reflexión
2 que este forma
con la perpendicular a la superficie de separación de la sustancia vale:
* El rayo incidente, el reflejado y la perpendicular a la superficie de separación
de los medios, se encuentran en un mismo plano.
* El rayo reflejado se halla en el semiplano opuesto en relación con el rayo
luminoso incidente y la perpendicular a la superficie de separación de las
sustancias.
* El ángulo formado por el rayo incidente con la perpendicular, y el ángulo
reflejado con la perpendicular son iguales.
5.1.2.- Refracción de la Luz.
n1 > n2
ángulo de incidencia
ángulo de refracción
N
n1
n2
113
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Si un rayo luminoso incide con un ángulo
de modo oblicuo desde una sustancia
óptimamente menos densa (aire) a otra más densa (vidrio), su dirección de
propagación se quiebra y su trayectoria continúa en la segunda sustancia con un
ángulo de refracción, diferente al de incidencia.
Para una sustancia isotópica, o sea un medio o material que presenta idénticas
propiedades en todas sus direcciones, vale la ley de refracción de Snell.
El cociente entre el seno del ángulo de incidencia
y el seno del ángulo de refracción
es constante e igual a la relación de las velocidades de la luz
c1 /c2 en ambas
sustancias.
sen
sen
=
c1
c2
LEY DE SNELL
De dos sustancias transparentes, se considera más densa a aquella que posee la
menor velocidad de propagación de la luz.
Considerando la transición desde el vacío ( aire) en el cual la velocidad de la luz c0
a una sustancia con velocidad de la luz c1 se obtiene:
sen
sen
=
c0
c2
La relación entre la velocidad de la luz en el vacío c0 y la de luz en una sustancia (c),
se denomina índice de refracción "n" (o más exactamente índice de refracción entre
dos fases) de esa sustancia, y es una constante del material.
El índice de refracción del vacío (
aire) n0 es igual a uno.
Para dos sustancias diferentes con los índices de refracción
correspondientes velocidades de la luz c1 y c2 vale:
C1 = n0
C0
n1
C1 = C0
n1
C2 = n0
C0
n2
n1 y n2 y las
C2 = C0
n2
de donde se obtiene otra expresión de la Ley de Refracción de Snell.
sen
sen
=
c0
= n
c2
La relación del seno del ángulo de incidencia al seno del ángulo de refracción es
inversamente proporcional a la respectiva relación de los índices de refracción
entre dos sustancias.
La sustancia óptimamente mas densa es aquella que tiene un índice de refracción
mayor y una velocidad de la luz menor.
El índice de refracción n de una sustancia depende fundamentalmente de la
correspondiente longitud de onda de la luz: en el caso del vidrio de cuarzo y las
longitudes de onda del infrarrojo, de gran importancia para las comunicaciones
ópticas, este índice decrece continuamente cuando se incrementa la longitud de onda.
La magnitud del índice de refracción vale para ondas luminosas que se propagan
solamente con una única longitud de onda y con amplitud constante. En estas
114
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condiciones las ondas no pueden trasmitir informaciones, lo cual se logra solo cuando
se aplica modulación a las mismas. En las comunicaciones ópticas (digitales) la
modulación se efectúa por medio de pulsos luminosos, se trata de grupo de ondas de
corta duración que contienen ondas luminosas de diferentes longitudes.
Las diferentes ondas integrantes de estos grupos no se propagan con la misma
velocidad ya que sus longitudes de onda difieren entre sí. La velocidad de propagación
de un grupo de ondas se denomina velocidad de grupal, para la cual se define el
índice de refracción del grupo ng por medio de la relación:
ng = n
.
dn
d
Las variaciones de n y ng en función de la longitud de onda luminosa
cuarzo puro se observan en la figura.
para vidrio de
Se observa que el índice de refracción del grupo es para cada longitud de onda, mayor
que el índice de refracción, del de un rayo de una sola longitud de onda.
Para calcular los tiempos de propagación de las señales ópticas se deben utilizar
solamente el índice de refracción grupal. Como se dijo al principio la longitud de onda
tiene una gran importancia en la transmisión, y se puede observar que el índice de
refracción presenta un mínimo en 1300 nm.
5.2.- Reflexión Total:
Cuando el rayo luminoso incide con un ángulo
cada vez mayor desde una
sustancia óptimamente más densa con un índice de refracción n1 sobre la superficie
de separación, con una sustancia óptimamente menos densa con índice de refracción
n2, el ángulo de refracción β comienza a aumentar, y llega a tomar el valor de 90º
para un determinado ángulo de incidencia.
Para ese valor de ángulo de incidencia, el ángulo refractado ya no viaja por la segunda
sustancia sino que lo hace paralelo a la superficie de separación de las dos
sustancias. El ángulo de incidencia que hace que ocurra este fenómeno se denomina
ángulo límite de las dos sustancias, y todos aquellos rayos que incidan con un valor
de ángulo alfa superior al ángulo límite, ya no se van a refractar por la segunda
115
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sustancia sino que se van a reflejar totalmente por la sustancia que venia viajando, a
este fenómeno se lo conoce como reflexión total.
La reflexión total puede ocurrir únicamente cuando un rayo luminoso incide desde una
sustancia ópticamente más densa sobre otra ópticamente menos densa y nunca se
da en el caso inverso.
αL
α2
α1
β1
β2
Aplicando la Ley de Snell se cumple
Sen α1 = n2
Sen β1 n1
y para el ángulo limite, cuando β se hace igual a 90º
Sen αL = n2
Sen β0 n1
Sen αL = n2
n1
o sea que el ángulo limite es función de la relación de los índices de refracción de las
dos sustancias.
A medida que se continua aumentando en ángulo de incidencia por encima del ángulo
limite, todos los rayos ya no son reflejados en la superficie de separación de ambas
sustancias sino que se propagan por la sustancia óptimamente mas densa, que es por
la que venia viajando antes de la incidencia.
5.3.- Apertura Numérica
En los conductores de fibras ópticas se utiliza el efecto de la reflexión total para
conducir el rayo luminoso en virtud de ser estos conductores dos tubos concéntricos,
el interior su "núcleo" formado por un vidrio con un índice de refracción n1 y
envolviéndolo a este
un "recubrimiento" formado con un vidrio con índice de
refracción n2. El valor de n1 es mayor que n2 .
116
Elementos y Equipos Eléctricos
Recubrimiento n2
90- αo
αo
θ
Núcleo n1
Analizando la expresión sen
0=
n0 =
n2
se concluye que todos los rayos luminosos
n1
que incidan con un ángulo menor que (90° son conducidos en el núcleo.
0)
con respecto al eje de la fibra óptica
Para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior de la fibra (aire con índice
de refracción n0=1) el ángulo (entre el rayo luminoso y el eje de la fibra óptica) se rige
de acuerdo a la ley de refracción de Snell
sen
sen 90 0
n1
n0
L
sen
n1 sen 90 o
sen
n1 cos
sen
n1 1 sen
n0
1
0
0
0
Considerando la condición de ángulo límite sen
0
=
n2
n1
2
sen
n1 1
sen
n12
n2
n1
n 22
El máximo ángulo de acoplamiento
max se denomina ángulo de acoplamiento del
conductor de fibra óptica y únicamente es función de los índices de refracción n1 y n2
de los materiales.
Al seno del ángulo de aceptación se lo denomina
conductor de fibra óptica.
117
apertura numérica
(AN) del
Elementos y Equipos Eléctricos
sen
n12
n22
AN
Este valor es de gran importancia para el acoplamiento de la luz a los conductores de
fibra óptica.
Todos los rayos luminosos que incidan sobe el eje del conductor de fibra óptica con
un ángulo (sólido) que el ángulo de acoplamiento máximo va a poder ser transmitido
por el cable de fibra..
De la apertura numérica depende esencialmente la cantidad de luz que se puede
acoplar al núcleo del conductor, por el cual este debería ser lo mas alto posible, ya que
permitiría utilizar elementos electro ópticos mas baratos, pero tolerando algunos
inconvenientes, que no afectan a las cortas distancias, que son las mezclas de los
modos.
5.4.- Propagación de la Luz en el conductor de Fibra Óptica:
En general se denomina interferencia a la superposición de dos o más ondas y su
combinación para formar una onda única. Una manifestación típica de la interferencia
de dos ondas se obtiene solamente cuando ambas tienen la misma longitud de onda y
existe una diferencia de fase constante entre ambas en el tiempo, este tipo de ondas
se denomina ondas coherentes.
Si en determinado punto del espacio de ambas ondas presentan una diferencia de
fase igual a un múltiplo entero de (long. de onda), se produce una suma de sus
amplitudes, en cambio si esta diferencia es igual a un múltiplo entero de /2 (media
long. de onda), una resta, y si ambas amplitudes son iguales, incluso una anulación
local de la misma.
Si se utilizaran dos fuentes luminosas, por ejemplo dos lámparas incandescentes y se
superponen sus luces no se observa ningún tipo de interferencia ya que su luz es
incoherente. La causa se halla en el proceso de emisión de la luz del cuerpo luminoso.
Para ello el ángulo espectral deberá ser lo más pequeño posible, esto se logra
generalmente con los láser, que en virtud de una emisión de luz forzada dan la
posibilidad de contar con una diferencia de fase constante a igual longitud de onda.
Con ellos también aparecen interferencia en el conductor de fibra óptica, las cuales se
reconocen porque la luz se propaga en el núcleo únicamente, en determinados
ángulos que corresponden a direcciones en las cuales las ondas asociadas al
superponerse se refuerzan.
Las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse en un conductor de fibra
óptica se denominan modos. Estos modos se transmitirán de forma diferente según
sea el perfil del conductor de fibra óptica.
5.5.- Perfiles de los conductores de FO
Si en un conductor de F.O. se considera el índice de refracción (n) en función del radio
(r), se tiene el perfil del índice de refracción de este conductor.
Con el mismo se describe la variación radial del índice de refracción de conductor de
fibra óptica desde el eje del núcleo hacia la periferia de recubrimiento.
La propagación de los modos en el conductor de F.O. depende de la forma de este
perfil de índice de refracción.
118
Elementos y Equipos Eléctricos
En la práctica interesan los perfiles exponenciales; bajo esta denominación se
entienden aquellos perfiles de índices de refracción que presentan una variación que
es función del radio del núcleo del conductor.
En el caso de un perfil escalonado el índice de refracción es constante en el núcleo.
En todos los demás perfiles el índice de refracción n( r ) en el núcleo se incrementa en
forma gradual desde el valor n2 en el recubrimiento hasta el n1en el eje del conductor
de fibra óptica.
En virtud de este tipo de variación se denomina a estos perfiles también perfiles
graduales.
5.4.1.- Perfil Escalonado
En un conductor de fibra óptica donde el índice de refracción n1 se mantiene
constante en toda la sección del núcleo, se habla de un perfil escalonado, pues el
índice se incrementa en forma de escalón a partir del valor que tiene en el
recubrimiento hasta el que posee en el núcleo y que allí permanece constante. La
fabricación de este conductor es sencilla.
Con el índice de refracción constante a lo largo del radio del núcleo, si en el extremo
inicial del conductor, cada uno de estos modos es excitado con un ángulo de
acoplamiento diferente estos se propagan a lo largo del mismo con la misma velocidad
y recorriendo diferentes trayectorias en forma zigzagueante, por lo cual llegan al otro
extremo del conductor a diferentes momentos, un conductor de estas características
se denomina multimodo. La relación entre los tiempos de recorridos máximo y mínimo
es directamente proporcional a la relación entre los índices de refracción del
recubrimiento y del núcleo.
Esta diferencia de tiempos produce una dispersión llamada dispersión modal, que es
un efecto no deseado, ya que da lugar al ensanche del pulso luminoso de corta
duración que atraviesa al conductor de fibra óptica, constituyendo una desventaja para
las comunicaciones ópticas, ya que disminuye la velocidad de transmisión, o hace
aumentar el ancho de banda ocupado.
Esta mezcla de modos se produce con mayor intensidad en las irregularidades del
núcleo y en las curvaturas. Para disminuir los efectos no deseados en forma
considerable se fabrican fibras ópticas donde el índice de refracción en el núcleo varía.
n2
n1
5.4.2.- Perfil Gradual
Cuando el índice de refracción del núcleo, varía en forma desde un valor máximo n1
en el eje del conductor y decae hasta otro valor n2 en el límite con el recubrimiento a
119
Elementos y Equipos Eléctricos
este tipo de perfiles se los denomina perfiles graduales. Esta denominación se ha
adoptado especialmente para el perfil parabólico.
Cuando el índice de refracción no es constante a lo largo del radio del núcleo, los
rayos luminosos recorren el conductor de fibra óptica describiendo trayectorias
onduladas o helicoidales; contrariamente al conductor de perfil escalonado, en cuyo
caso los rayos se propagan en forma zigzagueante.
Como consecuencia de la variación continua del índice de refracción n( r ) en el
núcleo, los rayos luminosos también se refractan continuamente variando su dirección
de propagación al recorrer estas trayectorias helicoidales. Si bien los rayos que oscilan
en torno del eje deben recorrer aún un camino más largo que el que se propaga en
forma rectilínea a lo largo de este eje, pueden desarrollar una mayor velocidad,
proporcional al menor índice de refracción que tiene el material en los puntos más
alejados del eje, y así se compensa en el tiempo la mayor extensión del recorrido.
Como resultado de esta compensación se logra disminuir la mezcla de modos, por lo
tanto la diferencia de tiempos de recorrido.
Cuando se conforma con exactitud el perfil parabólico de índice de refracción, se han
medido, con un tiempo de recorrido de la luz de 5 ns. /Km. Dispersiones de tiempo del
orden de 0,1 ns. Esta diferencia se produce prácticamente por la dispersión del
material, mientras que en un perfil escalonado en iguales condiciones las dispersiones
de tiempo estarían en el orden de 5 ns.
n2
n1 = n2
n1
n1 max
n1 = n2
n2
n1
En un conductor de fibra óptica con perfil escalonado y múltiples modos, estos se
propagan a lo largo de diferentes trayectorias por lo cual llegan al otro extremo del
conductor a diferentes momentos.
5.4.3.- Perfil escalonado monomodo:
Se puede eliminar la dispersión modal, haciendo que por el conductor de fibra óptica
se propague único modo, el modo fundamental, un conductor de fibra óptica de estas
características se denomina monomodo
Para reducir el número de modos, se debe reducir el diámetro del
apertura numérica o aumentar la longitud de onda.
n2
n1
n2
n1
120
núcleo, a la
Elementos y Equipos Eléctricos
De la apertura numérica depende esencialmente cuanta luz se puede acoplar al
núcleo de conductor, por lo cual debería ser lo mas elevado posible. La reducción del
radio del núcleo es posible en forma limitada, en razón de tornarse cada vez más
dificultoso el manipuleo y las técnicas requeridas para el conexionado.
Por otra parte, se torna más dificultosa la fabricación de emisores y receptores para
frecuencias mas elevadas y en consecuencia su valor no se puede incrementar a
discreción.
Para un conductor mono modo cuyos valores de radio del núcleo son 4,5 micro metro
y la apertura numérica 0,11, la que se logra con diferencias de índices de refracción
entre el núcleo y el recubrimiento del orden de 0,003%, las longitudes de onda que se
van a transmitir están en el orden de los 1300 micro metros, que para este conductor
se denomina longitud de onda limite.
En el núcleo de este conductor de fibra óptica, se podrá propagar un único modo para
todas las longitudes de onda mayores a la longitud de onda de la onda límite.
O sea que a partir de la longitud de onda limite el conductor se comporta como un
conductor de fibra monomodo.
121
Elementos y Equipos Eléctricos
5.6.-Fabricación de las Fibras Ópticas
Las fibras ópticas se clasifican según su composición en: Fibras de sílice, Fibras de
vidrios poli componentes, Fibras con revestimiento de plástico y Fibras de plástico.
Hay 5 métodos para fabricar fibras ópticas, uno por medio de la mezcla de los
componentes y los otros cuatro (4) son por deposición, los elementos, que se utilizan
son el de silicio o silicatos en forma de cloruros.
Clasificación de las fibras ópticas según su composición




Fibras de sílice: poseen principalmente dióxido de silicio Si O2.
Fibras de vidrios poli componentes: Si O2 + óxidos y carbonatos.
Fibras con recubrimiento de plástico.
Fibras de plástico.
Las dos primeras se denominan fibras de óxidos y son las únicas aplicadas en
comunicaciones. Las fibras de sílice poseen principalmente dióxido de silicio SiO2,
mientras que las de vidrios poli componentes constan además de varios óxidos y
carbonatos.
El índice de refracción en las fibras de sílice se modifica con dopantes, como ser Ge
O2, P2O5, y otros.
n
G2O
1,50
1,49
P2O5
1,48
1,44
1,47
1,44
1,46
1,45
B2O3
2
4
6
8
10
12 F 14
mol %
1,44
Variación del índice de refracción en función de la concentración de dopantes
La materia prima son cloruros como el SiCl4, GeCl4, y POCl3. A la temperatura
ambiente los silicatos se encuentran en fase liquida y suelen usarse en la fase de
vapor para efectuar la deposición, eliminando las contaminaciones del material de
transición magnitud muy inferior a los cloruros.
Las fibras de vidrios poli componentes son fabricadas por el método del doble crisol,.
La atenuación mínima que puede lograrse es del orden de 10 db. / Km. En cambio las
fibras de sílice son fabricadas por varios métodos distintos y la atenuación lograda es
menos. Esto hace que las fibras de vidrio poli componentes se utilicen para cortas
distancias, dejando las fibras de sílice para media y larga distancia.
Tanto el método del doble crisol como los métodos de deposición son métodos
discontinuos.
Se fabrica primero una “preforma”, donde la fibra óptica se hace una varilla de cuarzo,
que esta en el orden de los 8 a 10 mm de diámetro, por 1 m de longitud
aproximadamente, con esa preforma, luego se la estira alcanzando una longitud
122
Elementos y Equipos Eléctricos
aproximadamente de 1 o 2 km., o sea que esa preforma que tiene un diámetro inicial
de 8 a 10mm y entre un (1) metro o 1,80m de longitud, termina siendo un conductor de
aproximadamente 1 o 2 km. de acuerdo al diámetro final del conductor
El método axial, es un método que inventado por la NTT de Ibaraki, Japon, el fundido
de los materiales, la proforma y el estirado de la fibra se hace de una sola vez,
comienza formándose la proforma por deposición y termina en un tambor donde se
produce el estirado de la preforma y el arrollado del conductor, de esta manera se
logra un método continuo..
5.6.1.- Método del Doble Crisol
La fabricación de fibras de vidrio poli componentes, es un proceso de dos etapas.
Primero se produce el vidrio de polvos de alta pureza y luego se estira la fibra por el
método del doble crisol.
En las figura2 muestra el mecanismo de producción del vidrio ultra puro. Los reactivos
como ser SiO2, Na2CO3, CeCO3, se mezclan en proporciones adecuadas, se
purifican mediante intercambios de iones, destilación y extracción de disolventes,.
Estos polvos se colocan en el horno de la figura, el cual está calentado por inducción
de radiofrecuencias de RF.
La técnica que se describe fue desarrollada por la Universidad de Sherffield y por los
laboratorios de la Stándar de Inglaterra. Previo al uso de los crisoles de silicio puro se
utilizaron crisoles de platino, pero la atenuación obtenida estaba cerca de los 50 db /
Km., era mayor a la prevista teóricamente. Las razones de ello se las atribuyeron a
que las impurezas desde el crisol pasaban al vidrio durante la fundición. El uso de
crisoles de silicio elimino este problema a de contaminación con iones ferrosos y
cúpricos.
A temperaturas mayores de 1300 °K. los vidrios alcalinos tienen conductividad iónica
suficiente para producir el aclopamiento entre el campo de RF de 5 MHz. y el material
fundente. Esto permite varias cosas, por un lado basta con tener un calefactor de
grafito, inmerso dentro del campo de RF, que de un calentamiento inicial al crisol y
luego el campo de RF se encarga de mantener la temperatura cuidadosamente
controlada. Por otro lado como solo el material fundente recibe energía del campo, el
crisol se mantiene frío mediante una corriente gaseosa o de agua. Esto produce
además un salto, de temperatura entre el material y el crisol que crea una capa de
sílice sólida en las paredes del crisol ayudando a aislar el material fundente.
Es conveniente recordar que la temperatura de fusión del dióxido de silicio puro,
cuarzo, es mayor que la del material fundente, pues este tiene dopnates que rompen
la red cristalina y disminuye la temperatura de fusión.
Para homogeneizar el material totalmente, de forma de disminuir las dispersiones de
Ryleigh y Mie, se produce una agitación del material fundido por medio de un burbujeo
de gas inerte no reaccionante. Se eleva la temperatura hasta disminuir la viscosidad
permitiendo a las burbujas alcanzar la superficie.
El método de estirado se reproduce en la otra figura. El montaje consta de dos crisoles
concéntricos fabricados de platino de alta pureza o de sílice. El orificio inferior de cada
crisol se diseña en función de la geometría de la fibra óptica deseada. Así, basta con
cambiar el diámetro del orificio del crisol inferior para producir fibras multimodo o mono
modo. El vidrio se introduce en el crisol en forma de varilla, pudiendo alimentarse
continuamente.
123
Elementos y Equipos Eléctricos
La temperatura del horno se mantiene mediante el acoplamiento de RF de forma tal
que la viscosidad es adecuada para el estirado. El estirado se efectúa por el
arrollamiento directo sobre un tambor giratorio colocado debajo del crisol.
La geometría del perfil del índice de refracción se gradúa con la posición relativa de los
orificios de salida de ambos crisoles. Así, un acercamiento pronunciado entre ambos
orificios produce una mezcla reducida de los vidrios componentes del recubrimiento
en el crisol exterior y del núcleo en el interior. El perfil resulta ser abrupto.
Por otro lado una separación mayor permite la mezcla de vidrio y la creación de
perfiles de “variación gradual”. Otros parámetros que permiten el control del índice de
refracción es la temperatura de los crisoles y la velocidad de estirado.
Perfiles de índice de refracción gradual se han logrado con titanio como dopante.
Sin embargo este método se reserva para fibras de índice abrupto, ya que la mezcla
de vidrios es difícil de controlar. Los límites práctico para esta técnica de fabricación son
de 10 db. / Km. de atenuación y una dispersión de 0,5 ns. / Km.
Esquema de producción
del vidrio p/fibras .Fig 2
Esquema de estirado de fibras de vidrio
mediante el método de doble crisol
5.6.2.- Método OVDP (Outside vapor deposición Process), Oxidación exterior en
fase de vapor
Este proceso fue desarrollado por la Carning glass Works y fue el primero en lograr
atenuaciones inferiores a 20 dB/Km. Hoy día se logran atenuaciones de 3 dB/Km. para
850 nm de longitud de onda.
Este proceso, como el grupo que continúa, se utiliza para la fabricación de fibras de
sílice. El proceso se divide en dos partes, por un lado la creación de una preforma y
por otro el estirado de la preforma. Por ser para todos los métodos igual, el estirado
sólo se explicará una sola vez, mas adelante.
124
Elementos y Equipos Eléctricos
El hecho de crear una preforma antes de su estirado hace de estos métodos, excepto
el VAD] de producción discontinua.
La creación de la preforma, parte de un sustrato sobre el que se hace crecer la fibra de
sílice. La técnica de deposición se ve en la figura. El sustrato es un tubo de sílice, a lo
largo del cual se mueve un quemador en forma transversal.
La llama de CH4-02, o de oxígeno- hidrógeno, se encuentra a una temperatura desde
1500° a 1800 °K. A fin de producir una deposición geométricamente equilibrada se
hace girar el sustrato. Los gases de reacción de la llama entran en el tubo a una
velocidad controlada y reaccionan en la zona de calentamiento con el 02.
Se observa que, la reacción libera C12 y el oxigeno molecular 02 sobrante en la
reacción. A fin de evitar la contaminación de la preforma con grupos oxidrilos OH debe
controlarse al máximo la presencia de H2.
El perfil del índice de refracción varía con la composición de la llama, la temperatura y
la velocidad del mechero, así como con el número de capas creadas. Como el tubo de
sílice que da origen a la preforma debe quitarse antes de proceder al estirado, queda
un hueco central que debe quitarse mediante el colapso de la preforma en una
atmósfera controlada de helio.
El tubo se calienta hasta la temperatura de reblandecimiento por una llama transversal
y se contrae por la acción de las tensiones superficiales. La temperatura de
reblandecimiento es elevada por lo tanto provoca la evaporación en el estrato central,
de una parte de los dopantes depositados previamente, esto causa un abrupto pico de
caída del índice de refracción. Si bien este problema no puede ser eliminado, se
reduce aumentando la cantidad de dopantes en los copos centrales o produciendo el
colapso en una atmósfera enriquecida de dopantes.
Con este método se pueden construir preformas de 8 mm por 1,8 m, lo cual da lugar a
fibras de 10 km de longitud. La deposición se realiza a 2 grs./min. y con una eficiencia
del 50%
Método de fabricación de la preforma por el método OVDP: fabricación,
consolidación y estirado.
125
Elementos y Equipos Eléctricos
5.6.3.-Método MCVD [modified chemicol vapor deposición] [Deposición de vapor
químico modificado]
Este proceso fue elaborado por laboratorios Bell de los EE.UU de Norteamérica como
una variante del método IVPO [inside vapor Phase Oxidación]. El criterio se basa en la
deposición interna de un tubo de cuarzo [sílice ultra puro] de 12 x 14 x 92mm en
rotación para mantener la homogeneidad geométrica. Según se ve en la figura N°5,
una llama de oxígeno- hidrógeno a 1900°k se mueve a una velocidad de 0,35 cm/ s a
fin de crear dentro del tubo una zona de reacción. La temperatura es controlada por un
pirómetro infrarrojo.
Los reaccionantes son transportados por una corriente de 02, impulsado por una
bomba de vacío. Las reacciones son idénticas al método OVDP. El tubo de cuarzo
actúa como recubrimiento [clodding] de la fibra. Aunque, como sus dimensiones son
pequeñas con respeto a los copos depositados, para el estirado se le coloca una
capucha para adecuar las dimensiones.
La ausencia de contaminantes, como el hidrógeno, dentro de tubo de sílice, contribuye
a disminuir la atenuación por [oxidrilo]. Para prevenir la difusión de iones OH desde el
tubo de sílice hacia las copas del núcleo se deposita una gruesa capa, como barrera
para la difusión antes de proceder a la deposición de las capas del núcleo.
El perfil del índice de refracción se controlo mediante la concentración de dopantes, la
velocidad y temperatura de la llama, y la cantidad de capas creadas. La ecuación total
para la producción de la capa se divide en tres partes: reacción, deposición y síntesis.
Todas deben ser eficientes para lograr características de transmisión aceptables.
Nuevamente debe realizarse un colapso de la preforma ya que la deposición de la
capa central es difícil y no queda homogénea La solución planteada para el método
anterior es válida también para éste.
Esquema de fabricación de la preforma por el
método de MCVD.
5.6.4.- Método PCVD [ plasma Activoted vapor deposición ] [Deposición de vapor
Químico activado por plasma ]
Este método es una variante del MCVD desarrollado por los laboratorios de la Philips.
En la figura N°6 se muestra un esquema del método. La reacción de transformación
de los reaccionantes o óxidos es estimulado por un plasma no isotérmico que es el
encargado de producir la solidificación de los cloruros.
126
Elementos y Equipos Eléctricos
El método parte de un tubo de sílice por el cual circulan los reaccionantes bombeados
por una bomba de vacío y transportados por 02. El tubo se encuentra inmerso en una
cavidad resonante móvil de microondas, conectado aun generador de 2 o 3 GHz y de
100 a 500w. El tubo de sílice se lo hace rotar para obtener la simetría adecuada. La
reacción de deposición tiene lugar aún a temperatura ambiente, pero en este caso el
vidrio resulto agrietado. A fin de evitar esto se mantiene el sistema a 1300°k por medio
de una resistencia de calentamiento. La cavidad de microondas que provoca la
reacción de deposición, se transporta a lo largo de la preforma como en el caso se lo
llama del método MCVD.
La eficiencia de deposición es del 90 al 100% y la tasa de deposición es de 50 a
100um/ min. La cantidad de capas depositadas puede ser muy alta, entre 500 y 3000,
debido a que la zona de plasma puede ser movida con gran velocidad dentro del tubo.
Los gases residuales de la reacción son C12, y el exceso de 02.
La mayor ventaja del método PCVD frente al MCVD es la elevada reacción del
movimiento y la falta de inercia térmica del plasma que produce la reacción.
Hay un sistema de control en el motor que va arrollando que va trabajando a una
velocidad en función del diámetro de la fibra óptica.
Fabricación de la preforma mediante PCVD.
5.6.5.- Método VAD [Vapor Phase Axial Deposición] [Deposición axial en fase de
vapor]
El método de deposición axial en fase de vapor se desarrolló en los últimos anos en
los laboratorios de la NTT de Ibaraki, Japón. En este método la preforma crece en
dirección axial, mediante la deposición de finas partículas de vidrio sintetizados en la
fase de vapor. Como el crecimiento es axial el método resulta ser continuo, pudiendo
si se desearse realizar la preforma y el estirado en una misma línea de producción.
Esta preforma es porosa y se la consolida en una preforma transparente mediante un
anillo de calentamiento.
La figura N °7 muestra el esquema de la línea de producción.
El colapso de la preforma se realiza así en el mismo medio ambiente de producción lo
que deviene es un mejor control de la impurezas. A fin de mantener la simetría
cilíndrica la preforma es girada por un motor, el cual la levanta en la medida que crece
axialmente.
El proceso de fabricación requiere regular constantemente el flujo de material, la
temperatura de la llama, la temperatura de la superficie de la preforma, la velocidad de
rotación de la preforma con respeto a los quemadores. Fluctuaciones de estos
parámetros causan variaciones del diámetro y del perfil de índice de refracción.
Los quemadores son tubos de silicio coaxiales donde el material en fase de vapor
penetra por el tubo central y los gases de combustión [oxigeno- hidrógeno] son
provistos por el tubo exterior. La velocidad de deposición es de 0,5 a 1 g / min. Para
velocidades mayores se degrada el perfil del índice y la eficiencia de deposición que
normalmente se encuentra en el 60 a 80%. La preforma porosa tiene un diámetro de
127
Elementos y Equipos Eléctricos
50 a 70mm, mientras la preforma transparente, luego de la consolidación tiene 20 a 30
mm. Con valores así las fluctuaciones de diámetro están en el orden del 1% y las
desviaciones de circularidad de 0,05%. El largo medio de la preforma suele ser de 50
a 80 cm.
Un control fino del perfil del índice de refracción que sea comparable al logrado por el
método MCVD, es factible con la colocación de múltiples mecheros. Sin embargo, el
más importante factor de control resulta ser la temperatura, la cual determina la
concentración de Ge 02. La única contaminación de iones óxidrilo puede provenir de
los gases de combustión, pudiendo reducirse la concentración de OH a niveles
menores de 0,1 ppm.
Hay dos quemadores de grafito que trabajan a temperaturas de 1400 a 1800°k.
Método VAD
5.7.- Estirado de la preforma
Las propiedades de transmisión de las fibras ópticas, como ser la atenuación el ancho
de banda y la resistencia mecánica, dependen del proceso de estirado y de la
protección de la fibra. El estirado crea a partir de la preforma, la fibra óptica
propiamente dicha. La operación se efectúa en una unidad como el de la fig. N°8
128
Elementos y Equipos Eléctricos
Un horno con excelente control de temperatura, produce la viscosidad apropiada paras
el estirado. Las fuentes de calor en uso incluyen el láser de C02.quemadores de
oxigeno- hidrógeno, resistencias de grafito o fuentes de inducción. En el estirado por
medio de un arrollamiento en un tambor horizontal, requiere el control estricto de
velocidad y temperatura del horno. El estirado se hace posible por la tensión
superficial del vidrio. Para el caso de fibras multimodo de índice gradual el CCITT se
expidió en la recomendación G651[Ginebra].
En la medida que se produce el estirado de la fibra se enfría y tiende a oxidarse la
superficie en el medio ambiente. si no se protegiese la superficie, la oxidación
produciría una rápida degradación de las condiciones de transmisión y mecánicas.
en los vidrios comerciales el mecanismo de oxidación se suele evitar con un
sobreenfriamiento de la superficie llamado templado
En las fibras ópticas se coloca un recubrimiento primario de forma que actúa como
aislante a la oxidación, los recubrimientos que se colocan son dos capas: una de
hexametildisilazan y otra de un polímero como el acetato- etileno vinílico. En el
mercado mundial las fibras se consiguen en estas condiciones.
El fabricante que dispone de una extrusora le colocará el recubrimiento secundario y
compartirá las fibras para crear el cable de fibras ópticas.
Estirado de la preforma.
CONCLUSIÓN
129
Elementos y Equipos Eléctricos
Con respecto a las bondades de cada método de fabricación es conveniente referirse
a la contaminación con iones hidróxilo que dominan la escena actual de atenuación. El
método de MCVD reporta la más baja contaminación con 10 -9 de concentración. Los
métodos OVDP y VAD son complejos para disminuir la contaminación ya que ello
proviene directamente de la combustión de la llama. En 1980 se fabricó una fibra con
muy bajo nivel de contaminación con el método VAD, cercano a 10 - 9.
El mecanismo del doble crisol produce fibras de mayor atenuación que las fibras de
sílice por lo que se reserva para un tipo de fibra que ha de utilizarse a corta distancia.
5.8.- Pruebas Mecánicas sobre un conductor de Fibra Óptica
Si bien la primera idea que se tiene de hablar de una fibra óptica, es pensar que es un
elemento sumamente frágil, esto no es verdad. La resistencia mecánica intrínseca de
la fibra óptica es mayor que la del acero.
Lo que sucede en la práctica es que sobre la superficie de la fibra óptica aparecen
micro fisuras que rápidamente se propagan por el interior de la misma con lo cual la
robustez mecánica se ve seriamente comprometida.
Con el objeto de evaluar el desempeño de un cable de fibra óptica frente a distintas
solicitaciones mecánicas a que puedan verse sometido, los fabricantes y usuarios de
cables ópticos han desarrollado una serie de ensayos que tratan de imitar distintas
condiciones de trabajo a las que se enfrenta el cable durante la instalación. Las
distintas pruebas son:
1.
2.
3.
4.
5.
Prueba a la tracción.
Prueba de compresión
Prueba de IMPACTO
Prueba de DOBLADO
Prueba de torsión
Prueba a la Tracción
El objeto de esta prueba es verificar el comportamiento del cable durante la instalación
y determinar cual es la máxima tensión a la cual puede ser sometido el cable sin que
se afecten las propiedades de transmisión de las fibras y / o se verifique la rotura de
un de ella después de aplicarle las carga convenidas y al no producirse la rotura se le
puede realizar medición de atenuación para determinar si fueron afectadas sus
propiedades de transmisión
Equipo para la prueba de tracción
Pruebas de Compresión
130
Elementos y Equipos Eléctricos
Esta prueba se efectúa para establecer el comportamiento de un cable óptico cuando
se ve sometido al esfuerzo de compresión localizado sobre un área relativamente
grande. Se busco simular la situación que ocurriría si durante la instalación el cable es
pisado por alguna persona o algún automotor. La muestra del cable se coloca entre
dos placas metálicas, evitando que existan movimientos laterales, se aplica la carga
gradualmente hasta que se detecte la rotura y/o variación de atenuación de una fibra.
Comprimida la fibra óptica lo que se hace es inyectar una señal de luz y se mide la
atenuación en el tramo. Así cargada debe cumplir con los niveles de atenuación que
nos asegura el fabricante.
Equipo para la prueba de compresión
Prueba de Impacto
Lo que se trata de simular es que en el momento que se está instalando la fibra óptica
se caiga una herramienta sobre el mismo.
Entonces sobre un tramo de fibra óptica se le sujeta de manera tal que no tenga
movimientos laterales y con un peso se la golpea cuatro o cinco veces, se la carga el
peso un martillo de 1kg o 1,5 Kg. aproximadamente y después se mide la atenuación
de la fibra óptica, que debe comportarse según lo especificado para que esta este
correcta.
Equipo para la prueba de impacto
131
Elementos y Equipos Eléctricos
Prueba de Doblado
Esta prueba esta destinada a establecer como se comporta un cable de fibra óptica
cuando se lo somete a sucesivos doblajes, situación análoga a la que el mismo cable
se ve sometido durante la instalación. El ensayo consiste en plegar alrededor de un
mandril de diámetro 20 veces mayor al del cable unas cuantas vueltas, verificando
luego que no se haya dañado ninguna fibra ni la vaina del cable.
Fibra óptica
Prueba de Torsión
El objeto del ensayo es determinar el comportamiento del cable de fibra óptica cuando
se lo somete a una torsión, durante la instalación. Para ello se toma un trozo de fibra
óptica, se la fija por un extremo y luego se la hace rotar 180° en los dos sentidos,
hacia la izquierda y hacia la derecha. Su valor de atenuación no debe variar ni debe
romperse la cubierta de la misma.
180°
Mordaza
Mordaza
1 a 1,5 m
180°
5.9.- Medición de Parámetros de la Fibra Óptica
El acoplamiento de la luz en un conductor de fibra óptica es muy importante para la
posterior distribución de la potencia luminosa en dicho conductor, ya que la potencia
de un punto luminoso acoplado se distribuye entre cada uno de los modos en la fibra
óptica multimodo. En caso de una excitación total, se irradia con luz a todo el núcleo
del conductor, en virtud de lo cual se excitan todos sus modos, tanto de orden inferior
como superior. Dado que estos modos son atenuados con diferente intensidad a lo
largo del conductor, provocan además por intercambio de energía una mezcla de
modos que se medirá según la longitud del conductor, una distribución diferente de la
potencia luminosa y de los tiempos de recorrido. En consecuencia las condiciones en
el extremos final de un conductor de fibra óptica multimodo dependen del
acoplamiento de la luz en el comienzo, de su excitación es total o no y de la mezcla
de modos durante el recorrido.
En las fibras multimodo es indispensable definir un método de acoplamiento de la luz
para obtener métodos de medición exactos, para ello se considera que después de
132
Elementos y Equipos Eléctricos
cierta longitud del conductor, la intensidad con la cual se mezclan los modos establece
un estado estacionario de modos a partir del cual la distribución de la energía entre los
distintos modos se mantiene constante. Resulta muy importante medir los parámetros
de transmisión en el estado estacionario, el cual técnicamente puede ser alcanzado de
diferentes maneras. Una de ellas consiste en acoplar la luz del conductor bajo
medición con ayuda de una fibra de referencia, en la cual debido a su longitud ya ha
sido alcanzado el estado estacionario, dado que este se alcanza después de una
longitud considerable, las fibras de referencia deberían ser de un largo considerable.
Ello se evita produciendo en un conductor de fibra corto un fuerte acoplamiento de
modos por medio de perturbaciones mecánicas irregulares. Estos tramos se
denominas mezcladores de modo, y se pueden lograr por efecto de presionar un tramo
de fibra óptica lo sobre una superficie áspera, como una lima, una tela esmeril, etc. o
curvándolo en torno de pequeñas esferas. Una intensa mezcla de modos se logra
también empalmando, sucesivamente tramos de 1 o 2 m de longitud de conductor de
fibras que tengan perfil escalonado y gradual, o sea 1 tramo de perfil gradual de 1 o 2
m, otro de perfil escalonado de 1 o 2 m y así en forma alternativa, dos o tres tramos
diferentes de 1 o 2 m de longitud. Se utiliza un filtro de modos si en un acoplamiento
resulta necesario suprimir los modos de orden superior. Para confeccionar un filtro de
estas características se arrolla el respectivo conductor de fibra alrededor de una forma
cilíndrica con un diámetro aproximado de 1 cm. Suprimiendo de esta forma los modos
de orden superior.
En general se puede decir que un mezclador de modos se utiliza para excitar a todos
los modos y un filtro de modos en cambio para limitar dicha excitación a determinados
modos.
Además de estos medios mecánicos para obtener un estado estacionario también se
utilizan, frecuentemente medios ópticos auxiliares. Se pueden evitar los problemas con
modos fugados y modos en el recubrimiento si se excitan únicamente los modos de
orden inferior.
5.9.1.- Atenuación
La luz que se propaga por un conductor, experimenta una atenuación, perdida de
energía. Para cubrir grandes distancias sin emplear repetidoras intermedios es
necesario mantener estas perdidas en un mínimo posible.
Las magnitudes de estas perdidas dependen entre otros factores de la longitud de
onda acoplada, por ello generalmente es útil medir la atenuación de un conductor de
fibra óptica en función de la longitud de onda. La mezcla de los modos, en la
transmisión, es otra de las causas que produce atenuación en la fibra óptica.
Otro de los factores que produce atenuación en la fibra óptica, la incorporación o
agregado involuntario cuando se fabrica el cristal de cuarzo del grupo oxidrilo que
produce absorción para determinadas longitudes de onda, 13300 nm., la pérdida
luminosa por dispersión existe para todas las longitudes de onda. Estas dispersiones
se producen por in homogeneidades en la fibra, cuyas dimensiones son por lo general
menores que la longitud de onda. Se puede utilizar para determinar estas perdidas con
buena aproximación la Ley de la Dispersión de Rayleigh, que indica que a medida que
aumentan las longitudes de onda, las perdidas por dispersión decrecen con la cuarta
1
4
potencia
Si se comparan las perdidas por dispersión en longitudes de onda preferidas para
telecomunicaciones ópticas 850,1300 y 1550 nm. Se observará que a 1300 nm. Las
perdidas ascienden a solo el 18 % y a 1550 al 9% del valor que tenían a 850 nm.
133
Elementos y Equipos Eléctricos
Si se observa la propagación de la luz, en un conductor de fibra óptica en estado
estacionario se verificará que la potencia luminosa P conducida decrece en forma
exponencial con la longitud del conductor.
PLf
PLo .10
L
10
PLo Potencia luminosa al comienzo del conductor
PLf Potencia luminosa a una longitud L del conductor
ɑ Coeficiente de atenuación dB/Km.
L longitud del conductor
Métodos de medición
Los métodos de medición de la atenuación utilizados son el método de corte y el
método de inserción.
Métodos de Corte
En el método de corte se determina la potencia lumínica en dos puntos L1 y L2 del
conductor de fibra óptica, estando habitualmente L2 en el extremo del conductor y L1
al comienzo del mismo. Cuando se realiza la medición se mide primero la potencia
lumínica en el extremo L2 del conductor y luego para realizar la medición en L1 se
debe realizar un corte en el conductor sin afectar las condiciones del acoplamiento
entre la fuente luminosa y el conductor de fibra óptica. El coeficiente de atenuación
para el conductor de fibra óptica se calcula con la expresión
10
L2
L1
log
P( L1 )
P( L2 )
PL2 potencia lumínica en el extremo
PL1 potencia lumínica en el inicio del conductor
Este método es destructivo ya que es necesario realizar un corte en el conductor de
fibra, lo cual no tiene sentido en cables preconfeccionados.
En este caso es más ventajoso el método de inserción, en el cual se determina la
potencia luminosa en el extremo del conductor bajo medición para después
compararla con la potencia luminosa en el extremo de un tramo corto de conductor de
referencia que debe tener las mismas características y conformación que el conductor
que se esta midiendo. Cuando se efectúa la medición se debe verificar que las
condiciones de acoplamiento al tramo de referencia sean en lo posible similares a los
del conductor bajo mediciones. A causa de estas restricciones son menos exactas las
mediciones efectuadas con el método de inserción que con el método de corte.
En el método de medición de la atenuación por transmisión de la luz, esta se acopla al
principio y finalmente se la mide en el extremo. Se puede considerar como desventaja
de este método que la medición se efectué en forma de sumatoria sobre el largo del
conductor, sin que se obtenga ninguna información adicional sobre como varían las
atenuaciones a lo largo del conductor.
db
134
Elementos y Equipos Eléctricos
Km.
Métodos de Retrodispersión
Con el método de retrodispesión, la luz se acopla y se recibe en el mismo extremo del
conductor, por medio de este método se puede obtener información mas detallada
acerca de la variación de la atenuación a lo largo del conductor bajo medición.
Este método se basa en la dispersión de Rayleigh, mientras que una fracción principal
de la potencia lumínica se propaga hacia el extremo del conductor, una pequeña se
dispersa retornando hacia el emisor. Esta potencia luminosa retrodispersada
experimenta a su vez una amortiguación en el trayecto de retorno.
La luz remanente que llega al principio del conductor se desacopla y se mide. Con la
potencia, el tiempo de recorrido en el conductor es posible realizar un diagrama del
cual se desprendan las variaciones de la atenuación a lo largo del conductor.
Si el coeficiente de atenuación, y el factor de retrodisperción son constantes a lo largo
del conductor, se obtendrá una curva exponencial decreciente desde el comienzo
mismo.
A causa del salto del índice de refracción al principio y al final del conductor, se
retrodispersa allí una gran proporción de potencia lumínica, que produce un pico al
principio y al final de la curva. La diferencia de tiempos Δt entre ambos picos, la
velocidad de la luz en el vacío y el índice de refracción del grupo en el núcleo permiten
calcular la longitud L del conductor de fibra.
L = Δt c0 / ng
Donde L = longitud del conductor, Δt diferencia de tiempos entre el pico del pulso
inicial y final en segundos,
c0
velocidad de la luz en el vacío y
ng índice de
refracción del grupo de ondas en el núcleo.
El coeficiente de atenuación
ɑ de un tramo parcial del conductor de fibra desde L1
hasta L2 se calcula:
5
L2
L1
log
P ( L1 )
P ( L2 )
Si se compara con la expresión obtenida por la de la transmisión de la luz, en la
presente el factor 5 se debe a que la luz recorre el conductor dos veces. Esta ecuación
es valida a condición de que el factor de retrodispersión, la apertura numérica y el
diámetro del núcleo del conductor no varíen a lo largo del conductor. Al no ser
posible asegurar la invariabilidad de esos factores, se recomienda efectuar una
medición desde cada punta del conductor y luego promediar los valores. A causa que
la potencia retrodispersada es relativamente débil son mayores las exigencias a que
debe ajustarse la sensibilidad de los receptores, instrumentos llamados reflectometros
135
Elementos y Equipos Eléctricos
o puesto de medición de la retrodispersión. Con esta medición además de determinar
el coeficiente de atenuación, se puede verificar la localización de todos los puntos de
discontinuidades, perdidas ópticas en empalmes o empalmes.
Espejo
Emisor
Fibra Optica
Equipo de
evaluación
Detector
El montaje del equipo de medición se formado por un emisor de luz que lo acoplo a la
fibra óptica, un espejo, que permite el paso de la luz en un sentido y desacopla el rayo
de luz retrodispersado, y lo desvía
al elemento de medición Ej. ponemos un
osciloscopio, para ver la forma de onda que tiene esa luz que vuelve
Diagrama de la variación de la atenuación a lo largo de todo el conductor.
Potencia retrodispersada
L1
L
L2
L (long del conductor)
A causa del salto del índice de refracción al principio y al final del conductor de FO, se
retrodispersa, una gran proporción de potencia luminica que produce un pico al
principio y otro al final de la curva. Con la diferencia de tiempos entre ambos picos, la
velocidad de la luz en el vacío y el índice efectivo de refracción del grupo en el núcleo
(ng) se puede calcular la longitud del conductor.
Este primer pico que se produce, es porque cuando llega la luz a la Fibra Óptica se
produce una fuerte dispersión. Hay un fuerte rebote de energía, entonces me va ha
136
Elementos y Equipos Eléctricos
dar un pico (L1) que me está indicando, que allí está el comienzo de la fibra óptica,
estos saltos o estas fuertes atenuaciones están indicando empalmes o imperfecciones
en el conductor.
5.10.- Ancho de Banda
El ancho de banda constituye una medida del comportamiento dispersivo de la luz.
Cuando a una F.O. se le inyecta un pulso que está modulado, debido a la mezcla de
modos, y a medida que se propaga a lo largo del conductor se va ensanchando,
incrementando su duración a causa de la dispersión. Ese ensanchamiento que se
produce lo que está haciendo, es producir un quite de espacio para transmitir otras
señales (demora el viaje de la señal)
t
t+
t
Metodología de Medición del Ancho de Banda
Obtención del Ancho de Banda midiendo frecuencias
Si este efecto se traslada al campo de las frecuencias el conductor de FO se comporta
como un filtro pasa bajo o sea a medida que se aumenta la frecuencia, comienza a
suprimir los modos, responde a la ley gaussiana que dice que cuando el coeficiente de
atenuación
de a,5 de la potencia de una onda , que es el ancho de banda , se
asemeja la F.O. a un filtro pasa bajo y de allí se dice que la función de transferencia
está dada por la atenuación. . Por ello a medida que aumenta la frecuencia de
modulación luego, decrece la amplitud de una onda luminosa hasta quedar anulada. El
conductor deja pues pasar señales con baja frecuencia y las atenúa a medida que
aumentan éstas.
Por ejemplo, supongamos que el conductor es atravesado por una onda luminosa que
podemos suponer formada por dos ondas, una de alta frecuencia y la otra de baja
frecuencia. La primera sufrirá una pérdida de potencia luminosa (y disminución de la
amplitud) por dispersión mayor que la segunda.
Lo que se hace es medir el ancho de banda de una Fibra Óptica a un valor de
frecuencia de modulación (fm) con una potencia inicial, utilizo un emisor que emita luz
o una potencia de luz conocida a una determinada frecuencia y la inyecto a la F.O., leo
que potencia sale del extremo de la misma a esa determinada frecuencia.
Si por cada frecuencia de modulación se miden las potencias luminosas al comienzo
P1 y al final P2 del conductor, se obtiene al establecer la relación de ambas el valor de
la función de la transferencia.
H( fm )
137
P2 ( fm )
P1( fm )
Elementos y Equipos Eléctricos
Para esta frecuencia de modulación (fm), se tiene una frecuencia portadora (f0),es una
frecuencia sin modular o sea sin pulsos.
Una vez que obtuve la función de transferencia de la Fibra Óptica en función de la
frecuencia modulada
P2 ( fm )
P1( fm )
H( fm )
lo que se hace es tomar la función de transferencia de la Fibra Óptica sin modular o
sea a la frecuencia portadora.
H ( fo )
P2 ( fo )
P1( fo )
La relación de la función de transferencia (fm) y la función de transferencia sin modular
(f0), se la denomina función de transferencia normalizada
H fm
H fo
Habitualmente se normaliza al valor de la función de transferencia dividiéndolo por
H(fo), que corresponde a la función de transferencia cuando no hay modulación.
H fm
H0
0,5
3dB/km
frecuencia de modulación
Función de transferencia de un conductor de FO
El ancho de banda es aquella frecuencia de modulación a la cual la potencia luminosa
comparada con el valor que tiene a frecuencia nula, decae ópticamente en un 50% o
sea 3 db.
Consiste en medir la potencia lumínica que llega al extremo receptor de un conductor
de FO habiéndose inyectado en su principio, por medio de un transmisor, una potencia
lumínica modulada en amplitud con una frecuencia fm que se incrementa
continuamente. Con los resultados de estas mediciones y utilizando las expresiones
precedentes se puede calcular el ancho de banda.
Este método es muy apto para la medición en conductores de Fibra Óptica ya
instalados.
Medición del ancho de banda en el ambito del tiempo
138
Elementos y Equipos Eléctricos
Las mediciones en el ámbito del tiempo se efectúan analizando el ensanchamiento de
los pulsos ocasionados por los defectos de la dispersión en el conductor de fibra
óptica. Para efectuar esta medición se acopla un pulso de corta duración, valor típico
100 ps. , al conductor bajo observación. Este pulso entrante al propagarse por el
conductor se ensancha a causa de la dispersión modal, razón que a la salida el pulso
resultante actúa sobre un fotodiodo y se mide su tiempo de duración. En base de los
datos almacenados de los pulsos de entrada y de salida t1 y t2 es posible calcular por
integración la duración efectiva de los pulsos. Con estos valores redetermina el
ensanchamiento efectivo del pulso con la siguiente expresión
t 22
t ef
t12
y el valor aproximado del ancho de banda con:
B
0,441
t ef
En esta expresión aproximada se han asumido pulsos gausianos, sin tener en cuenta
la estructura real de los mismos salvo su duración efectiva.
5.11.- Dispersión cromática
La dispersión en el material Mo da una medida del índice de refracción de grupo
ngases para diferentes longitudes de onda y se le calcula derivando a dicho índice con
respecto a la longitud de onda:
Mo
1 d ng
c d
1 d tg
L d
5.12.- Longitud de onda límite
Se define como longitud de onda límite, la mínima longitud de onda de servicio la cual
es capaz de propagarse solamente el modo fundamental. Por encima de esa longitud
desaparece el siguiente modo de orden superior y por debajo se le agregan otros
modos.
Por lo tanto el conductor de FO se comporta como:
Multimodo
Monomodo
< lim
> lim
Método de medición para variación de curvatura
139
Elementos y Equipos Eléctricos
Consiste en medir espectralmente la potencia lumínica en un tramo de conductor de
FO:
- Primero, con el conductor mas extendido posible (p > 130mm)
- Luego, formando una espira alrededor del mandril de 30 mm de diámetro.
Con los valores medidos se calcula la atenuación producida por la espira en función de
la longitud de onda lo cual se gráfica.
Se obtienen varios máximos pronunciados de la atenuación con flancos abruptos hacia
las mayores longitudes de onda, que señalan las lim de los modos inferiores.
La lim será aquella a la cual el flanco del máximo de mayor longitud de onda
desciende por debajo de un valor de 0,1 dB en la atenuación.
dB
0,1
dB
llimite
Determinación de la longitud de onda límite
140
.