Uniones en semiconductores

Física del estado sólido
Uniones en semiconductores
Comunicaciones: fibras ópticas
Introducción
En la actualidad vivimos en un mundo lleno de información, que ya es parte inseparable de nuestra cultura.
La televisión, la telefonía móvil y las comunicaciones satelitales son medios que permiten tener acceso a la
información de manera rápida para mantenernos comunicados en cualquier momento. Sin embargo, existe un
medio que, se puede decir, es el centro mundial de la información, donde prácticamente todo es posible; este
medio es la Internet. Este medio se ha convertido en los últimos tiempos en un banco de datos e información
al que cualquier persona con una computadora personal, un modulador-demodulador (módem) y una línea
telefónica, por ejemplo, puede tener acceso, y obtener tanta información como desee de manera sencilla y
rápida desde su hogar. Para ello ha sido necesario desarrollar un nuevo medio para transmitir la información,
capaz de transferir los datos de una manera más eficaz, rápida y accesible para un gran número de personas.
Este medio es la fibra óptica.
Reflexión total interna
Antes de explicar directamente qué es la fibra óptica, es conveniente resaltar ciertos aspectos básicos de
óptica. La luz se mueve aproximadamente a 300.000 km/s en el vacío; sin embargo, cuando se propaga por
cualquier otro medio, la velocidad es menor. Así, cuando la luz pasa de un cierto medio a otro, su velocidad
cambia, y sufre efectos de reflexión y de refracción.
En la figura 1 se muestra el caso en que la luz pasa de un medio de índice de refracción n1 a otro medio
de índice de refracción n2 menor. A medida que se aumenta el ángulo de incidencia θ, los rayos refractados
se van desviando de la normal hasta que se llega a un cierto ángulo de incidencia crítico θc en donde el
rayo sale rasante sobre la superficie. Para ángulos de incidencia mayores que este ángulo no existen rayos
refractados y ocurre lo que se conoce como reflexión total interna.
El ángulo crítico se encuentra cuando el ángulo refractado θ2 = 90º; entonces, de la ley de Snell se tiene
que:
n1sen ic = n2 sen 90
n
sen ic = 2 .
n1
0
(a)
n2
ic
n1
n1 > n2
Figura 1. Reflexión total interna.
Es importante anotar que la reflexión total interna es más eficiente para la reflexión de la luz que un espejo
metálico convencional.
Fibra óptica
La fibra óptica básica es una estructura cilíndrica por la cual se propagan las ondas de luz (ópticas). Esta
estructura está formada por un núcleo en el centro y una capa de recubrimiento externo (cladding), como
se muestra en la figura 2. El núcleo es un cilindro dieléctrico flexible con índice de refracción n1, y el recuUniversidad de Antioquia-Facultad de Ingeniería-Programa de educación a distancia —Ude@—
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brimiento es una funda dieléctrica también flexible con un índice de refracción menor n2. El conjunto está
rodeado por un material plástico protector.
n1 > n2
Protector
Recubrimiento
n2
n1
Núcleo
Figura 2. Fibra óptica.
En la interfase entre los dos medios para n1 > n2 y para un ángulo crítico de incidencia de la luz, ésta sufre
una reflexión total interna y, como consecuencia, se transmite a lo largo del núcleo.
La fibra óptica es, en esencia, un portador de información óptica, y uno de los parámetros importantes
de un sistema basado en fibra óptica es la eficiencia con la cual la luz se acopla a la fibra desde una fuente.
Este parámetro se conoce como apertura numérica (NA). Es un parámetro que da idea de la cantidad de luz
que puede ser guiada por una fibra óptica. Por lo tanto, cuanto mayor es la magnitud de la apertura numérica
de una fibra, mayor es la cantidad de luz que puede guiar, o, lo que es lo mismo, más cantidad de luz se
acepta en su núcleo.
En la figura 3 se ilustra cómo hallar el ángulo de aceptación con la que debe entrar la luz a una fibra para
que se dé la reflexión total, y la NA de ésta.
n2
n0
α
i1
i0
n1
n2
Figura 3. Esquema de una fibra óptica.
De la ecuación (a) se tiene que
De la identidad
sen ic = n2 . Por lo tanto, sen i1 $ nn21 .
n1
cos 2 i1 + sen 2 i1 = 1 , se tiene que:
2
1
cos i1 # c1 - n 22 m n1
2
(b)
De acuerdo con la ley de Snell, se tiene que:
n0 sen i0 = n1 sen a = n1 sen (r/2 - i1) = n1 cos i1
2 1/2
n0 sen i0 < n1 c1 - n 22 m = n1 ^n12 - n 22h1/2 = ^n12 - n 22h1/2,
n1
n1
(c)
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donde
n0 sen i0 / NA ; por lo tanto, se define como el máximo ángulo de aceptación a:
iA = sen- 1 ; 1 ^n12 - n22h E . n0
1
2
(d)
Cuando el ángulo de incidencia de la luz es mayor que el ángulo de aceptación, el rayo no se puede propagar dentro de la fibra óptica. En la figura 4 se muestra el cono de aceptación. La radiación incidente dentro
de él se propaga por la fibra, pero la radiación por fuera no se propaga; por lo tanto, para enviar una señal
óptica externa es necesario acoplar ésta con la fibra. El cono de aceptación está directamente asociado a los
materiales con los cuales la fibra óptica ha sido construida.
La clave del éxito para que una señal se propague eficientemente en comunicaciones es la construcción
de dispositivos óptimos, tanto de emisión como de propagación y de recepción.
Cono de
aceptación
Punto de
refracción
Eje de la
fibra
Rayo
propagado
por la fibra
Rayo no
propagado por la
fibra
Figura 4. Diagrama del cono de aceptación.
Tipos de fibras ópticas
Las fibras tienen varias clasificaciones basadas en el perfil del índice de refracción y del tamaño del núcleo, el cual determina cuántos modos de onda óptica se pueden propagar en una fibra. Y según el modo
de propagación, se tienen dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo. La fibra multimodo es aquella
en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos
a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo
se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores de 1 km; son simples de diseñar y son
económicas. Su distancia máxima es de 2 km y usan diodos láser de baja intensidad. El núcleo de una fibra
multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud que el revestimiento.
Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene mayor tolerancia
a componentes de menor precisión. Dependiendo del tipo de índice de refracción del núcleo, se tienen dos
tipos de fibra multimodo:
a. De índice escalonado, que es un tipo de fibra donde el núcleo tiene un índice de refracción constante
mayor que el de la cubierta que lo rodea en toda la sección cilíndrica y tiene alta dispersión modal (figura 5).
El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por lo tanto una variación brusca del índice, y de ahí
su nombre de índice escalonado.
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Índice de
refracción
Señal de
entrada
Revestimiento
Señal de
salida
n
Nucleo
Revestimiento
Figura 5. Fibra multimodo escalonada.
b. De índice gradual, que es un tipo de fibra donde el índice de refracción en el núcleo no es constante y
decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta; además, tiene menor dispersión modal. Los
rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en la figura 6. Estas
fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de
la fibra. En esta fibra los rayos de luz viajan a distintas velocidades, de tal manera que aquellos que recorren mayor distancia se propagan más rápido, reduciendo así la dispersión a la salida de la fibra. Para
lograr ese índice de refracción gradual las fibras se construyen de diferentes materiales.
Índice de
refracción
Señal de
entrada
Revestimiento
Señal de
salida
n
Nucleo
Revestimiento
Figura 6. Fibra multimodo gradual.
Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el
diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño de 8.3 a 10 micrones, que sólo permite un modo de propagación. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias
(hasta 100 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información
(decenas de Gb/s). Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de
instalar por lo que resulta más complicado el acoplamiento de la luz. La tolerancia de los empalmes y de
los conectores con ella es más estricta. La figura 7 muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que
tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de “monomodo” (modo
de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo del mismo
orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8
µm. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta,
entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado.
Índice de
refracción
Señal de
entrada
Revestimiento
Señal de
salida
n
Nucleo
Revestimiento
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Figura 7. Fibra monomodo.
Comunicación óptica
La principal ventaja del sistema de comunicación óptica proviene de las propiedades de la fibra óptica, que
es el medio empleado para transmitir información. En la figura 8 se ilustra un diseño típico de sistema de
comunicaciones optoelectrónicas. La información que se va a transmitir (datos, voz, etc.) se codifica primero sobre una señal óptica. Esto requiere de un controlador o modulador adecuado y de una fuente óptica
(diodo). La señal emitida se acopla a una fibra óptica. A medida que la señal se propaga a lo largo de la fibra,
en algún estado debe ser conmutada a otros canales. Para esto se necesitan elementos de conmutación apropiados. Una vez que los datos han alcanzado el punto deseado, son registrados por un detector óptico, en
este caso un fotodiodo. La señal generada es amplificada y recibida. En los sistemas reales, la señal óptica
se atenúa a medida que se propaga; por lo tanto, se requieren regeneradores o amplificadores de la señal.
Entrada de
información
Codificador
Analógico
Fibra óptica
Diodo
Fotodiodo
Salida de
información
Analógico
Decodificador
Figura 8. Esquema de comunicación óptica.
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