Tutorial de Fibra Óptica-Fibra Óptica-Comunicación Fibra
Términos básicos
Refracción de la luz
A medida que un rayo de luz pasa de un medio transparente a otro, cambia de dirección; este fenómeno se llama refracción de la luz. La cantidad de cambio de dirección de ese rayo de luz depende del índice de refracción de los medios.
Índice de refracción
El índice de refracción es la velocidad de la luz en el vacío (abreviado c, c=299,792.458 km / segundo) dividido por la velocidad de la luz en un material (abreviado v). El índice de refracción mide cuánto refracta la luz un material. El índice de refracción de un material, abreviado como n, se define como
n=c/v
La Ley de Snell
En 1621, un físico holandés llamado Willebrord Snell derivó la relación entre los diferentes ángulos de luz a medida que pasa de un medio transparente a otro. Cuando la luz pasa de un material transparente a otro, se dobla de acuerdo con la ley de Snell, que se define como:
n1sin(θ1) = n2sin(θ2)
donde:
n1 es el índice de refracción del medio que la luz está dejando
θ1 es el ángulo de incidencia entre el haz de luz y lo normal (lo normal es de 90° a la interfaz entre dos materiales)
n2 es el índice de refracción del material que la luz está entrando
θ2 es el ángulo de refracción entre el rayo de luz y el normal
Nota:
Para el caso de θ1 = 0° (es decir, un rayo perpendicular a la interfaz) la solución es θ2 = 0° independientemente de los valores de n1 y n2. Eso significa que un rayo que entra en un medio perpendicular a la superficie nunca se dobla.
Lo anterior también es válido para la luz que va de un material denso (n superior) a un material menos denso (n inferior); la simetría de la ley de Snell muestra que las mismas trayectorias de rayos son aplicables en dirección opuesta.
Reflexión Interna total
Cuando un rayo de luz cruza una interfaz hacia un medio con un índice de refracción más alto, se dobla hacia el normal. Por el contrario, la luz que viaja a través de una interfaz de un medio de índice de refracción más alto a un medio de índice de refracción más bajo se doblará lejos de lo normal.
Esto tiene una implicación interesante: en algún ángulo, conocido como ángulo crítico θc, la luz que viaja desde un medio de índice de refracción más alto a un medio de índice de refracción más bajo se refractará a 90°; en otras palabras, se refractará a lo largo de la interfaz.
Si la luz golpea la interfaz en cualquier ángulo mayor que este ángulo crítico, no pasará al segundo medio en absoluto. En su lugar, todo ello se reflejará de nuevo en el primer medio, un proceso conocido como reflexión interna total.
El ángulo crítico se puede calcular a partir de la ley de Snell, poniendo un ángulo de 90° para el ángulo del rayo refractado θ2. Esto le da aire. θ1:
Desde
θ2 = 90°
Así
pecado(θ2) = 1
Entonces
θc = aire. θ1 = arcsen(n2/n1)
Por ejemplo, con la luz tratando de salir de vidrio con n1=1.5 en el aire (n2 =1), el ángulo crítico θc es arcsen(1/1.5), o 41.8°.
Para cualquier ángulo de incidencia mayor que el ángulo crítico, la ley de Snell no podrá resolverse para el ángulo de refracción, porque mostrará que el ángulo refractado tiene un seno mayor que 1, lo que no es posible. En ese caso, toda la luz se refleja totalmente fuera de la interfaz, obedeciendo la ley de la reflexión.
Cómo funciona la fibra óptica
Las fibras ópticas se basan completamente en el principio de reflexión interna total. Esto se explica en la siguiente imagen.
La fibra óptica es una hebra larga y delgada de vidrio muy puro del diámetro de un cabello humano. Las fibras ópticas están dispuestas en haces llamados cables ópticos y se utilizan para transmitir señales de luz a largas distancias.
La estructura de una fibra óptica
Las fibras ópticas típicas se componen de núcleo, revestimiento y revestimiento tampón.
El núcleo es la parte interna de la fibra, que guía la luz. El revestimiento rodea completamente el núcleo. El índice de refracción del núcleo es más alto que el del revestimiento, por lo que la luz en el núcleo que golpea el límite con el revestimiento en un ángulo menos profundo que el ángulo crítico se reflejará de nuevo en el núcleo por reflexión interna total.
Para los tipos de fibra de vidrio óptico más comunes, que incluyen fibras monomodo de 1550 nm y fibras multimodo de 850 nm o 1300 nm, el diámetro del núcleo varía de 8 a 62,5 µm. El diámetro de revestimiento más común es de 125 µm. El material del revestimiento tampón generalmente es plástico blando o duro, como acrílico, nailon y con diámetros de 250 µm a 900 µm. El revestimiento de amortiguación proporciona protección mecánica y flexibilidad de flexión para la fibra.
Modo de fibra óptica
¿Qué es el Modo de fibra?
Una fibra óptica guía las ondas de luz en distintos patrones llamados modos. El modo describe la distribución de la energía de la luz a través de la fibra. Los patrones precisos dependen de la longitud de onda de la luz transmitida y de la variación en el índice de refracción que da forma al núcleo. En esencia, las variaciones en el índice de refracción crean condiciones de contorno que dan forma a la forma en que las ondas de luz viajan a través de la fibra, como las paredes de un túnel afectan la forma en que los sonidos resuenan en el interior.
Podemos echar un vistazo a las fibras de índice de paso de núcleo grande. Los rayos de luz ingresan a la fibra en una variedad de ángulos, y los rayos en diferentes ángulos pueden viajar de manera estable a lo largo de la fibra, siempre y cuando golpeen la interfaz del revestimiento del núcleo en un ángulo mayor que el ángulo crítico. Estos rayos son diferentes modos.
Las fibras que llevan más de un modo en una longitud de onda de luz específica se denominan fibras multimodo. Algunas fibras tienen un núcleo de diámetro muy pequeño que solo pueden transportar un modo que viaja como una línea recta en el centro del núcleo. Estas fibras son fibras monomodo. Esto se ilustra en la siguiente imagen.
Perfil de índice de fibra óptica
El perfil de índice es la distribución del índice de refracción a través del núcleo y el revestimiento de una fibra. Algunas fibras ópticas tienen un perfil de índice escalonado, en el que el núcleo tiene un índice distribuido uniformemente y el revestimiento tiene un índice distribuido uniformemente más bajo. Otra fibra óptica tiene un perfil de índice gradual, en el que el índice de refracción varía gradualmente en función de la distancia radial desde el centro de la fibra. Los perfiles de índice gradual incluyen perfiles de índice de ley de potencia y perfiles de índice parabólico. La siguiente figura muestra algunos tipos comunes de perfiles de índice para fibras monomodo y multimodo.
La apertura numérica (NA) de fibra óptica
La fibra óptica multimodo solo propagará la luz que ingresa a la fibra dentro de un cierto cono, conocido como cono de aceptación de la fibra. El medio ángulo de este cono se llama ángulo de aceptación, θmax. Para la fibra multimodo de índice escalonado, el ángulo de aceptación se determina solo por los índices de refracción:
Donde
n es el índice de refracción de la luz media que viaja antes de ingresar a la fibra
nf es el índice de refracción del núcleo de fibra
nc es el índice de refracción del revestimiento
¿Cómo calcular el Número de Modos en una Fibra?
Los modos a veces se caracterizan por números. Las fibras monomodo solo llevan el modo de orden más bajo, asignado el número 0. Las fibras multimodo también tienen modos de orden superior. El número de modos que se pueden propagar en una fibra depende de la apertura numérica de la fibra (o ángulo de aceptación), así como del diámetro de su núcleo y la longitud de onda de la luz. Para una fibra multimodo de índice escalonado, el número de tales modos, Nm, se aproxima por
Donde
D es el diámetro del núcleo
λ es la longitud de onda de funcionamiento
NA es la apertura numérica (o ángulo de aceptación)
Nota: esta fórmula es solo una aproximación y no funciona para fibras que transportan solo unos pocos modos.
