Fibra óptica, parte 1

5 junio 2009 at 14:25 Deja un comentario

Damas y caballeros, hoy toca empezar a hablar de la fibra óptica. Puede que vaya a ser un poco extenso y aunque haya fórmulas trataré de no pasarme demasiado con ellas, pero bueno, vamos a lo que vamos…

Durante el tiempo que he estado hablando de comunicaciones ópticas, he mencionado las guías de onda. Éstas son básicamente paralelepípedos con capas: el núcleo o core y el revestimiento o cladding. Pero crear estas guías de onda es mucho más complicado tecnológicamente hablando de lo que uno puede pensar, más que nada por tratar de mantener las capas bien diferenciadas y evitar imperfecciones. Esto en un paralelepípedo es difícil, pero parece que no lo es tanto en un cilindro.

Y ahí es donde entra la fibra óptica.

Pero, ¿qué es? Poniéndolo bastante simple, la fibra óptica es hilo de un material (generalmente vidrio o plástico) muy fino capaz de transmitir a gran velocidad (de hecho, utiliza la luz y recordemos que la luz se mueve a casi 300.000 kilómetros por segundo) e inmune a las interferencias. Un kilómetro de fibra óptica no llega a pesar ni 6 kg, su diámetro es muy pequeño (mucho menor que en los pares y coaxiales) y las pérdidas son también reducidas (de hecho, cada kilómetro tiene pérdidas de 0,25 dB, mientras que en el coaxial cada kilómetro supone una pérdida de 22,6 dB). Esto hace que sea más versátil que los coaxiales y los pares, pero tiene un problema: la fibra óptica es cara. Muy cara.

Hay varios tipos de fibra óptica según diversas clasificaciones:

  • Según el tipo de perfil de su índice: puede ser, principalmente, escalonado (step index) o gradual (graded index), aunque existen tipos especiales según las necesidades de dispersión para la fibra.
  • Número de modos: las fibras pueden ser monomodo (single mode, SM) o multimodo (multi-mode, MM).
  • Método de fabricación: también pueden clasificarse según cómo se fabrique, ya sea el método MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), PCVD (Plasma Chemical Vapor Deposition), OVD (Outside Vapor Deposition) o VAD (Vapor Axial Deposition).
  • Materiales: las fibras son principalmente de vidrio o plástico, aunque también existen fibras hechas con materiales halógenos.
  • Dispersión: la fibra estándar introduce una cierta dispersión, pero existen otros tipos de fibra que tratan la dispersión con el objetivo de reducirla o modificarla según las necesidades de la comunicación, tales como DSF (dispersion shifted fiber), NZDSF (non-zero DSF), CDF (compensated dispersion fiber), etc.

Estructura básica de la fibra óptica

Una fibra óptica básica tiene núcleo y cladding, a veces acompañado de una cubierta o coating. Núcleo y cladding tienen cada uno su propio índice de refracción, aunque éste puede variar según si el índice es escalonado o gradual.

En el primer caso, el núcleo suele tener un índice de refracción constante n1 y el cladding un índice n2 que tampoco varía. Sin embargo, si el índice es gradual, nos encontraremos que el índice del núcleo varía según la distancia desde el centro de la fibra y hasta el límite del núcleo, un radio a, mientras que el cladding permanece constante.

En una fibra óptica, se puede observar que los rayos no recorren todos el mismo camino, pero a pesar de ello, al menos en el caso ideal, llegarían al mismo tiempo (lo que sería una fibra de auto-enfoque o selfoc). Los rayos que van por el eje de la fibra o muy cerca de éste recorren una distancia menor, pero tardan más, ya que el índice del núcleo es, normalmente, mayor que el del cladding; por otra parte, los que van más alejados del eje de la fibra recorren caminos más largos pero a mayor velocidad.

La apertura numérica (NA) en la fibra óptica se caracteriza por la siguiente fórmula:

La fibra de vidrio y la fibra de plástico

Para terminar esta primera parte sobre fibra óptica, conviene hablar un poco de las diferencias que existen entre las fibras de vidrio y las de plástico.

Las fibras de vidrio, también llamadas de sílice, ofrecen una mayor calidad, ya que sus pérdidas dentro de la fibra son mucho menores y la dispersión afecta muy poco, pero el valor de la apertura numérica es muy bajo (es decir, el ángulo de incidencia para que entren los rayos es pequeño) y se producen pérdidas de acoplamiento considerables, aparte, claro, de ser más cara.

Las fibras de plástico puro sufren de altas pérdidas y resultan ser de gran tamaño, pero son más baratas, con mejor eficiencia de acoplamiento y se utilizan sobre todo en distancias pequeñas, de no más de 100 metros.

Sin embargo, ambos se pueden combinar en una fibra PCS (plastic clad silica), con un núcleo de vidrio y un cladding de plástico. Aunque hay un aumento de pérdidas y dispersión, mejora la apertura numérica y el acoplamiento.

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