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Tecnologías de Comunicaciones Ópticas y Normativas. Generalidades de la fibra óptica

Pérdidas Intrínsecas

Absorción debida a rayos UV e IR

Este mecanismo de pérdidas se debe a la interacción existente entre los fotones que viajan por la fibra y las moléculas que componen el núcleo. La energía fotónica se cede en parte a las moléculas de Si que van encontrando los fotones en su camino, produciendo vibraciones en las mismas.

La absorción debida a la componente de radiación UV de la luz transmitida decrece exponencialmente con la longitud de onda, y es casi despreciable a partir de los 1000 nm. La debida a los rayos IR se origina por las vibraciones de átomos de Si y O, creciendo exponencialmente con la longitud de onda, pero no es apreciable hasta los 1400 nm.

Dispersión de Rayleigh

Este fenómeno de dispersión se produce cuando la luz encuentra en su camino partículas extrañas al medio continuo, cuyo diámetro es mucho mayor que la longitud de onda de la señal. La difracción resultante absorbe parte de la energía de la señal y produce una pérdida de energía que decrece exponencialmente con la cuarta potencia de la longitud de onda.

Las pérdidas por este efecto son las de mayor influencia para longitudes de onda desde los 400 a 1100 nm. En resumen podemos ver,

Pérdidas de origen Externo

Absorción debida a Impurezas

Los tipos de impurezas más usuales en el silicio de la fibra son las metálicas (Hierro, Cromo, Cobalto, etc.) y los iones hidroxilo (OH–). Las impurezas metálicas originan pérdidas del orden de 1 dB/km si su concentración en de 1ppm, pero al ser relativamente fácil su control en el proceso de fabricación, se pueden reducir al mínimo.

En cambio, las del tipo hidroxilo (presentes por deposición de partículas de agua durante la fabricación de la fibra) no son fácilmente controlables, y a 2272 nm se produce una resonancia de la estructura atómica de los iones con el Si, transfiriendo la energía de los fotones a los iones. Este fenómeno produce tres picos adicionales de pérdidas, correspondientes a los tres primeros armónicos de esta frecuencia, en longitudes de onda definidas.

Curvaturas de la Fibra

Siempre que una fibra se somete a una curvatura por bobinado, tendido, etc., se origina una atenuación adicional por el hecho de que la interfaz núcleo-revestimiento deja de ser geométricamente uniforme, esto es, la luz comienza a reflejarse en algunos puntos con ángulos diferentes a los calculados inicialmente, y deja de verificarse el principio de reflexión total, produciendo la fuga de algunos modos por el revestimiento.

Esta atenuación varía exponencialmente con el radio de curvatura, con lo es despreciable hasta pasar la curvatura crítica. Esta curvatura crítica es de diez a doce veces el diámetro exterior del cable.

Pérdida por curvatura

Pérdidas por Microcurvaturas

Cada proceso de fabricación tiene sus propias tolerancias y arrastra errores. Los defectos que provocan las llamadas pérdidas por microcurvaturas son irregularidades entre el núcleo y el revestimiento, las fluctuaciones de diámetro (error de elipticidad) y fundamentalmente el error de concentricidad.

Estas pérdidas presentan la particularidad que afectan a toda la banda de información y varían muy poco con la longitud de onda, y también que sólo se origina atenuación cuando las irregularidades periódicas están separadas menos de una longitud L0.

Esta longitud es directamente proporcional al radio del núcleo, e inversamente a la diferencia relativa de índices:

donde se observa que una diferencia de índice demasiado pequeña puede ser causa de pérdidas por microcurvaturas, pues al aumentar L0 las irregularidades pueden distar entre sí longitudes menores que dicha longitud crítica.

En las fibras, las irregularidades periódicas motivan en general un trasvase de potencia de unos modos de propagación a otros, y cuando el espaciamiento es menor que L0, la potencia guiada se escapa por el revestimiento, originandose la atenuación.

Así, en una fibra con radio a=25μm y δ=0.01 se producen pérdidas de radiación cuando hay irregularidades periódicas a 1mm o menos. A este tipo de pérdidas se las llama Mie, y pueden reducirse adoptando las siguientes medidas:

· Aumentar la diferencia de índices de refracción entre núcleo y revestimiento
· Aumentar la sección de la fibra

Atenuación por tendido, ambiente y envejecimiento

Durante la instalación, además de las curvaturas comentadas, la fibra se ve sometida a los agentes climáticos y a cierta fatiga estática provocada por el tendido, que contribuyen también en cierto grado a incrementar las pérdidas y a acortar la vida de la fibra. Las soluciones a adoptar son:

  • Aplicar sobre un recubrimiento primario con una sustancia rígida, en forma de segundo recubrimiento ceñido.
  • Colocar la fibra, con su primer revestimiento dentro de uno segundo, holgado, rellenando el espacio intermedio con un medio viscoso.

En lo referente al envejecimiento de la fibra, cabe resaltar que se produce en determinadas condiciones de tensión permanente, o cuando se producen fisuras superficiales.

Atenuación Total

Si se suman las pérdidas antes anunciadas, se obtiene una curva como la que se ve en la figura, en la que se observa:

· Una zona por debajo de los 800 nm, que no es conveniente utilizar por su alta atenuación.

· Una zona por encima de los 1600 nm que presenta problemas por atenuación por el efecto de los rayor IR.

· Tres zonas de mínima atenuación (ventanas ), que determinan las longitudes de onda habituales para trabajar.

Resumiendo, las causas de atenuación dentro de las fibras ópticas son:

§ Esparcimiento (scattering):
o Rayleigh scattering (proporcional con l -4 ) por fluctuaciones en la composición y anisotropía de vidrio
o No se puede evitar
o Dispersión (scattering) en todas direcciones
o Dependiente de la longitud de onda

§ Absorción
o Absorción UV
o Absorción IR
o Absorción por hidrógeno (OH-)
o Absorción por impurezas

§ Defectos físicos
o Microcurvaturas (microbending): pequeñas irregularidades
o Macrocurvaturas (macrobending): R<R0

Dispersión en las Fibras

Los rayos insertados en una fibra en todo momento de cierto número de grados de libertad en su progresión hacia el otro extremo. Como es posible que sigan caminos diferentes y, por otra parte, la velocidad en cada punto , y en consecuencia el índice de refracción, depende de la longitud de onda, se producirán ensanchamientos temporales de los pulsos cuyo efecto es acumulativo con la distancia.

A los efectos anteriores ha de sumarse el ensanchamiento causado por las distintas estructuras ópticas y geométricas de la fibra. Este conjunto de efectos conforman un segundo parámetro característico de las fibras: la dispersión. Este parámetro defina la capacidad máxima que, por unidad de longitud, se puede transmitir por una fibra, por lo que puede medirse en términos de retarde relativo o de la máxima frecuencia pasante que admite.

Como el efecto de la dispersiones acumulativo con la longitud de la fibra, la capacidad de la misma se mide MHz x km, por lo que el número de circuitos que admite se puede aumentar disminuyendo el ancho de banda óptico del emisor y aumentando la longitud de onda media en que emite. Esto justifica la preferencia del diodo láser sobre el LED y el empleo de ventanas cada vez más altas.

Una ventaja adicional estriba en que sobre una fibra instalada se puede aumentar la capacidad cambiando los elementos emisores y receptores por otros de mejores características. Esto permite la reutilización de la planta de fibra óptica. El fenómeno global de la dispersión definido se debe a tres factores de los que hablaremos por separado:

  • Dispersión Modal (o intermodal), σm.
  • Dispersión del Material (o intramodal, o espectral), σe.
  • Dispersión por Guía de Ondas, σgo.

Las dos primeras son inherentes a las fibras multimodo, pero, atendiendo a su diferente naturaleza, han de sumarse cuadráticamente. Por el contrario las dispersiones del material y de guía de ondas se refieren a cada modo, por lo que se suman en modo lineal, esta suma es llamada dispersión cromática. El valor cuadrático medio de la dispersión total será:

Limitación del Ancho de Banda

Se define el ancho de banda como el valor de la frecuencia transmitida a ambos lados del valor central de la distribución para el que la potencia recibida cae a la mitad. Se supone que, siendo la excitación un impulso de Dirac, la respuesta en el tiempo y en frecuencia adoptan una distribución de Gauss cuya desviación típica, s, es la dispersión total.

La característica de transferencia de la fibra óptica puede considerarse modelada por una forma gaussiana. Es decir, ante una excitación ideal [función de Dirac , δ(t )] la salida [respuesta impulsiva, h(t)] presenta una conformación gaussiana, obedeciendo a la expresión:

Como la transformada de Fourier de una distribución gaussiana conserva la forma, la frecuencia, H( f )= f [h(t )], también será gaussiana :

Partiendo de la configuración en el dominio de la frecuencia, y considerando una caída de –3 db ópticos, o sus correspondientes – 6 db eléctricos, se define el ancho de banda como el valor de la frecuencia de transmitida para la cual la potencia óptica recibida cae a la mitad del valor que tiene para ω= 0.

A partir de tal definición resulta:

Es usual expresar el ancho de banda en Ghz Km. El significado de tal expresión es “ el ancho de banda por unidad de longitud” . No obstante, la interpretación será diferente según se trate de fibras monomodo o multimodo:

a) para fibras multimodo el ancho de banda expresado en Ghz Km solo puede interpretarse como la frecuencia de corte intermodal, B0 .

b) en las fibras monomodo, donde tanto la dispersión total como el ancho de banda varían linealmente con la longitud ( por no acusar dispersión modal ), el ancho de banda expresado en Ghz Km es el resultado del producto ancho de banda G ( Ghz) por la longitud L (Km) para el cual se calculó, supuesta una fuente óptica determinada.

Dispersión Modal

Hemos visto que las distintas velocidades y direcciones asociadas a las longitudes de onda que entran en la fibra pueden permitir la propagación en diferentes modos y que el número de ellos es tanto mayor cuanto mayor sea la libertad de recorridos y el diámetro del núcleo (2a). Esto implica que los rayos de la misma longitud de onda que incidan simultáneamente, pero en direcciones distintas, llegarán en instantes diferentes al extremo receptor.

Este efecto es conocido como dispersión modal, por afectar las relaciones entre los modos, y es un parámetro característico de las fibras multimodo.

Si tenemos, por ejemplo, tres modos que parten en un mismo instante del transmisor y que a consecuencia del diferente recorrido llegan al receptor en instantes diferentes, de esta forma el pulso sufre un ensanchamiento debido al aporte de cada modo.

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