Conocimientos previos: Teoría de la luz y transmisión de datos por fibras ópticas
Autor: Aldo Martin
COMENTARIO
En este experimento Ud. conocerá las características que son consideradas más importantes del punto de vista del diseñador del sistema: dispersión modal y de color, apertura numérica y atenuación. En este contexto se estudiaran los tres tipos de fibra óptica: índice escalonado, de modo único o múltiple y de índice graduado.
DISPERSIÓN MODAL
Este
fenómeno ocurre fundamentalmente en las fibras de modos
múltiples con índice escalonado. Para entenderlo examinaremos
primeramente la propagación a través de este tipo de fibra óptica
(figura 5.1).
El perfil del índice de refracción en una fibra de índice escalonado es constante en la sección transversal del núcleo y disminuye en forma drástica en el revestimiento. El diámetro del núcleo es suficientemente grande para permitir la propagación de la luz a través de la fibra óptica, para una gran cantidad de rayos con diferentes trayectorias, desde uno que es paralelo al eje de la fibra, hasta los que se propagan con ángulos cercanos al ángulo critico, en que aun es posible la reflexión total en la juntura núcleo - revestimiento. Cada trayectoria de luz, con un ángulo diferente se denomina modo de transmisión. Por ejemplo en la figura 5.1 se muestra la propagación de tres modos discretos.
El modo de menor grado se ve viajando a lo largo del eje de la fibra óptica, o al menos paralelo a él. El modo intermedio se ve rebotando varias veces en la juntura núcleo - revestimiento. La longitud total del trayecto de propagación para este modo es ciertamente mayor que la del modo de propagación a lo largo del eje. El modo de propagación superior se ve viajando varias veces a lo largo de la fibra lo cual resulta en una inmensa longitud de propagación.
Es claro que los tiempos de propagación de los diferentes modos a través de la fibra óptica no son iguales. Por esto cuando se envía un corto pulso de luz a través de este tipo de fibra y se propagan varios modos, el pulso que llega se ha "ensanchado", o distorsionado. Esta característica de la fibra óptica de índice escalonado limita el rango de frecuencias para los datos que se propagan, ya que pulsos consecutivos en un rápido tren de pulsos se mezclan unos con otros y después de una cierta distancia no pueden ser distinguidos (figura 5.2).
en consecuencia las especificaciones de las fibras normalmente dan el ancho de banda en unidades de MHz/km.; por ejemplo un cable de 500 MHz/km. puede transmitir datos de 500 MHz hasta 1 km. o datos de 250 kHz hasta 2 km., etc.
Debido a que también hay una reducción en la amplitud de la señal recibida, debido a la dispersión, el ancho de banda de la fibra óptica se define como la frecuencia superior a la cual la amplitud de la señal se reduce en 3 dB.
La dispersión en la fibra también puede ser especificada estimando el aumento del ancho del pulso recibido en el punto de amplitud media (figura 5.3). Estos valores se dan en nseg/km. Ambos valores se relacionan según la fórmula:
Dispersión = (t2 – t1) nseg
en fibras reales, las curvaturas y pequeñas irregularidades de la superficie de la juntura núcleo-revestimiento producen conversión entre modos de altos y bajos órdenes por el cambio en el ángulo del rayo. Debido a que todos los rayos viajan según índices de modos altos y bajos a lo largo de la fibra, la dispersión se reduce en cierta medida. Esto es particularmente notable en fibras de gran longitud, en estos casos se puede suponer que la dispersión aumenta proporcionalmente a la raíz cuadrada de la longitud de la fibra:
Para longitudes cortas de fibra (hasta 1 km.), la dispersión es proporcional a la longitud:
Debe hacerse notar que en aplicaciones de baja frecuencia la dispersión modal. es normalmente insignificante y la longitud máxima de transmisión está normalmente limitada por la atenuación de la fibra óptica (esto se discute a continuación). Sin embargo, para telecomunicaciones de largo alcance y gran ancho de banda, la dispersión en la fibra puede ser predominante, y otras configuraciones de fibras se han desarrollado con el fin de disminuir la dispersión.
FIBRA DE INDICE GRADUADO
La velocidad de
propagación aumenta al alejarse del centro. Así todos los modos
a pesar de que viajan distancias diferentes, tienden a cubrir la longitud de
la fibra en el mismo tiempo. De esta manera la dispersión se reduce en
un factor de 10 o incluso más, y se dispone de un ancho de banda mayor.
FIBRA DE INDICE ESCALONADO DE MODO ÚNICO
en la fibra de índice escalonado de modo único que se denomina también fibra monomodal, el núcleo es extremadamente pequeño (orden de magnitud de algunos rnicrómetros). Esto hace que sólo el modo de más bajo orden puede propagarse a la largo de la fibra por lo cual no hay dispersión modal (figura 5.6).
Este tipo de fibra es caro y requiere una fuente de luz altamente direccional y de alta potencia, como el diodo láser (que es a su vez muy caro).
por otro lado se obtiene un gran ancho de banda (potencialmente hasta 50 (Hz/km.) Por lo que puede ser usado en sistemas de largo alcance y alta velocidad de transmisión de datos.
DISPERSIÓN CROMÁTICA
en el experimento 1 se probó que en la naturaleza no existe la luz monocromática, es decir que tenga sólo una longitud de onda. Por esto en la transmisión de luz, la señal óptica es en realidad una combinación de varias longitudes de onda. El ancho del espectro de los transmisores LED es particularmente ancho, mientras que el del diodo láser es mucho más pequeño.
Debido a que diferentes longitudes de onda se propagan a diferentes velocidades en el vidrio, no todas las partes del pulso de luz de la entrada, que es en realidad una combinación de pulsos de luz de diferentes longitudes de onda, llegarán simultáneamente a la salida. En consecuencia la señal óptica a la salida se ensancha.
Sin embargo este tipo de dispersión es responsable sólo de una pequeña parte de la dispersión total y se hace problemática solamente en sistemas de gran ancho de banda. En el rango de 1200 a 1600 mm, la dispersión cromática es despreciable, ya que la dispersión en estas longitudes de onda tiende a cero. Por lo tanto en estas longitudes de onda queda solamente la dispersión modal, y las fibras monomodal que eliminan este efecto se comportan eventualmente como líneas de transmisión de ancho de banda infinito.
APERTURA NUMÉRICA
Los rayos de luz llegan a la superficie del extremo de una fibra óptica en muchos diferentes ángulos. Sin embargo para que un rayo se propague a lo largo de la fibra, tiene que llegar al extremo de la fibra dentro del límite llamado "cono de admisión" (figura 5.7). Un rayo que no llega dentro de este cono se pierde en el revestimiento y no podrá volver al cono. La mitad del ángulo del cono de admisión, q a, es el ángulo máximo (con respecto al eje de la fibra) en el cual los rayos de luz aún son aceptados para la transmisión a través de la fibra. Este ángulo se denomina ángulo de admisión.
La expresión sen q
a es una medida de la capacidad de captación de luz de la fibra y se
denomina "apertura numérica"
(NA)
. Mientras mayor sea la apertura numérica,
mayor será la cantidad de luz aceptada por la fibra. Sin embargo al aumentar
la apertura numérica, el ancho de banda disminuye.
En la figura 5.7 el ángulo q 1 es en realidad el ángulo crítico en el cual aun ocurre reflexión interna total. De acuerdo a la ley de Snell:
por lo cual la apertura numérica es también función de los índices de refracción. Para una fibra de índice escalonado:
en que:
nc0 : índice de refracción del núcleo
nc1 : índice de refracción del revestimiento
para fibras de índice graduado, como también en el caso general:
NA = senq a
en que q a es el ángulo de admisión.
El término apertura numérica puede usarse también con respecto a las fuentes luminosas para definir su capacidad de emisión de luz, o en detectores ópticos para definir su capacidad de recepción de luz.
Atenuación
Al transmitirse ondas luminosas a través de una fibra óptica, se pierde parte de su energía debido a las varias imperfecciones que hay en la fibra. Estas pérdidas se denominan atenuación y es una de las características más importantes de una fibra óptica, debido a que determina la configuración del sistema de transmisión óptica: determina la distancia entre los repetidores y el tipo de transmisor y receptor óptico que debe usarse, incluso su longitud de onda.
La atenuación de la fibra óptica se mide en decibeles por kilómetro (dB/km.). Depende fuertemente de la longitud de onda de la luz transmitida (figura 5.8).
La atenuación o mejor dicho su reducción es la clave del éxito de las técnicas de fibra óptica. La investigación de materiales ha reducido la atenuación de las fibras ópticas de más de l000 dB/km. a menos de 5 dB/km. Se han logrado producir algunas fibras con atenuación cercana a 0,2 dB/km.
La atenuación en una fibra óptica es causada por dos mecanismos principales: absorción y dispersión.
La absorción es causada por iones de impurezas, principalmente de metales de transición (tales como hierro, cobre, cromo y níquel) y moléculas de hidróxido (OH-).
A pesar de que el vidrio de una fibra óptica es sumamente libre de impurezas, comparado con el vidrio ordinario, la presencia de sólo algunas moléculas de impurezas por cada millón de moléculas de vidrio, introduce niveles de energía que pueden absorber fotones (en el experimento 8 se estudiará en detalle el principio de absorción, cuando se vea el principio de operación del detector óptico).
por ejemplo las moléculas de hidróxido (0H~) absorben fuertemente la luz de 950 mm. La fuente de estas moléculas es la humedad presente durante el proceso de fabricación de la fibra óptica. Por esto, el pico en la longitud de onda de 950 mm (vea figura 5.8) se llama también "pico del agua" . Se ha encontrado que incluso una molécula de OH por un millón de moléculas de vidrio (l ppm), causa una pérdida de alrededor de 1 dB/km a la longitud de onda correspondiente.
Además de la absorción, la luz que pasa a través de la fibra se dispersa debido a las inclusiones y a las variaciones de densidad molecular del material (dislocaciones) que son pequeñas comparadas con la longitud de onda de la luz. La dispersión causada por la distribución al azar de las moléculas del material se llama dispersión de Rayleigh. Debido a la configuración al azar de las moléculas en el material amorfo (no cristalino) al que el vidrio pertenece, la dispersión de Rayleigh es inevitable.
Sin embargo, disminuye según la potencia de cuarto grado de la longitud de onda de la luz:
Pérdidas de dispersión de Rayleigh
Debido a esto solamente se puede obtener bajas pérdidas en el rango espectral infrarrojo y no en la región de la luz visible. Esta es la razón por la que los sistemas de fibra óptica no operan en la región visible.
Por ejemplo la dispersión de Rayleigh para 1550 mm es alrededor de 0,2 dB/km. Esto se considera cercano al límite práctico de atenuación para esta longitud de onda.
Esta característica de la fibra óptica hace que la operación en la banda de 1500 a 1600 mm sea muy atractiva, debido a que allí la dispersión de Rayleigh es muy baja y no hay picos de absorción. Desafortunadamente, las fuentes y los receptores ópticos que operan en estas longitudes de ondas aún son muy caros, aunque su precio va continuamente disminuyendo. Por esta razón por ahora son usados sólo para aplicaciones de largo alcance y alta velocidad de transmisión de datos. Hoy en día la mayoría de los sistemas de fibra óptica operan en la banda de 800 a 900 mm; esto incluye al sistema OPCOM-l/l que opera en 820 mm (los diodos de luz visible del 0PCOM~lIl no se pueden usar para aplicaciones de un enlace de datos). Los sistemas que operan en el rango de 800 a 900 mm son considerados como sistemas de primera generación. La atenuación típica de fibras ópticas comerciales en esta longitud de onda es entre 3 a 5 dB/km. Los sistemas que operan en la banda de 1500 a 1600 nm se consideran sistemas de la segunda generación.
La mayoría de las fibras ópticas se hacen con ventana doble. Es decir tienen disminución de atenuación en ambas bandas, 800 a 900 mm y 1500 a 1600 mm (como puede verse en la figura 5.8). Cuando esta fibra óptica se instala, puede ser usada con las fuentes y receptores ópticos disponibles hoy en día de 800 a 900 mm. Más adelante cuando las fuentes y los receptores de 1500 a 1600 mm estén disponibles, el sistema puede ser transformado a un sistema de la segunda generación, simplemente cambiando la fuente y el receptor óptico, sin cambiar la fibra óptica.
Uno de los métodos de medir la atenuación de la fibra es mediante la medición de potencia óptica, a la longitud de onda especificada transmitida a través de una fibra óptica larga y a través de un trozo corto de la misma fibra óptica. La atenuación entonces se calcula de acuerdo a la fórmula:
en que:
D L – diferencia entre las longitudes largas y cortas de la fibra medidas.
******************************************************************************************