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La fibra óptica. Cables. Aplicaciones.

Las fibras ópticas están llamadas a operar en una amplia variedad de condiciones. Algunas de ellas deben llevar grandes volúmenes de datos a través de muchos kilómetros, mientras que otras llevan cantidades más pequeñas de datos dentro de un mismo edificio de oficinas o a bordo de un barco. El tipo de trabajo que una fibra óptica hará determina el tipo de fibra que usted elige funcionar. Es importante entender los tipos de fibras que están disponibles y la forma en que se construyen de modo que usted pueda seleccionarlas y utilizarlas de manera adecuada.

Estructura básica de una fibra óptica

La estructura básica de una fibra óptica se compone de tres partes: el núcleo, el revestimiento, y el forro. La estructura básica de una fibra óptica se muestra en la figura 1. El núcleo es una varilla cilíndrica de material dieléctrico. El material dieléctrico no conduce la electricidad. La luz se propaga principalmente a lo largo del núcleo de la fibra. El núcleo está hecho generalmente de vidrio. El núcleo se describe como que tiene un radio y un índice de refracción n1. El núcleo está rodeado por una capa de material llamado el revestimiento. A pesar de que la luz se propagará a lo largo del núcleo de la fibra sin la capa de material de revestimiento, el revestimiento realiza algunas de las funciones necesarias para la transmisión.

 Figura 1. - Estructura básica de una fibra óptica.

 

La fibra óptica estándar de hoy es el producto de las técnicas de fabricación de precisión y las normas más exigentes. No nos engañemos: a pesar de que se encuentra en casi todos los enlaces datos o de comunicaciones, la fibra óptica es un instrumento bien afinado que requiere mucho cuidado en su producción, el manejo y la instalación.

Como se muestra en la figura 1, una fibra óptica típica comprende tres componentes principales: el núcleo, que lleva la luz, el revestimiento, que rodea el núcleo con un índice de refracción menor y que contiene la luz, y el recubrimiento o forro, que protege la frágil fibra en el interior.

La capa de revestimiento está hecha de un material dieléctrico con un índice de refracción n2. El índice de refracción del material de revestimiento es menor que el del material del núcleo. El revestimiento está hecho generalmente de vidrio o plástico. El revestimiento realiza las siguientes funciones:

  • Reduce la pérdida de la luz desde el núcleo hacia el aire circundante
  • Reduce la pérdida de dispersión en la superficie del núcleo
  • Protege la fibra de la absorción de contaminantes de la superficie
  • Añade resistencia mecánica

Para una protección adicional, el revestimiento está encerrado en una capa adicional llamada forro, o recubrimiento. El forro es una capa de material utilizado para proteger una fibra óptica de los daños físicos. El material utilizado para un forro es un tipo de plástico.

Además de factores tales como la construcción, materiales, y el tamaño, las fibras ópticas tienen ciertas características de rendimiento o de funcionamiento que las definen. Estas características pueden describir limitaciones o características de la fibra con respecto a su capacidad de transporte de luz en diversas condiciones, y en general se ven afectados por sus propiedades físicas.

El forro es de naturaleza elástica y evita abrasiones. El forro también evita las pérdidas de dispersión de la fibra óptica causadas por microcurvaturas. Las microcurvaturas ocurren cuando se coloca una fibra óptica en una superficie áspera y distorsionada.

Propagación de la luz a lo largo de la fibra

El concepto de propagación de la luz, la transmisión de la luz a lo largo de una fibra óptica, puede ser descrito por dos teorías. De acuerdo con la primera teoría, la luz se describe como un simple rayo. Esta teoría es la teoría de rayos, o el enfoque de la óptica geométrica. La ventaja del enfoque de rayos es que se obtiene una imagen más clara de la propagación de la luz a lo largo de una fibra. La teoría de los rayos se utiliza para aproximar la aceptación y propiedades de guía de haz de luz de las fibras ópticas.

Fig. 2 Rayos incidentes, perdidos y propagados a través de un fibra óptica.

Dos tipos de rayos pueden propagarse a lo largo de una fibra óptica. El primer tipo se llama rayos meridionales. Los rayos meridionales son rayos que pasan a través del eje de la fibra óptica. Los rayos meridionales se utilizan para ilustrar las propiedades básicas de transmisión de las fibras ópticas.

Los rayos meridionales se pueden clasificar como rayos dependientes o independientes.  Los rayos dependientes permanecen en el núcleo y se propagan a lo largo del eje de la fibra. Los rayos dependientes se propagan a través de la fibra por reflexión interna total. Los rayos independientes se refractan hacia fuera del núcleo de fibra. La figura 2 muestra un posible camino tomado por los rayos dependientes e independientes en una fibra de salto de índice. El núcleo de la fibra de salto de índice tiene un índice de refracción n1. El revestimiento de un índice de paso tiene un índice de refracción n2, que es más bajo que n1. La figura 2 asume que la interfaz núcleo-revestimiento es perfecta. Sin embargo, las imperfecciones en la interfaz núcleo-revestimiento harán que parte de los rayos dependientes sean refractados hacia fuera del núcleo en el revestimiento. Los rayos de luz refractada en el revestimiento eventualmente escaparan de la fibra. En general, los rayos meridionales siguen las leyes de la reflexión y la refracción.

El segundo tipo se llama rayos oblicuos. Los rayos oblicuos son rayos que viajan a través de una fibra óptica sin pasar a través de su eje.

De acuerdo con la segunda teoría, la luz es descripta como una onda electromagnética. Esta teoría es el enfoque de la teoría de modo o representación de onda. La teoría de modo describe el comportamiento de la luz dentro de una fibra óptica. La teoría de modo es útil en la descripción de las propiedades de absorción, la atenuación y la dispersión de las fibras ópticas.

Conexiones de fibra óptica

La fibra óptica realiza tres funciones básicas. En primer lugar, el transmisor de enlace de datos convierte una señal de entrada eléctrica en una señal óptica. Luego, la fibra óptica transmite esta señal óptica. Por último, el receptor de enlace de datos convierte la señal óptica en una señal eléctrica idéntica a la entrada original.

Se describe aquí cómo la potencia óptica se transfiere de un componente de fibra óptica a otro. Se describe aquí cómo una fuente óptica envía potencia óptica dentro de una fibra, así como la forma en que una fibra óptica acopla luz a otra fibra. En el diseño del sistema de fibra óptica, esta puesta en marcha o acoplamiento de la potencia óptica de un componente al siguiente es importante.

Las conexiones de fibra óptica permiten la transferencia de la potencia óptica de un componente a otro. Las conexiones de fibra óptica permiten también que los sistemas de fibra óptica sean más que simples enlaces punto a punto de comunicación de datos. De hecho, los enlaces de datos de fibra óptica son a menudo de un diseño más complejo que los enlaces de datos punto-a-punto.

Un sistema de conexión podrá requerir o bien un empalme de fibra óptica, conector o acoplador. Un tipo de sistema de conexión es una conexión permanente hecho mediante empalme de fibras ópticas juntas. Un empalme de fibra óptica permite una articulación permanente entre dos fibras o dos grupos de fibras. Hay dos tipos de empalmes de fibra óptica, empalmes mecánicos y empalmes de fusión. A pesar de que la eliminación de algunos empalmes mecánicos es posible, estos están destinados a ser permanentes. Otro tipo de conexión que permite la reconfiguración del sistema es un conector de fibra óptica. Los conectores de fibra óptica permiten la fácil conexión y desconexión de las fibras ópticas. Los conectores de fibra óptica a veces se parecen a los enchufes eléctricos y tomas de casas familiares. Los sistemas también pueden dividir o combinar señales ópticas entre las fibras. Los acopladores de fibra óptica distribuyen o combinan señales ópticas entre las fibras. Los acopladores pueden distribuir una señal óptica de una sola fibra en varias fibras. Los acopladores también pueden combinar las señales ópticas a partir de varias fibras en una sola fibra.

Todo cuenta ...

Si alguna vez ha puesto atención en su cuenta bancaria y se preguntó donde salió todo, usted tiene alguna idea de por qué es importante entender las características de la fibra con gran detalle.

Es probable que, cuando se tomó otra mirada a su cuenta, usted recordó que algunos de los gastos correspondieron a las necesidades, algunos a entretenimiento, algunos de los cargos por servicios, y así sucesivamente. Estos no todos se gastan a la vez: se gastaron poco a poco, en muchos lugares diferentes. Cualquier gasto solo puede haber pasado sin pena ni gloria, pero con el tiempo todos esos gastos se suman a una cantidad significativa.

Este es típicamente el destino de la luz a medida que pasa a través de una fibra óptica. Al momento en que alcanza el otro extremo, ésta se ve disminuida en varias formas, más notablemente en su potencia y su capacidad para llevar una señal.

Las pérdidas de conexión de fibra óptica pueden afectar el rendimiento del sistema. Una pobre preparación de los extremos de la fibra y la mala alineación de la fibra son las principales causas de la pérdida de acoplamiento. Otra fuente de pérdida de acoplamiento son las diferencias en las propiedades ópticas entre las fibras conectadas. Si las fibras conectadas tienen diferentes propiedades ópticas, tales como diferentes aperturas numéricas, de diámetros de núcleo y de revestimiento, y de perfiles de índice de refracción, entonces las pérdidas de acoplamiento pueden aumentar.

Aplicaciones

Termómetros infrarrojos con fibra óptica

Las fibras ópticas encuentran principalmente su uso en las áreas siguientes:

  • Se emplean ampliamente para detectar la temperatura en regiones peligrosas e inseguras.
  • Además, se aplican en situaciones en las que no es factible el uso de sensores de temperatura convencionales. Por ejemplo, en la medición de la temperatura de los bobinados de aceite de alta tensión del transformador de alimentación refrigerado cuyo voltaje máximo es de alrededor de 500 kV. En estas condiciones, el uso de sensores cableados convencionales puede resultar peligroso para la salud de la persona que maneja el dispositivo de medición. Además, los sensores convencionales sin contacto no se pueden utilizar debido a que los  bobinados están encerrados dentro del transformador y no son detectables. Por lo tanto, el uso de sensores de temperatura de fibra óptica resulta ser la opción obvia y la son la única opción para hacer frente a estas situaciones.
  • Son muy útiles para medir la temperatura en el caso de producciones de metales básicos y vidrio. Por otra parte, pueden ser empleados en los métodos preliminares de conformado en caliente de estos materiales.
  • En el campo de la generación de energía, son normalmente empleados para la medición de la temperatura de llamas de quemadores de la caldera o tubos y áreas vitales de turbina.
  • También se instalan en áreas de plantas fabricadas de metal, por ejemplo, líneas de laminación de acero, etc., debido a su capacidad para soportar las condiciones rigurosas presentes en estas áreas.
  • También se emplean en las industrias de semiconductores para las actividades relacionadas con la fusión, pulverización catódica, y el crecimiento de cristales.
  • Técnicas avanzadas se han desarrollado para el dopaje de la fibra óptica que les permitan trabajar directamente como emisores de radiación en los puntos calientes. De esta manera pueden funcionar como dispositivos de detección y los medios de comunicación también.

Otras aplicaciones típicas de los sensores de temperatura de fibra óptica incluyen:

  • Todos los tipos de hornos
  • Procesos de sinterización
  • Hornos y calderas
  • Las operaciones automatizadas de soldadura
  • Acciones de procesamiento de cemento, industrias de refractarios y químicas que implican altas temperaturas
  • Actividades de procesamiento de procesamiento de plásticos, fabricación de papel y alimentos que requieran temperaturas bajas
  • Equipos de soldadura y recocido que producen fuertes perturbaciones eléctricas

Los sensores de fibra óptica ofrecen inmunidad completa a la radio frecuencia y la radiación de microondas con capacidad de funcionamiento a alta temperatura, por lo que se pueden utilizar para la medición en los pacientes y materiales en un escáner de resonancia magnética (MRI). Los sensores metálicos pueden producir errores en la adquisición de imágenes. Para el tratamiento del cáncer sensores especiales con un diámetro de 0,5 mm están disponibles. Estos pueden ser usados ​​en forma minimamente invasiva para el monitoreo de la temperatura del tejido. Otra aplicación de la técnica de medición óptica de fibra es la terapia con láser. A través de un endoscopio se acopla energía láser y la temperatura se mide a través de una sonda de fibra óptica en la ubicación de la terapia. 

Ambiental

Las áreas industriales están a menudo contaminadas en el suelo por compuestos orgánicos tóxicos y persistentes de petróleo. Para limpiar estos campos se utiliza con frecuencia un sistema de calefacción del suelo mediante ondas de radio . Sensores ópticos de fibra se instalan para el seguimiento y control de este proceso. Un generador de alta potencia entregará energía en el rango de frecuencia de radio. El suelo contaminado se cubre con electrodos, que calentaran la superficie dieléctrica. Además, varias sondas de fibra óptica se colocan en el suelo. Dependiendo del valor de medición diferentes valores de temperatura y distribución de la temperatura pueden medirse en el suelo. Dependiendo del nivel de contaminación la temperatura se aumentará ligeramente para activar una mayor descomposición de los organismos del suelo, alternativamente, el agua del suelo se condensará en un rango de temperatura de hasta 150°C junto con las contaminaciones orgánicas no resistentes al vapor. Un sistema de perforación del suelo para extracción de aire saca y aleja los vapores y les hace recircular en un sistema de filtro. 

Entornos Químicos y Petroquímicos

Las sondas de temperatura de fibra óptica están diseñadas para soportar entornos duros y corrosivos. Los sensores son intrínsecamente seguros. No hay componentes que creen chispas, dando lugar a posibles explosiones. Consisten en componentes completamente no conductores y por lo tanto se pueden utilizar en áreas peligrosas. Estos pueden tener una longitud de hasta 2,5 millas (4,02 kilómetros), por lo que el análisis puede ser colocado fuera de la zona peligrosa. 

Ambientes de Microondas y Radiofrecuencia

En instalaciones calentadas por microondas se ejecutará la digestión química a presión y temperatura para la determinación de la traza y el análisis de ultratrazas en los procesos corriente abajo, por esa razón se ha encontrado que bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, el rendimiento o la eficiencia de los procesos de extracción o la digestión se podría mejorar de manera significativa. Por lo tanto los sensores de temperatura de fibra óptica son la única manera de controlar las temperaturas en la química de microondas. 

Generador y Transformador

Las demandas de una sociedad moderna en relación a los requerimientos de electricidad se acercan al uso de la capacidad total de las centrales de generación. Para garantizar la seguridad industrial la temperatura debe ser estrechamente controlada. Los generadores de alta potencia suelen estar llenos de hidrógeno con el fin de enfriarlos eficazmente. Además del entorno electromagnético altamente contaminado, el riesgo de explosión es alto. Sólo los termómetros de fibra óptica pueden ser utilizados para la medición en estas áreas. 

Secado de Madera

En la renovación de las estructuras de madera, se puede controlar la temperatura central de la madera con una sonda de temperatura de fibra óptica de rayos en el lugar. El secado térmico de los componentes de la madera en el estado instalado se ubica entre 80 y 95ºC, y es suficiente para efectuar la infestación de podredumbre seca para combatir y prevenir el daño. Las sondas utilizadas para la medición de temperatura consisten en un encamisado con fibra de vidrio de PTFE en la punta de la fibra con un cristal de GaAs (arseniuro de galio) y son completamente no metálicas.

Motores Eléctricos

En la industria, la maquinaria y el equipamiento llega cada vez mas agotado a los límites de su resistencia. En los motores, las mediciones de temperatura con fibra óptica sin alteraciones por efectos externos (campos magnéticos, frecuencias de radio, microondas) se pueden realizar de forma rápida y sencilla, incluso en zonas peligrosas. Se pueden utilizar fácilmente para medir la temperatura del devanado del estator de un motor o de la temperatura del cojinete. Los sensores ayudan a detectar cambios de temperatura rápidamente para reportar el hecho y poner en marcha medidas preventivas.

 

 

 

 

 

 

 

 
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