FIBRA
OPTICA
El cable consta de
los siguientes elementos:
-refuerzo a la
tracción;
-fibras ópticas FO;
-conductores
metálicos;
-separadores de
plásticos;
-rellenos para dar
uniformidad cilíndrica;
-refuerzo de
amortiguamiento radial;
-pantalla
y cubierta exterior
DESCRIPCION
DE COMPONENTES OPTICOS
-Empalmes de fusión.
Permiten la unión permanente de dos fibras ópticas FO. Se realiza con una
empalmadora y se
protege el empalme
con una tubo termocontraible.
-Conectores. Los
conectores permiten la unión de FO y el desmontaje de la unión. Se utilizan
conectores de distinto tipo: FC (norma de Japón), SC (normaamericana de la
Bell), ST (tipo bayoneta BNC),D4, DIN (norma alemana DIN 47256), FDDI (para
redes IEEE 802.8), E-2000 (norma de Suiza).
El pulido de los conectores
es del tipo PC (Phisic Contac) y APC (Angular PC)
con un corte a 8 grados
-Acopladores. Dispone
de 3 o más puertas. Su función es dividir la señal óptica de entrada en varias
salidas. Esta división puede ser simétrica (igual potencia por cada puerta) o
asimétrica (distinto valor). Se aplica para obtener valores de monitoreo de
potencia y para redes de distribución de señales (por ejemplo en CATV).
-Circulador óptico El
acoplador direccional es conocido circulador óptico y dispone de 3 o 4 puertas.
La perdida de inserción entre puertas P1-P2/P2-P3/P3-P1 es cercana a 1 dB. La
pérdida de aislación entre las puertas P1-P3/P3-P2/P2-P1 es de 25 dB. La
pérdida de retorno de cada puerta es de 50 dB. La construcción se realiza
mediante rotadores de Faraday. Permite la transmisión bidireccional por la
misma FO. Este tipo
de acción permite el uso de una sola FO pero el precio a pagar es una
elevada atenuación en
los extremos y por ello solo aplicable en cortas longitudes.
-Aislador. Tiene una
pérdida de inserción de 1 dB y de 25 dB de retorno. Se utiliza en
amplificadores ópticos y láser en aplicaciones analógicas. La señal reflejada
puede incrementar el nivel de ruido del láser. Consiste en un rotador de
polarización de Faraday de 45 grados. La señal de retorno rota 90 grados y se
encuentra en contrafase (polarización de la onda).
-Monitor óptico Se
trata de un acoplador más un aislador.
-Switch. Permite la
permutación entre FO en forma opto-mecánica, termo-óptica (los polímeros
cambian el índice de refracción en función de la temperatura) o mediante un
circuito electro-óptico de NiLiO3 donde el índice de refracción se modifica en
función de voltaje eléctrico. Se han observado aplicaciones en conmutación de
circuitos y en moduladores para alta velocidad.
-Filtro óptico. Es
necesario para operaciones de separación de longitud de onda en WDM. Se
construye mediante filtro dieléctrico, AWG y ranuras de Bragg
-WDM (Dense
Wavelength Division Multiplexing). Esta técnica de multiplexación permite
transmitir varias longitudes de onda por la misma FO.
-Lente Grin Rod Es
un lente cilíndrico para empalmes y enfoque de emisores y detectores de luz.
-Modulador óptico Se
trata de componentes basados en tecnología de Niobato de Litio que permiten
fabricar
moduladores ópticos,
acopladores direccionales o switch de diverso tipo.
-Amplificador óptico
Se fundamenta en FO dopadas con Erbio.
APERTURA
NUMÉRICA
Un
análisis inicial y conceptualmente válido se puede encarar con el auxilio de la
física clásica (Teoría Corpuscular de Newton), que considera a la luz como un
corpúsculo o partícula. Si se hace incidir la luz sobre una superficie plana
que separa a dos medios dieléctricos con
distinto índice de refracción, se obtiene que: parte de la energía se
refleja (rebota con un ángulo de reflexión igual de incidencia) y parte se
refracta (atraviesa la superficie variando el ángulo según la
ley de
Snell). En la teoría clásica de electromagnetismo la energía electromagnética se comporta como una
partícula para la reflexión y como una onda para la refracción. Esto da lugar a
la denominada "dualidad onda-partícula" de la teoría cuántica.
En la
figura se muestra a la fibra óptica como un cilindro con dos capas concéntricas
de material altamente transparente (cristal de SiO2). El interior se denomina núcleo
(core) y el exterior revestimiento (cladding). Los
índices de
refracción
se indican como n1 y n2. El índice n1 es levemente mayor que n2, cerca del 1%.
Mediante la ley de Snell se puede indicar que:
sen I . n1
= sen Rc. n2 y I = Rx
donde I es
el ángulo del rayo de incidencia, Rx el ángulo de reflexión y Rc de refracción.
Se tiene entonces que para un valor determinado de I el ángulo Rc vale 90°, se
produce entonces la denominada reflexión total de la energía incidente. Todos
los rayos de luz que inciden sobre la interfaz núcleo-revestimiento con ángulo
superior a dicho valor I se reflejan y se encontrarán guiados dentro del núcleo
gracias a múltiples reflexiones.
Por
ejemplo, si n1=1,48 y n2=1,47 para que Rc=90° el valor de I será 83°. Este
sería el ángulo límite. Si se extrae el ángulo límite fuera de la fibra óptica,
se tiene un caso similar al anterior con un ángulo de incidencia Φ en
el aire (n0=1) y con un
ángulo de
refracción Rc en el núcleo (n1= 1,48). En tal caso se tiene Rc=7°, resultando
en un ángulo Φ=10°.
Debido a
la simetría circular se tiene que todos los rayos de luz que inciden dentro del
cono con ángulo Φ se
encontrarán con un ángulo mayor al crítico y por lo tanto serán guiados dentro
del núcleo sin refracción. Los que estén fuera del cono sufrirán sucesivas
refracciones y se atenuarán paulatinamente en los primeros metros de fibra
óptica. Incluso en pequeñas curvaturas cambiarán las condiciones de reflexión y
existirá refracción parcial introduciendo una atenuación sobre la energía
propagada,
Se
denomina apertura numérica NA (Numerical Aperture) al valor sin
unidad;
NA = sen Φ =
(n12-n22)1/2
El valor
de NA para el ejemplo que se desarrolla será 0,17. Los valores típicos reales
se encuentran entre 0,2 y 0,25. Una
elevada NA
permite un mejor acoplamiento (mayor introducción de luz en el núcleo), pero
incrementa la atenuación.
Si dos
fibras ópticas tienen igual NA se tiene que el ángulo de emisión de luz es
igual al de aceptación de la siguiente y por
lo tanto
se produce un acoplamiento de luz perfecto. En los cables de cobre la
característica que determina una condición
semejante
es la impedancia de la línea Zo. Si dos líneas tienen igual impedancia
Zo el acoplamiento de energía es completo
y no
existe onda reflejada (Pérdida de retorno). Por lo tanto, se suele comparar la
característica de apertura numérica de las
fibras
ópticas con la impedancia característica de las líneas o guías de ondas.
PRODUCCIÓN DE LA
PREFORMA
La producción
comercial actual de las FO de sílice para telecomunicaciones se realiza
mediante el método de la preforma
que consiste en dos
pasos, la fabricación de la preforma (un bastón de sílice de 1 m de longitud y
2 cm de diámetro cuyo
perfil
de índice de refracción es idéntico a la FO deseada) y el estirado de la
preforma
Los métodos
comerciales responden a procesos diseñados en distintos laboratorios pudiendo
identificarse:
-OVD (Outside
Vapor Deposition) de la Corning Glass W (Siecor).
-MCVD (Modified
Chemical Vapor Deposition) de la Bell Labs.
-PCVD (Plasma
Activated Vapor Deposition) de la Philips.
-VAD
(Vapor Axial Deposition) de la NTT.
MÉTODO MCVD. La
deposición se realiza sobre un tubo de cuarzo puro que actúa de sustrato.
Por ejemplo el tubo fabricado por Heraeus tiene 1 m de longitud y un diámetro
exterior de 20 ó 25 mm con tolerancia de 0,8 mm. La pared tiene un espesor de 2
ó 3 mm respectivamente con tolerancia de 0,3 mm. El peso es de 25 gr. Otro
fabricante es la General Electric con dimensiones similares pero no idénticas;
en este caso se indican contenidos de OH en el cuarzo de 3 ppm (partes pormillón).
MÉTODO PCVD. Se crea
una zona no-isotérmica producida por un generador de RF (2 a 3 GHz y 100 a 500
w). El método PCVD es similar al MCVD cambiando la forma de calentamiento. El
horno de RF tiene una menor inercia térmica, lo cual
permite capas más
delgadas y en mayor número, obteniéndose un perfil de índice más suave, con
menos saltos. Ladeposición en PCVD puede realizarse a temperatura ambiente pero
el vidrio resulta agrietado por lo que se prefiere sumergir al sistema en un
calefactor de grafito.
MÉTODO OVD. El método
de mayor producción en el mundo es el OVD que es usado por la Siecor (Corning-Siemens).
La deposición es por
hidrólisis y se genera una preforma porosa (no es un sólido macizo). La hidrólisis
tiene la siguiente reacción química:
Con SiCl4 + 2.H2 +
2.O2 se forma SiO2 + (2.Cl2 + 2.H2O) (a 1700°C)
Con (2.Cl2 + 2.H2O)
se forma 4.ClH + O2
Esta reacción permite
reducir el contenido de agua en la preforma porosa mediante la segunda fase
eliminando el gas clorhídrico HCl. Posteriormente se realiza el secado de la
misma mediante la circulación por su interior de He+Cl2 de forma que el Cl
reacciona con los OH residuales y forma O+He+2.HCl. Obsérvese que la deposición
es en el exterior de un sustrato sólido que se extrae luego de la formación de
la preforma porosa y por este agujero se inyecta el gas para el secado. El último
paso es el compactado de la preforma porosa.
MÉTODO VAD. El método
OVD es más complejo que MCVD pero permite un mayor volumen de producción.
También el método VAD es más complejo e interesante. El VAD es usado
casi con exclusividad por las empresas japonesas y consiste en el crecimiento
axial de una preforma porosa con reacciones idénticas al OVD. En la cámara se
enfrentan los tubos que alimentan los reaccionantes y la preforma en formación.
Los quemadores son tubos coaxiales cilíndricos de sílice donde el material
reaccionante (SiCl4+O2) penetra por el tubo central y los gases para la
combustión (O2+H2) por el exterior.
El perfil del índice
de refracción se controla con la temperatura de la cámara, el flujo de
material, la velocidad de rotación que mantiene la uniformidad geométrica y la
posición relativa de los quemadores y la preforma. La cámara de calentamiento posterior
produce el colapsado de la preforma porosa dando lugar a la preforma
transparente. Como el crecimiento y el colapsado se producen en la misma
atmósfera, es más eficiente el control de los contaminantes. Por otro lado, la
longitud de la preforma puede ser del valor deseado aparentemente sin
restricciones de longitud.
ESTIRADO DE LA PREFORMA
La preforma debe ser
estirada para llevarse a las dimensiones normalizadas de las FO. Por ejemplo,
de una preforma de 1 m de longitud se pueden estirar varios kilómetros de FO
del tipo 9/125. El esquema del proceso de estirado se muestra en la figura y consiste en las siguientes
etapas: horno de calentamiento, control de diámetro, colocación del
recubrimiento primario, horno de secado, capstan y enrollado. La preforma se
coloca en la parte superior de la máquina de estirado que tiene cerca de
4 m de altura. El centrado de la preforma en el horno es manual. En este caso
se eleva la temperatura del horno para reducir la viscosidad hasta un valor donde
fluya por debajo debido a la gravedad un hilo de FO.
