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Elementos y Equipos Eléctricos

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5.- Fibras Ópticas

Las fibras ópticas en sistemas de comunicaciones y en general en sistemas de transmisión de señales, después de un largo periodo de experimentación y enlaces pilotos, entre los años 1975 y 1980 entro en su etapa de empleo masivo. Los primeros enlaces se difundieron en el campo de las telecomunicaciones con fibras ópticas que tenían atenuaciones de hasta 50 db/km, hoy con distintos métodos de obtención de materiales de extrema pureza y de fabricación se obtiene fibras ópticas con atenuaciones de 0,2 db/km. Y enlaces de hasta 200 km. Sin tener que utilizar repetidoras. A medida que se fue avanzando con el uso de las fibras ópticas no solo se utiliza en la transmisión de voz, sino que comenzó a utilizarse en la transmisión de datos. Uno de los lugares que tiene gran utilización es en el campo de la elaboración y transmisión de datos en el campo de la energía, destinados a la supervisión y control de equipos e instalaciones. El manejo de esta enorme cantidad de datos ha sido confiado tradicionalmente a distintos medios de comunicación (onda portadora, micro ondas, para largas distancias), normalmente estos datos a transmitir parten de lugares donde se trabaja con altas tensiones y dentro de fuente con fuertes campos magnéticos, los que fácilmente pueden producir interferencias. Al ser la fibra óptica un material totalmente dieléctrico no es afectada por este tipo de interferencias, además como la transmisión se realiza con fotones, es un elemento que se puede instalar sin que se corra ningún riesgo de corto circuito. La fibra óptica esta constituida por dos cilindros coaxiales de silicio de alta pureza, que por medio de la reflexión de a luz se logra transmitir información, presentando ventajas con respecto a los conductores de materiales metálicos, entre las principales figuran:

Transmite luz, en consecuencia no se introduce interferencia.

Tiene gran capacidad de transmisión (180 a 200 comunicaciones telefónicas a la vez) con respecto a los conductores de cobre.

La transmisión no es interferida por campos eléctricos y magnéticos

La energía puesta en juego en la transmisión es muy baja

Gran ancho de banda

Diámetro reducido

Peso reducido

Material totalmente dieléctrico: no existe posibilidad de tensiones inducidas que pueden producir chispas o cortocircuitos.

5.1.-Principio de funcionamiento:

Para las transmisiones por fibra óptica se utilizan las longitudes de onda del infrarrojo, o sea 800 a 1600 nm, siendo los valores preferidos los de 850, 1300,1550 nm que es donde están las de menores interferencias.

Las fibras ópticas se componen de un cilindro material dieléctrico llamado núcleo rodeado por un revestimiento también dieléctrico con un índice de refracción

800nm

.

Luz Visible Transmisión con Fibra Óptica

1600 nm.


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ligeramente inferior al núcleo. La forma de propagación de la señal se basa en las propiedades de refracción y reflexión de la luz (reflexión total). Supongamos dos sustancias diferentes:

5.1.1.- Principio de Reflexión

1 ángulo de incidencia

N 2 ángulo de reflexión

n1

1 2 1 = 2

n2 n1 y n2 índices de refracción.

Cuando un rayo luminoso incide sobre la superficie de separación dos sustancias, una fracción de la misma se refleja. La proporción de la luz reflejada es función del ángulo que forma el rayo de luz

incidente con la perpendicular a la superficie de separación de los medios. Por rayo de luz se entiende la trayectoria dentro de la cual se extiende la energía luminosa.

Para el rayo luminoso es reflejado y su ángulo de reflexión 2 que este forma

con la perpendicular a la superficie de separación de la sustancia vale: * El rayo incidente, el reflejado y la perpendicular a la superficie de separación

de los medios, se encuentran en un mismo plano. * El rayo reflejado se halla en el semiplano opuesto en relación con el rayo

luminoso incidente y la perpendicular a la superficie de separación de las sustancias.

* El ángulo formado por el rayo incidente con la perpendicular, y el ángulo reflejado con la perpendicular son iguales.

5.1.2.- Refracción de la Luz.

n1 > n2 ángulo de incidencia ángulo de refracción

N

n1

n2


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Si un rayo luminoso incide con un ángulo de modo oblicuo desde una sustancia

óptimamente menos densa (aire) a otra más densa (vidrio), su dirección de propagación se quiebra y su trayectoria continúa en la segunda sustancia con un ángulo de refracción, diferente al de incidencia. Para una sustancia isotópica, o sea un medio o material que presenta idénticas propiedades en todas sus direcciones, vale la ley de refracción de Snell.

El cociente entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción

es constante e igual a la relación de las velocidades de la luz c1 /c2 en ambas

sustancias.

sen

sen =

2

1

c

c LEY DE SNELL

De dos sustancias transparentes, se considera más densa a aquella que posee la menor velocidad de propagación de la luz. Considerando la transición desde el vacío ( aire) en el cual la velocidad de la luz c0 a una sustancia con velocidad de la luz c1 se obtiene:

sen

sen =

2

0

c

c

La relación entre la velocidad de la luz en el vacío c0 y la de luz en una sustancia (c), se denomina índice de refracción "n" (o más exactamente índice de refracción entre dos fases) de esa sustancia, y es una constante del material. El índice de refracción del vacío ( aire) n0 es igual a uno. Para dos sustancias diferentes con los índices de refracción n1 y n2 y las correspondientes velocidades de la luz c1 y c2 vale:

C1 = n0 C1 = C0 C2 = n0 C2 = C0

C0 n1 n1 C0 n2 n2

de donde se obtiene otra expresión de la Ley de Refracción de Snell.

sen

sen =

2

0

c

c = n

La relación del seno del ángulo de incidencia al seno del ángulo de refracción es

inversamente proporcional a la respectiva relación de los índices de refracción

entre dos sustancias.

La sustancia óptimamente mas densa es aquella que tiene un índice de refracción

mayor y una velocidad de la luz menor.

El índice de refracción n de una sustancia depende fundamentalmente de la

correspondiente longitud de onda de la luz: en el caso del vidrio de cuarzo y las longitudes de onda del infrarrojo, de gran importancia para las comunicaciones

ópticas, este índice decrece continuamente cuando se incrementa la longitud de onda. La magnitud del índice de refracción vale para ondas luminosas que se propagan solamente con una única longitud de onda y con amplitud constante. En estas


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condiciones las ondas no pueden trasmitir informaciones, lo cual se logra solo cuando se aplica modulación a las mismas. En las comunicaciones ópticas (digitales) la modulación se efectúa por medio de pulsos luminosos, se trata de grupo de ondas de corta duración que contienen ondas luminosas de diferentes longitudes. Las diferentes ondas integrantes de estos grupos no se propagan con la misma velocidad ya que sus longitudes de onda difieren entre sí. La velocidad de propagación de un grupo de ondas se denomina velocidad de grupal, para la cual se define el índice de refracción del grupo ng por medio de la relación:

gn = d

dn.n

Las variaciones de n y ng en función de la longitud de onda luminosa para vidrio de cuarzo puro se observan en la figura.

Se observa que el índice de refracción del grupo es para cada longitud de onda, mayor que el índice de refracción, del de un rayo de una sola longitud de onda. Para calcular los tiempos de propagación de las señales ópticas se deben utilizar solamente el índice de refracción grupal. Como se dijo al principio la longitud de onda tiene una gran importancia en la transmisión, y se puede observar que el índice de refracción presenta un mínimo en 1300 nm.

5.2.- Reflexión Total: Cuando el rayo luminoso incide con un ángulo cada vez mayor desde una

sustancia óptimamente más densa con un índice de refracción n1 sobre la superficie de separación, con una sustancia óptimamente menos densa con índice de refracción n2, el ángulo de refracción β comienza a aumentar, y llega a tomar el valor de 90º para un determinado ángulo de incidencia. Para ese valor de ángulo de incidencia, el ángulo refractado ya no viaja por la segunda sustancia sino que lo hace paralelo a la superficie de separación de las dos sustancias. El ángulo de incidencia que hace que ocurra este fenómeno se denomina ángulo límite de las dos sustancias, y todos aquellos rayos que incidan con un valor de ángulo alfa superior al ángulo límite, ya no se van a refractar por la segunda


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sustancia sino que se van a reflejar totalmente por la sustancia que venia viajando, a este fenómeno se lo conoce como reflexión total. La reflexión total puede ocurrir únicamente cuando un rayo luminoso incide desde una sustancia ópticamente más densa sobre otra ópticamente menos densa y nunca se da en el caso inverso.

αL

α2 α1

β1

β2

Aplicando la Ley de Snell se cumple

Sen α1 = n2

Sen β1 n1 y para el ángulo limite, cuando β se hace igual a 90º

Sen αL = n2 Sen β0 n1

Sen αL = n2 n1

o sea que el ángulo limite es función de la relación de los índices de refracción de las dos sustancias.

A medida que se continua aumentando en ángulo de incidencia por encima del ángulo

limite, todos los rayos ya no son reflejados en la superficie de separación de ambas sustancias sino que se propagan por la sustancia óptimamente mas densa, que es por la que venia viajando antes de la incidencia.

5.3.- Apertura Numérica

En los conductores de fibras ópticas se utiliza el efecto de la reflexión total para conducir el rayo luminoso en virtud de ser estos conductores dos tubos concéntricos, el interior su "núcleo" formado por un vidrio con un índice de refracción n1 y envolviéndolo a este un "recubrimiento" formado con un vidrio con índice de refracción n2. El valor de n1 es mayor que n2 .


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Analizando la expresión sen 0 = 0n = 1

2

n

n se concluye que todos los rayos luminosos

que incidan con un ángulo menor que (90° - 0 ) con respecto al eje de la fibra óptica

son conducidos en el núcleo. Para acoplar al núcleo un rayo luminoso desde el exterior de la fibra (aire con índice de refracción n0=1) el ángulo (entre el rayo luminoso y el eje de la fibra óptica) se rige de acuerdo a la ley de refracción de Snell

0

1

090 n

n

sen

sen

L

10n

01

01

01

1

90

sennsen

cosnsen

sennsen o

Considerando la condición de ángulo límite sen 0 = 1

2

n

n

22

21

2

1

21 1

nnsen

n

nnsen

El máximo ángulo de acoplamiento max se denomina ángulo de acoplamiento del

conductor de fibra óptica y únicamente es función de los índices de refracción n1 y n2 de los materiales. Al seno del ángulo de aceptación se lo denomina apertura numérica (AN) del conductor de fibra óptica.

θ

αo 90- αo

Recubrimiento n2

Núcleo n1


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ANnnsen 22

21

Este valor es de gran importancia para el acoplamiento de la luz a los conductores de fibra óptica. Todos los rayos luminosos que incidan sobe el eje del conductor de fibra óptica con un ángulo (sólido) que el ángulo de acoplamiento máximo va a poder ser transmitido por el cable de fibra.. De la apertura numérica depende esencialmente la cantidad de luz que se puede acoplar al núcleo del conductor, por el cual este debería ser lo mas alto posible, ya que permitiría utilizar elementos electro ópticos mas baratos, pero tolerando algunos inconvenientes, que no afectan a las cortas distancias, que son las mezclas de los modos.

5.4.- Propagación de la Luz en el conductor de Fibra Óptica: En general se denomina interferencia a la superposición de dos o más ondas y su combinación para formar una onda única. Una manifestación típica de la interferencia de dos ondas se obtiene solamente cuando ambas tienen la misma longitud de onda y existe una diferencia de fase constante entre ambas en el tiempo, este tipo de ondas se denomina ondas coherentes. Si en determinado punto del espacio de ambas ondas presentan una diferencia de

fase igual a un múltiplo entero de (long. de onda), se produce una suma de sus

amplitudes, en cambio si esta diferencia es igual a un múltiplo entero de /2 (media

long. de onda), una resta, y si ambas amplitudes son iguales, incluso una anulación local de la misma. Si se utilizaran dos fuentes luminosas, por ejemplo dos lámparas incandescentes y se superponen sus luces no se observa ningún tipo de interferencia ya que su luz es incoherente. La causa se halla en el proceso de emisión de la luz del cuerpo luminoso. Para ello el ángulo espectral deberá ser lo más pequeño posible, esto se logra generalmente con los láser, que en virtud de una emisión de luz forzada dan la posibilidad de contar con una diferencia de fase constante a igual longitud de onda. Con ellos también aparecen interferencia en el conductor de fibra óptica, las cuales se reconocen porque la luz se propaga en el núcleo únicamente, en determinados ángulos que corresponden a direcciones en las cuales las ondas asociadas al superponerse se refuerzan. Las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse en un conductor de fibra óptica se denominan modos. Estos modos se transmitirán de forma diferente según sea el perfil del conductor de fibra óptica.

5.5.- Perfiles de los conductores de FO

Si en un conductor de F.O. se considera el índice de refracción (n) en función del radio (r), se tiene el perfil del índice de refracción de este conductor. Con el mismo se describe la variación radial del índice de refracción de conductor de fibra óptica desde el eje del núcleo hacia la periferia de recubrimiento. La propagación de los modos en el conductor de F.O. depende de la forma de este perfil de índice de refracción.


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En la práctica interesan los perfiles exponenciales; bajo esta denominación se entienden aquellos perfiles de índices de refracción que presentan una variación que es función del radio del núcleo del conductor.

En el caso de un perfil escalonado el índice de refracción es constante en el núcleo.

En todos los demás perfiles el índice de refracción )r(n en el núcleo se incrementa en forma gradual desde el valor n2 en el recubrimiento hasta el n1en el eje del conductor de fibra óptica. En virtud de este tipo de variación se denomina a estos perfiles también perfiles graduales.

5.4.1.- Perfil Escalonado

En un conductor de fibra óptica donde el índice de refracción n1 se mantiene constante en toda la sección del núcleo, se habla de un perfil escalonado, pues el índice se incrementa en forma de escalón a partir del valor que tiene en el recubrimiento hasta el que posee en el núcleo y que allí permanece constante. La fabricación de este conductor es sencilla. Con el índice de refracción constante a lo largo del radio del núcleo, si en el extremo inicial del conductor, cada uno de estos modos es excitado con un ángulo de acoplamiento diferente estos se propagan a lo largo del mismo con la misma velocidad y recorriendo diferentes trayectorias en forma zigzagueante, por lo cual llegan al otro extremo del conductor a diferentes momentos, un conductor de estas características se denomina multimodo. La relación entre los tiempos de recorridos máximo y mínimo es directamente proporcional a la relación entre los índices de refracción del recubrimiento y del núcleo. Esta diferencia de tiempos produce una dispersión llamada dispersión modal, que es un efecto no deseado, ya que da lugar al ensanche del pulso luminoso de corta duración que atraviesa al conductor de fibra óptica, constituyendo una desventaja para las comunicaciones ópticas, ya que disminuye la velocidad de transmisión, o hace aumentar el ancho de banda ocupado. Esta mezcla de modos se produce con mayor intensidad en las irregularidades del núcleo y en las curvaturas. Para disminuir los efectos no deseados en forma considerable se fabrican fibras ópticas donde el índice de refracción en el núcleo varía.

5.4.2.- Perfil Gradual Cuando el índice de refracción del núcleo, varía en forma desde un valor máximo n1 en el eje del conductor y decae hasta otro valor n2 en el límite con el recubrimiento a

n2

n1


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este tipo de perfiles se los denomina perfiles graduales. Esta denominación se ha adoptado especialmente para el perfil parabólico. Cuando el índice de refracción no es constante a lo largo del radio del núcleo, los rayos luminosos recorren el conductor de fibra óptica describiendo trayectorias onduladas o helicoidales; contrariamente al conductor de perfil escalonado, en cuyo caso los rayos se propagan en forma zigzagueante.

Como consecuencia de la variación continua del índice de refracción )r(n en el

núcleo, los rayos luminosos también se refractan continuamente variando su dirección de propagación al recorrer estas trayectorias helicoidales. Si bien los rayos que oscilan en torno del eje deben recorrer aún un camino más largo que el que se propaga en forma rectilínea a lo largo de este eje, pueden desarrollar una mayor velocidad, proporcional al menor índice de refracción que tiene el material en los puntos más alejados del eje, y así se compensa en el tiempo la mayor extensión del recorrido. Como resultado de esta compensación se logra disminuir la mezcla de modos, por lo tanto la diferencia de tiempos de recorrido. Cuando se conforma con exactitud el perfil parabólico de índice de refracción, se han medido, con un tiempo de recorrido de la luz de 5 ns. /Km. Dispersiones de tiempo del orden de 0,1 ns. Esta diferencia se produce prácticamente por la dispersión del material, mientras que en un perfil escalonado en iguales condiciones las dispersiones de tiempo estarían en el orden de 5 ns.

En un conductor de fibra óptica con perfil escalonado y múltiples modos, estos se propagan a lo largo de diferentes trayectorias por lo cual llegan al otro extremo del conductor a diferentes momentos.

5.4.3.- Perfil escalonado monomodo: Se puede eliminar la dispersión modal, haciendo que por el conductor de fibra óptica se propague único modo, el modo fundamental, un conductor de fibra óptica de estas características se denomina monomodo Para reducir el número de modos, se debe reducir el diámetro del núcleo, a la apertura numérica o aumentar la longitud de onda.

n2

n1

n2

n1

n1 = n2

n1 = n2

n1 max

n2

n1

n2

n1


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De la apertura numérica depende esencialmente cuanta luz se puede acoplar al núcleo de conductor, por lo cual debería ser lo mas elevado posible. La reducción del radio del núcleo es posible en forma limitada, en razón de tornarse cada vez más dificultoso el manipuleo y las técnicas requeridas para el conexionado. Por otra parte, se torna más dificultosa la fabricación de emisores y receptores para frecuencias mas elevadas y en consecuencia su valor no se puede incrementar a discreción. Para un conductor mono modo cuyos valores de radio del núcleo son 4,5 micro metro y la apertura numérica 0,11, la que se logra con diferencias de índices de refracción entre el núcleo y el recubrimiento del orden de 0,003%, las longitudes de onda que se van a transmitir están en el orden de los 1300 micro metros, que para este conductor se denomina longitud de onda limite. En el núcleo de este conductor de fibra óptica, se podrá propagar un único modo para todas las longitudes de onda mayores a la longitud de onda de la onda límite. O sea que a partir de la longitud de onda limite el conductor se comporta como un conductor de fibra monomodo.


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5.6.-Fabricación de las Fibras Ópticas

Las fibras ópticas se clasifican según su composición en: Fibras de sílice, Fibras de vidrios poli componentes, Fibras con revestimiento de plástico y Fibras de plástico.

Hay 5 métodos para fabricar fibras ópticas, uno por medio de la mezcla de los componentes y los otros cuatro (4) son por deposición, los elementos, que se utilizan son el de silicio o silicatos en forma de cloruros.

Clasificación de las fibras ópticas según su composición Fibras de sílice: poseen principalmente dióxido de silicio Si O2. Fibras de vidrios poli componentes: Si O2 + óxidos y carbonatos. Fibras con recubrimiento de plástico. Fibras de plástico.

Las dos primeras se denominan fibras de óxidos y son las únicas aplicadas en comunicaciones. Las fibras de sílice poseen principalmente dióxido de silicio SiO2, mientras que las de vidrios poli componentes constan además de varios óxidos y carbonatos. El índice de refracción en las fibras de sílice se modifica con dopantes, como ser Ge O2, P2O5, y otros.

n 2 4 6 8 10 12 14 mol %

Variación del índice de refracción en función de la concentración de dopantes

La materia prima son cloruros como el SiCl4, GeCl4, y POCl3. A la temperatura ambiente los silicatos se encuentran en fase liquida y suelen usarse en la fase de vapor para efectuar la deposición, eliminando las contaminaciones del material de transición magnitud muy inferior a los cloruros. Las fibras de vidrios poli componentes son fabricadas por el método del doble crisol,. La atenuación mínima que puede lograrse es del orden de 10 db. / Km. En cambio las fibras de sílice son fabricadas por varios métodos distintos y la atenuación lograda es menos. Esto hace que las fibras de vidrio poli componentes se utilicen para cortas distancias, dejando las fibras de sílice para media y larga distancia.

Tanto el método del doble crisol como los métodos de deposición son métodos discontinuos. Se fabrica primero una “preforma”, donde la fibra óptica se hace una varilla de cuarzo, que esta en el orden de los 8 a 10 mm de diámetro, por 1 m de longitud aproximadamente, con esa preforma, luego se la estira alcanzando una longitud

1,50

1,49

1,481,44

1,46

1,45

1,44

1,471,44

G2O

F

B2O3

P2O5


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aproximadamente de 1 o 2 km., o sea que esa preforma que tiene un diámetro inicial de 8 a 10mm y entre un (1) metro o 1,80m de longitud, termina siendo un conductor de

aproximadamente 1 o 2 km. de acuerdo al diámetro final del conductor

El método axial, es un método que inventado por la NTT de Ibaraki, Japon, el fundido de los materiales, la proforma y el estirado de la fibra se hace de una sola vez, comienza formándose la proforma por deposición y termina en un tambor donde se produce el estirado de la preforma y el arrollado del conductor, de esta manera se logra un método continuo..

5.6.1.- Método del Doble Crisol

La fabricación de fibras de vidrio poli componentes, es un proceso de dos etapas. Primero se produce el vidrio de polvos de alta pureza y luego se estira la fibra por el método del doble crisol. En las figura2 muestra el mecanismo de producción del vidrio ultra puro. Los reactivos como ser SiO2, Na2CO3, CeCO3, se mezclan en proporciones adecuadas, se purifican mediante intercambios de iones, destilación y extracción de disolventes,. Estos polvos se colocan en el horno de la figura, el cual está calentado por inducción de radiofrecuencias de RF. La técnica que se describe fue desarrollada por la Universidad de Sherffield y por los laboratorios de la Stándar de Inglaterra. Previo al uso de los crisoles de silicio puro se utilizaron crisoles de platino, pero la atenuación obtenida estaba cerca de los 50 db / Km., era mayor a la prevista teóricamente. Las razones de ello se las atribuyeron a que las impurezas desde el crisol pasaban al vidrio durante la fundición. El uso de crisoles de silicio elimino este problema a de contaminación con iones ferrosos y cúpricos. A temperaturas mayores de 1300 °K. los vidrios alcalinos tienen conductividad iónica suficiente para producir el aclopamiento entre el campo de RF de 5 MHz. y el material fundente. Esto permite varias cosas, por un lado basta con tener un calefactor de grafito, inmerso dentro del campo de RF, que de un calentamiento inicial al crisol y luego el campo de RF se encarga de mantener la temperatura cuidadosamente controlada. Por otro lado como solo el material fundente recibe energía del campo, el crisol se mantiene frío mediante una corriente gaseosa o de agua. Esto produce además un salto, de temperatura entre el material y el crisol que crea una capa de sílice sólida en las paredes del crisol ayudando a aislar el material fundente. Es conveniente recordar que la temperatura de fusión del dióxido de silicio puro, cuarzo, es mayor que la del material fundente, pues este tiene dopnates que rompen la red cristalina y disminuye la temperatura de fusión. Para homogeneizar el material totalmente, de forma de disminuir las dispersiones de Ryleigh y Mie, se produce una agitación del material fundido por medio de un burbujeo de gas inerte no reaccionante. Se eleva la temperatura hasta disminuir la viscosidad permitiendo a las burbujas alcanzar la superficie. El método de estirado se reproduce en la otra figura. El montaje consta de dos crisoles concéntricos fabricados de platino de alta pureza o de sílice. El orificio inferior de cada crisol se diseña en función de la geometría de la fibra óptica deseada. Así, basta con cambiar el diámetro del orificio del crisol inferior para producir fibras multimodo o mono modo. El vidrio se introduce en el crisol en forma de varilla, pudiendo alimentarse continuamente.


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La temperatura del horno se mantiene mediante el acoplamiento de RF de forma tal que la viscosidad es adecuada para el estirado. El estirado se efectúa por el arrollamiento directo sobre un tambor giratorio colocado debajo del crisol. La geometría del perfil del índice de refracción se gradúa con la posición relativa de los orificios de salida de ambos crisoles. Así, un acercamiento pronunciado entre ambos orificios produce una mezcla reducida de los vidrios componentes del recubrimiento en el crisol exterior y del núcleo en el interior. El perfil resulta ser abrupto. Por otro lado una separación mayor permite la mezcla de vidrio y la creación de perfiles de “variación gradual”. Otros parámetros que permiten el control del índice de refracción es la temperatura de los crisoles y la velocidad de estirado. Perfiles de índice de refracción gradual se han logrado con titanio como dopante.

Sin embargo este método se reserva para fibras de índice abrupto, ya que la mezcla de vidrios es difícil de controlar. Los límites práctico para esta técnica de fabricación son

de 10 db. / Km. de atenuación y una dispersión de 0,5 ns. / Km.

5.6.2.- Método OVDP (Outside vapor deposición Process), Oxidación exterior en fase de vapor

Este proceso fue desarrollado por la Carning glass Works y fue el primero en lograr atenuaciones inferiores a 20 dB/Km. Hoy día se logran atenuaciones de 3 dB/Km. para 850 nm de longitud de onda. Este proceso, como el grupo que continúa, se utiliza para la fabricación de fibras de sílice. El proceso se divide en dos partes, por un lado la creación de una preforma y por otro el estirado de la preforma. Por ser para todos los métodos igual, el estirado sólo se explicará una sola vez, mas adelante.

Esquema de producción

del vidrio p/fibras .Fig 2

Esquema de estirado de fibras de vidrio

mediante el método de doble crisol


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El hecho de crear una preforma antes de su estirado hace de estos métodos, excepto el VAD] de producción discontinua. La creación de la preforma, parte de un sustrato sobre el que se hace crecer la fibra de sílice. La técnica de deposición se ve en la figura. El sustrato es un tubo de sílice, a lo largo del cual se mueve un quemador en forma transversal. La llama de CH4-02, o de oxígeno- hidrógeno, se encuentra a una temperatura desde 1500° a 1800 °K. A fin de producir una deposición geométricamente equilibrada se hace girar el sustrato. Los gases de reacción de la llama entran en el tubo a una velocidad controlada y reaccionan en la zona de calentamiento con el 02. Se observa que, la reacción libera C12 y el oxigeno molecular 02 sobrante en la reacción. A fin de evitar la contaminación de la preforma con grupos oxidrilos OH debe controlarse al máximo la presencia de H2. El perfil del índice de refracción varía con la composición de la llama, la temperatura y la velocidad del mechero, así como con el número de capas creadas. Como el tubo de sílice que da origen a la preforma debe quitarse antes de proceder al estirado, queda un hueco central que debe quitarse mediante el colapso de la preforma en una atmósfera controlada de helio. El tubo se calienta hasta la temperatura de reblandecimiento por una llama transversal y se contrae por la acción de las tensiones superficiales. La temperatura de reblandecimiento es elevada por lo tanto provoca la evaporación en el estrato central, de una parte de los dopantes depositados previamente, esto causa un abrupto pico de caída del índice de refracción. Si bien este problema no puede ser eliminado, se reduce aumentando la cantidad de dopantes en los copos centrales o produciendo el colapso en una atmósfera enriquecida de dopantes. Con este método se pueden construir preformas de 8 mm por 1,8 m, lo cual da lugar a fibras de 10 km de longitud. La deposición se realiza a 2 grs./min. y con una eficiencia del 50%

Método de fabricación de la preforma por el método OVDP: fabricación,

consolidación y estirado.


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5.6.3.-Método MCVD [modified chemicol vapor deposición] [Deposición de vapor químico modificado]

Este proceso fue elaborado por laboratorios Bell de los EE.UU de Norteamérica como una variante del método IVPO [inside vapor Phase Oxidación]. El criterio se basa en la deposición interna de un tubo de cuarzo [sílice ultra puro] de 12 x 14 x 92mm en rotación para mantener la homogeneidad geométrica. Según se ve en la figura N°5, una llama de oxígeno- hidrógeno a 1900°k se mueve a una velocidad de 0,35 cm/ s a fin de crear dentro del tubo una zona de reacción. La temperatura es controlada por un pirómetro infrarrojo. Los reaccionantes son transportados por una corriente de 02, impulsado por una bomba de vacío. Las reacciones son idénticas al método OVDP. El tubo de cuarzo actúa como recubrimiento [clodding] de la fibra. Aunque, como sus dimensiones son pequeñas con respeto a los copos depositados, para el estirado se le coloca una capucha para adecuar las dimensiones. La ausencia de contaminantes, como el hidrógeno, dentro de tubo de sílice, contribuye a disminuir la atenuación por [oxidrilo]. Para prevenir la difusión de iones OH desde el tubo de sílice hacia las copas del núcleo se deposita una gruesa capa, como barrera para la difusión antes de proceder a la deposición de las capas del núcleo. El perfil del índice de refracción se controlo mediante la concentración de dopantes, la velocidad y temperatura de la llama, y la cantidad de capas creadas. La ecuación total para la producción de la capa se divide en tres partes: reacción, deposición y síntesis. Todas deben ser eficientes para lograr características de transmisión aceptables. Nuevamente debe realizarse un colapso de la preforma ya que la deposición de la capa central es difícil y no queda homogénea La solución planteada para el método anterior es válida también para éste.

Esquema de fabricación de la preforma por el

método de MCVD.

5.6.4.- Método PCVD [ plasma Activoted vapor deposición ] [Deposición de vapor

Químico activado por plasma ]

Este método es una variante del MCVD desarrollado por los laboratorios de la Philips.

En la figura N°6 se muestra un esquema del método. La reacción de transformación de los reaccionantes o óxidos es estimulado por un plasma no isotérmico que es el encargado de producir la solidificación de los cloruros.


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El método parte de un tubo de sílice por el cual circulan los reaccionantes bombeados por una bomba de vacío y transportados por 02. El tubo se encuentra inmerso en una cavidad resonante móvil de microondas, conectado aun generador de 2 o 3 GHz y de 100 a 500w. El tubo de sílice se lo hace rotar para obtener la simetría adecuada. La reacción de deposición tiene lugar aún a temperatura ambiente, pero en este caso el vidrio resulto agrietado. A fin de evitar esto se mantiene el sistema a 1300°k por medio de una resistencia de calentamiento. La cavidad de microondas que provoca la reacción de deposición, se transporta a lo largo de la preforma como en el caso se lo llama del método MCVD. La eficiencia de deposición es del 90 al 100% y la tasa de deposición es de 50 a 100um/ min. La cantidad de capas depositadas puede ser muy alta, entre 500 y 3000, debido a que la zona de plasma puede ser movida con gran velocidad dentro del tubo. Los gases residuales de la reacción son C12, y el exceso de 02. La mayor ventaja del método PCVD frente al MCVD es la elevada reacción del movimiento y la falta de inercia térmica del plasma que produce la reacción. Hay un sistema de control en el motor que va arrollando que va trabajando a una velocidad en función del diámetro de la fibra óptica.

Fabricación de la preforma mediante PCVD.

5.6.5.- Método VAD [Vapor Phase Axial Deposición] [Deposición axial en fase de

vapor] El método de deposición axial en fase de vapor se desarrolló en los últimos anos en los laboratorios de la NTT de Ibaraki, Japón. En este método la preforma crece en dirección axial, mediante la deposición de finas partículas de vidrio sintetizados en la fase de vapor. Como el crecimiento es axial el método resulta ser continuo, pudiendo si se desearse realizar la preforma y el estirado en una misma línea de producción. Esta preforma es porosa y se la consolida en una preforma transparente mediante un anillo de calentamiento. La figura N °7 muestra el esquema de la línea de producción. El colapso de la preforma se realiza así en el mismo medio ambiente de producción lo que deviene es un mejor control de la impurezas. A fin de mantener la simetría cilíndrica la preforma es girada por un motor, el cual la levanta en la medida que crece axialmente. El proceso de fabricación requiere regular constantemente el flujo de material, la temperatura de la llama, la temperatura de la superficie de la preforma, la velocidad de rotación de la preforma con respeto a los quemadores. Fluctuaciones de estos parámetros causan variaciones del diámetro y del perfil de índice de refracción. Los quemadores son tubos de silicio coaxiales donde el material en fase de vapor penetra por el tubo central y los gases de combustión [oxigeno- hidrógeno] son provistos por el tubo exterior. La velocidad de deposición es de 0,5 a 1 g / min. Para

velocidades mayores se degrada el perfil del índice y la eficiencia de deposición que normalmente se encuentra en el 60 a 80%. La preforma porosa tiene un diámetro de


128

50 a 70mm, mientras la preforma transparente, luego de la consolidación tiene 20 a 30 mm. Con valores así las fluctuaciones de diámetro están en el orden del 1% y las desviaciones de circularidad de 0,05%. El largo medio de la preforma suele ser de 50 a 80 cm. Un control fino del perfil del índice de refracción que sea comparable al logrado por el método MCVD, es factible con la colocación de múltiples mecheros. Sin embargo, el más importante factor de control resulta ser la temperatura, la cual determina la concentración de Ge 02. La única contaminación de iones óxidrilo puede provenir de los gases de combustión, pudiendo reducirse la concentración de OH a niveles menores de 0,1 ppm. Hay dos quemadores de grafito que trabajan a temperaturas de 1400 a 1800°k.

Método VAD

5.7.- Estirado de la preforma

Las propiedades de transmisión de las fibras ópticas, como ser la atenuación el ancho de banda y la resistencia mecánica, dependen del proceso de estirado y de la protección de la fibra. El estirado crea a partir de la preforma, la fibra óptica propiamente dicha. La operación se efectúa en una unidad como el de la fig. N°8


129

Un horno con excelente control de temperatura, produce la viscosidad apropiada paras el estirado. Las fuentes de calor en uso incluyen el láser de C02.quemadores de oxigeno- hidrógeno, resistencias de grafito o fuentes de inducción. En el estirado por medio de un arrollamiento en un tambor horizontal, requiere el control estricto de velocidad y temperatura del horno. El estirado se hace posible por la tensión superficial del vidrio. Para el caso de fibras multimodo de índice gradual el CCITT se expidió en la recomendación G651[Ginebra]. En la medida que se produce el estirado de la fibra se enfría y tiende a oxidarse la superficie en el medio ambiente. si no se protegiese la superficie, la oxidación produciría una rápida degradación de las condiciones de transmisión y mecánicas. en los vidrios comerciales el mecanismo de oxidación se suele evitar con un sobreenfriamiento de la superficie llamado templado En las fibras ópticas se coloca un recubrimiento primario de forma que actúa como aislante a la oxidación, los recubrimientos que se colocan son dos capas: una de hexametildisilazan y otra de un polímero como el acetato- etileno vinílico. En el mercado mundial las fibras se consiguen en estas condiciones. El fabricante que dispone de una extrusora le colocará el recubrimiento secundario y compartirá las fibras para crear el cable de fibras ópticas.

Estirado de la preforma.

CONCLUSIÓN


130

Con respecto a las bondades de cada método de fabricación es conveniente referirse a la contaminación con iones hidróxilo que dominan la escena actual de atenuación. El método de MCVD reporta la más baja contaminación con 10 -9 de concentración. Los métodos OVDP y VAD son complejos para disminuir la contaminación ya que ello proviene directamente de la combustión de la llama. En 1980 se fabricó una fibra con muy bajo nivel de contaminación con el método VAD, cercano a 10 - 9. El mecanismo del doble crisol produce fibras de mayor atenuación que las fibras de sílice por lo que se reserva para un tipo de fibra que ha de utilizarse a corta distancia.

5.8.- Pruebas Mecánicas sobre un conductor de Fibra Óptica Si bien la primera idea que se tiene de hablar de una fibra óptica, es pensar que es un elemento sumamente frágil, esto no es verdad. La resistencia mecánica intrínseca de la fibra óptica es mayor que la del acero. Lo que sucede en la práctica es que sobre la superficie de la fibra óptica aparecen micro fisuras que rápidamente se propagan por el interior de la misma con lo cual la robustez mecánica se ve seriamente comprometida. Con el objeto de evaluar el desempeño de un cable de fibra óptica frente a distintas solicitaciones mecánicas a que puedan verse sometido, los fabricantes y usuarios de cables ópticos han desarrollado una serie de ensayos que tratan de imitar distintas condiciones de trabajo a las que se enfrenta el cable durante la instalación. Las distintas pruebas son:

1. Prueba a la tracción.

2. Prueba de compresión

3. Prueba de IMPACTO

4. Prueba de DOBLADO

5. Prueba de torsión

Prueba a la Tracción El objeto de esta prueba es verificar el comportamiento del cable durante la instalación y determinar cual es la máxima tensión a la cual puede ser sometido el cable sin que se afecten las propiedades de transmisión de las fibras y / o se verifique la rotura de un de ella después de aplicarle las carga convenidas y al no producirse la rotura se le puede realizar medición de atenuación para determinar si fueron afectadas sus propiedades de transmisión

Equipo para la prueba de tracción

Pruebas de Compresión


131

Esta prueba se efectúa para establecer el comportamiento de un cable óptico cuando se ve sometido al esfuerzo de compresión localizado sobre un área relativamente grande. Se busco simular la situación que ocurriría si durante la instalación el cable es pisado por alguna persona o algún automotor. La muestra del cable se coloca entre dos placas metálicas, evitando que existan movimientos laterales, se aplica la carga gradualmente hasta que se detecte la rotura y/o variación de atenuación de una fibra. Comprimida la fibra óptica lo que se hace es inyectar una señal de luz y se mide la atenuación en el tramo. Así cargada debe cumplir con los niveles de atenuación que nos asegura el fabricante.

Equipo para la prueba de compresión

Prueba de Impacto Lo que se trata de simular es que en el momento que se está instalando la fibra óptica se caiga una herramienta sobre el mismo. Entonces sobre un tramo de fibra óptica se le sujeta de manera tal que no tenga movimientos laterales y con un peso se la golpea cuatro o cinco veces, se la carga el peso un martillo de 1kg o 1,5 Kg. aproximadamente y después se mide la atenuación de la fibra óptica, que debe comportarse según lo especificado para que esta este correcta.

Equipo para la prueba de impacto


132

Prueba de Doblado Esta prueba esta destinada a establecer como se comporta un cable de fibra óptica cuando se lo somete a sucesivos doblajes, situación análoga a la que el mismo cable se ve sometido durante la instalación. El ensayo consiste en plegar alrededor de un mandril de diámetro 20 veces mayor al del cable unas cuantas vueltas, verificando luego que no se haya dañado ninguna fibra ni la vaina del cable.

Prueba de Torsión El objeto del ensayo es determinar el comportamiento del cable de fibra óptica cuando se lo somete a una torsión, durante la instalación. Para ello se toma un trozo de fibra óptica, se la fija por un extremo y luego se la hace rotar 180° en los dos sentidos, hacia la izquierda y hacia la derecha. Su valor de atenuación no debe variar ni debe romperse la cubierta de la misma.

5.9.- Medición de Parámetros de la Fibra Óptica

El acoplamiento de la luz en un conductor de fibra óptica es muy importante para la posterior distribución de la potencia luminosa en dicho conductor, ya que la potencia de un punto luminoso acoplado se distribuye entre cada uno de los modos en la fibra óptica multimodo. En caso de una excitación total, se irradia con luz a todo el núcleo del conductor, en virtud de lo cual se excitan todos sus modos, tanto de orden inferior como superior. Dado que estos modos son atenuados con diferente intensidad a lo largo del conductor, provocan además por intercambio de energía una mezcla de modos que se medirá según la longitud del conductor, una distribución diferente de la potencia luminosa y de los tiempos de recorrido. En consecuencia las condiciones en el extremos final de un conductor de fibra óptica multimodo dependen del acoplamiento de la luz en el comienzo, de su excitación es total o no y de la mezcla de modos durante el recorrido. En las fibras multimodo es indispensable definir un método de acoplamiento de la luz para obtener métodos de medición exactos, para ello se considera que después de

Fibra óptica

180°

180°

Mordaza

Mordaza

1 a 1,5 m


133

cierta longitud del conductor, la intensidad con la cual se mezclan los modos establece un estado estacionario de modos a partir del cual la distribución de la energía entre los distintos modos se mantiene constante. Resulta muy importante medir los parámetros de transmisión en el estado estacionario, el cual técnicamente puede ser alcanzado de diferentes maneras. Una de ellas consiste en acoplar la luz del conductor bajo medición con ayuda de una fibra de referencia, en la cual debido a su longitud ya ha sido alcanzado el estado estacionario, dado que este se alcanza después de una longitud considerable, las fibras de referencia deberían ser de un largo considerable. Ello se evita produciendo en un conductor de fibra corto un fuerte acoplamiento de modos por medio de perturbaciones mecánicas irregulares. Estos tramos se denominas mezcladores de modo, y se pueden lograr por efecto de presionar un tramo de fibra óptica lo sobre una superficie áspera, como una lima, una tela esmeril, etc. o curvándolo en torno de pequeñas esferas. Una intensa mezcla de modos se logra también empalmando, sucesivamente tramos de 1 o 2 m de longitud de conductor de fibras que tengan perfil escalonado y gradual, o sea 1 tramo de perfil gradual de 1 o 2 m, otro de perfil escalonado de 1 o 2 m y así en forma alternativa, dos o tres tramos diferentes de 1 o 2 m de longitud. Se utiliza un filtro de modos si en un acoplamiento resulta necesario suprimir los modos de orden superior. Para confeccionar un filtro de estas características se arrolla el respectivo conductor de fibra alrededor de una forma cilíndrica con un diámetro aproximado de 1 cm. Suprimiendo de esta forma los modos de orden superior. En general se puede decir que un mezclador de modos se utiliza para excitar a todos los modos y un filtro de modos en cambio para limitar dicha excitación a determinados modos. Además de estos medios mecánicos para obtener un estado estacionario también se utilizan, frecuentemente medios ópticos auxiliares. Se pueden evitar los problemas con modos fugados y modos en el recubrimiento si se excitan únicamente los modos de orden inferior.

5.9.1.- Atenuación

La luz que se propaga por un conductor, experimenta una atenuación, perdida de energía. Para cubrir grandes distancias sin emplear repetidoras intermedios es necesario mantener estas perdidas en un mínimo posible. Las magnitudes de estas perdidas dependen entre otros factores de la longitud de onda acoplada, por ello generalmente es útil medir la atenuación de un conductor de fibra óptica en función de la longitud de onda. La mezcla de los modos, en la transmisión, es otra de las causas que produce atenuación en la fibra óptica. Otro de los factores que produce atenuación en la fibra óptica, la incorporación o agregado involuntario cuando se fabrica el cristal de cuarzo del grupo oxidrilo que produce absorción para determinadas longitudes de onda, 13300 nm., la pérdida luminosa por dispersión existe para todas las longitudes de onda. Estas dispersiones se producen por in homogeneidades en la fibra, cuyas dimensiones son por lo general menores que la longitud de onda. Se puede utilizar para determinar estas perdidas con buena aproximación la Ley de la Dispersión de Rayleigh, que indica que a medida que aumentan las longitudes de onda, las perdidas por dispersión decrecen con la cuarta

potencia 4

1

Si se comparan las perdidas por dispersión en longitudes de onda preferidas para telecomunicaciones ópticas 850,1300 y 1550 nm. Se observará que a 1300 nm. Las perdidas ascienden a solo el 18 % y a 1550 al 9% del valor que tenían a 850 nm.


134

Si se observa la propagación de la luz, en un conductor de fibra óptica en estado estacionario se verificará que la potencia luminosa P conducida decrece en forma exponencial con la longitud del conductor.

1010.

L

LoLf PP

PLo Potencia luminosa al comienzo del conductor PLf Potencia luminosa a una longitud L del conductor ɑ Coeficiente de atenuación dB/Km. L longitud del conductor

Métodos de medición Los métodos de medición de la atenuación utilizados son el método de corte y el método de inserción. Métodos de Corte En el método de corte se determina la potencia lumínica en dos puntos L1 y L2 del conductor de fibra óptica, estando habitualmente L2 en el extremo del conductor y L1 al comienzo del mismo. Cuando se realiza la medición se mide primero la potencia lumínica en el extremo L2 del conductor y luego para realizar la medición en L1 se debe realizar un corte en el conductor sin afectar las condiciones del acoplamiento entre la fuente luminosa y el conductor de fibra óptica. El coeficiente de atenuación para el conductor de fibra óptica se calcula con la expresión

)(

)(log

10

2

1

12 LP

LP

LL

PL2 potencia lumínica en el extremo PL1 potencia lumínica en el inicio del conductor Este método es destructivo ya que es necesario realizar un corte en el conductor de fibra, lo cual no tiene sentido en cables preconfeccionados. En este caso es más ventajoso el método de inserción, en el cual se determina la potencia luminosa en el extremo del conductor bajo medición para después compararla con la potencia luminosa en el extremo de un tramo corto de conductor de referencia que debe tener las mismas características y conformación que el conductor que se esta midiendo. Cuando se efectúa la medición se debe verificar que las condiciones de acoplamiento al tramo de referencia sean en lo posible similares a los del conductor bajo mediciones. A causa de estas restricciones son menos exactas las mediciones efectuadas con el método de inserción que con el método de corte. En el método de medición de la atenuación por transmisión de la luz, esta se acopla al principio y finalmente se la mide en el extremo. Se puede considerar como desventaja de este método que la medición se efectué en forma de sumatoria sobre el largo del conductor, sin que se obtenga ninguna información adicional sobre como varían las atenuaciones a lo largo del conductor.

db


135

Métodos de Retrodispersión

Con el método de retrodispesión, la luz se acopla y se recibe en el mismo extremo del conductor, por medio de este método se puede obtener información mas detallada acerca de la variación de la atenuación a lo largo del conductor bajo medición. Este método se basa en la dispersión de Rayleigh, mientras que una fracción principal de la potencia lumínica se propaga hacia el extremo del conductor, una pequeña se dispersa retornando hacia el emisor. Esta potencia luminosa retrodispersada experimenta a su vez una amortiguación en el trayecto de retorno. La luz remanente que llega al principio del conductor se desacopla y se mide. Con la potencia, el tiempo de recorrido en el conductor es posible realizar un diagrama del cual se desprendan las variaciones de la atenuación a lo largo del conductor. Si el coeficiente de atenuación, y el factor de retrodisperción son constantes a lo largo del conductor, se obtendrá una curva exponencial decreciente desde el comienzo mismo. A causa del salto del índice de refracción al principio y al final del conductor, se retrodispersa allí una gran proporción de potencia lumínica, que produce un pico al principio y al final de la curva. La diferencia de tiempos Δt entre ambos picos, la velocidad de la luz en el vacío y el índice de refracción del grupo en el núcleo permiten calcular la longitud L del conductor de fibra.

L = Δt c0 / ng

Donde L = longitud del conductor, Δt diferencia de tiempos entre el pico del pulso inicial y final en segundos, c0 velocidad de la luz en el vacío y ng índice de refracción del grupo de ondas en el núcleo.

El coeficiente de atenuación ɑ de un tramo parcial del conductor de fibra desde L1

hasta L2 se calcula:

)2

1

12 (

)(log

5

LP

LP

LL

Si se compara con la expresión obtenida por la de la transmisión de la luz, en la presente el factor 5 se debe a que la luz recorre el conductor dos veces. Esta ecuación es valida a condición de que el factor de retrodispersión, la apertura numérica y el

diámetro del núcleo del conductor no varíen a lo largo del conductor. Al no ser posible asegurar la invariabilidad de esos factores, se recomienda efectuar una medición desde cada punta del conductor y luego promediar los valores. A causa que la potencia retrodispersada es relativamente débil son mayores las exigencias a que debe ajustarse la sensibilidad de los receptores, instrumentos llamados reflectometros

Km.


136

o puesto de medición de la retrodispersión. Con esta medición además de determinar el coeficiente de atenuación, se puede verificar la localización de todos los puntos de discontinuidades, perdidas ópticas en empalmes o empalmes.

El montaje del equipo de medición se formado por un emisor de luz que lo acoplo a la fibra óptica, un espejo, que permite el paso de la luz en un sentido y desacopla el rayo de luz retrodispersado, y lo desvía al elemento de medición Ej. ponemos un osciloscopio, para ver la forma de onda que tiene esa luz que vuelve Diagrama de la variación de la atenuación a lo largo de todo el conductor.

A causa del salto del índice de refracción al principio y al final del conductor de FO, se retrodispersa, una gran proporción de potencia luminica que produce un pico al principio y otro al final de la curva. Con la diferencia de tiempos entre ambos picos, la velocidad de la luz en el vacío y el índice efectivo de refracción del grupo en el núcleo (ng) se puede calcular la longitud del conductor. Este primer pico que se produce, es porque cuando llega la luz a la Fibra Óptica se produce una fuerte dispersión. Hay un fuerte rebote de energía, entonces me va ha

L1 L2 L L (long del conductor)

Potencia retrodispersada

Espejo

Detector

Fibra Optica Emisor

Equipo de

evaluación


137

dar un pico (L1) que me está indicando, que allí está el comienzo de la fibra óptica, estos saltos o estas fuertes atenuaciones están indicando empalmes o imperfecciones en el conductor.

5.10.- Ancho de Banda

El ancho de banda constituye una medida del comportamiento dispersivo de la luz. Cuando a una F.O. se le inyecta un pulso que está modulado, debido a la mezcla de modos, y a medida que se propaga a lo largo del conductor se va ensanchando, incrementando su duración a causa de la dispersión. Ese ensanchamiento que se produce lo que está haciendo, es producir un quite de espacio para transmitir otras señales (demora el viaje de la señal)

Metodología de Medición del Ancho de Banda

Obtención del Ancho de Banda midiendo frecuencias

Si este efecto se traslada al campo de las frecuencias el conductor de FO se comporta como un filtro pasa bajo o sea a medida que se aumenta la frecuencia, comienza a suprimir los modos, responde a la ley gaussiana que dice que cuando el coeficiente de atenuación de a,5 de la potencia de una onda , que es el ancho de banda , se

asemeja la F.O. a un filtro pasa bajo y de allí se dice que la función de transferencia está dada por la atenuación. . Por ello a medida que aumenta la frecuencia de modulación luego, decrece la amplitud de una onda luminosa hasta quedar anulada. El conductor deja pues pasar señales con baja frecuencia y las atenúa a medida que aumentan éstas.

Por ejemplo, supongamos que el conductor es atravesado por una onda luminosa que podemos suponer formada por dos ondas, una de alta frecuencia y la otra de baja frecuencia. La primera sufrirá una pérdida de potencia luminosa (y disminución de la amplitud) por dispersión mayor que la segunda.

Lo que se hace es medir el ancho de banda de una Fibra Óptica a un valor de frecuencia de modulación (fm) con una potencia inicial, utilizo un emisor que emita luz o una potencia de luz conocida a una determinada frecuencia y la inyecto a la F.O., leo que potencia sale del extremo de la misma a esa determinada frecuencia.

Si por cada frecuencia de modulación se miden las potencias luminosas al comienzo P1 y al final P2 del conductor, se obtiene al establecer la relación de ambas el valor de la función de la transferencia.

)f(P

)f(P)f(H

m

mm

1

2

t t + t


138

Para esta frecuencia de modulación (fm), se tiene una frecuencia portadora (f0),es una frecuencia sin modular o sea sin pulsos. Una vez que obtuve la función de transferencia de la Fibra Óptica en función de la frecuencia modulada

)f(P

)f(P)f(H

m

mm

1

2

lo que se hace es tomar la función de transferencia de la Fibra Óptica sin modular o sea a la frecuencia portadora.

)f(P

)f(P)f(H

o

oo

1

2

La relación de la función de transferencia (fm) y la función de transferencia sin modular (f0), se la denomina función de transferencia normalizada

o

m

fH

fH

Habitualmente se normaliza al valor de la función de transferencia dividiéndolo por H(fo), que corresponde a la función de transferencia cuando no hay modulación.

Función de transferencia de un conductor de FO

El ancho de banda es aquella frecuencia de modulación a la cual la potencia luminosa comparada con el valor que tiene a frecuencia nula, decae ópticamente en un 50% o sea 3 db. Consiste en medir la potencia lumínica que llega al extremo receptor de un conductor de FO habiéndose inyectado en su principio, por medio de un transmisor, una potencia lumínica modulada en amplitud con una frecuencia fm que se incrementa continuamente. Con los resultados de estas mediciones y utilizando las expresiones precedentes se puede calcular el ancho de banda. Este método es muy apto para la medición en conductores de Fibra Óptica ya instalados.

Medición del ancho de banda en el ambito del tiempo

0,5

3dB/km frecuencia de modulación

0H

H fm


139

Las mediciones en el ámbito del tiempo se efectúan analizando el ensanchamiento de los pulsos ocasionados por los defectos de la dispersión en el conductor de fibra óptica. Para efectuar esta medición se acopla un pulso de corta duración, valor típico 100 ps. , al conductor bajo observación. Este pulso entrante al propagarse por el conductor se ensancha a causa de la dispersión modal, razón que a la salida el pulso resultante actúa sobre un fotodiodo y se mide su tiempo de duración. En base de los datos almacenados de los pulsos de entrada y de salida t1 y t2 es posible calcular por integración la duración efectiva de los pulsos. Con estos valores redetermina el ensanchamiento efectivo del pulso con la siguiente expresión

2

1

2

2 tttef

y el valor aproximado del ancho de banda con:

eftB

441,0

En esta expresión aproximada se han asumido pulsos gausianos, sin tener en cuenta la estructura real de los mismos salvo su duración efectiva.

5.11.- Dispersión cromática La dispersión en el material Mo da una medida del índice de refracción de grupo ngases para diferentes longitudes de onda y se le calcula derivando a dicho índice con respecto a la longitud de onda:

oMd

d

Ld

d

c

ng tg11

5.12.- Longitud de onda límite Se define como longitud de onda límite, la mínima longitud de onda de servicio la cual es capaz de propagarse solamente el modo fundamental. Por encima de esa longitud desaparece el siguiente modo de orden superior y por debajo se le agregan otros modos. Por lo tanto el conductor de FO se comporta como:

Multimodo < lim

Monomodo > lim Método de medición para variación de curvatura


140

Consiste en medir espectralmente la potencia lumínica en un tramo de conductor de FO: - Primero, con el conductor mas extendido posible (p > 130mm) - Luego, formando una espira alrededor del mandril de 30 mm de diámetro. Con los valores medidos se calcula la atenuación producida por la espira en función de la longitud de onda lo cual se gráfica. Se obtienen varios máximos pronunciados de la atenuación con flancos abruptos hacia

las mayores longitudes de onda, que señalan las lim de los modos inferiores.

La lim será aquella a la cual el flanco del máximo de mayor longitud de onda desciende por debajo de un valor de 0,1 dB en la atenuación.

Determinación de la longitud de onda límite

0,1

dB

dB

llimite .

Elementos y Equipos Eléctricos - uncor · Este valor es de gran importancia para el acoplamiento...

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