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Resumen—La fibra óptica es un medio de transmisión, que ha

permitido en campo de las comunicaciones avances extraordinarios y beneficiosos, pues ofrece grandes velocidades de transmisión de datos, eficiencia y un gran ancho de banda entre otras ventajas. En este artículo se pretende familiarizar al lector con el tema de fibra óptica, mediante la descripción de su funcionamiento, otras aplicaciones, los métodos de fabricación existentes, los tipos de fibra óptica, las ventajas y desventajas de su uso en las telecomunicaciones y el proceso de interconexión entre fibras.

Índice de Términos—Fibra Óptica, Refracción, Reflexión,

Apertura Numérica, Empalme, Multimodo, Monomodo.

I. UN POCO DE HISTORIA La utilización de luz cómo medio de comunicación a distancia, se remonta desde épocas antiguas en las cuales mediante espejos y luz solar, se realizaban señales y códigos de comunicación. Estos métodos rudimentarios eran engorrosos, lentos y se encontraban limitados por condiciones atmosféricas y ambientales. En 1792 unos hermanos franceses, de apellido Chappe, inventaron el primer sistema de telegrafía óptica, el cual lograba la transmisión de un mensaje en 16 minutos. Hacia 1880, Alexander G. Bell construyó el fotófono que enviaba mensajes vocales a cortas distancias por medio de la luz. Sin embargo no fue sino hasta el siglo XX que se obtuvo el mayor avance en la ciencia de la óptica. En 1959 se inventó el rayo láser, con el objeto de transmitir a más altas velocidades y con mayor cobertura mensajes. El problema de este nuevo invento radicaba en la ausencia de canales apropiados para la transmisión de ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones del láser. Fue entonces que científicos y técnicos especializados en óptica que produjeron el primer medio guiado conocido como fibra óptica. El reto para los años posteriores consistió en perfeccionar el proceso de fabricación y reducir las pérdidas de potencia producidas a largas distancias. En 1980 se utilizó por primera vez fibras para transmitir señales de televisión, desde entonces y actualmente la fibra óptica se ha convertido, en uno de los mejores avances en comunicaciones y presenta un crecimiento continuo.

II. ¿QUÉ ES LA FIBRA ÓPTICA? La fibra óptica son filamentos de vidrio (utilizadas para telecomunicaciones a largas distancias) y en algunas

ocasiones hechos de plástico (utilizados para redes locales), capaz de concentrar, guiar y trasmitir pulsos de luz provenientes de un láser ó LED. En este haz de luz viene contenida la información a trasmitir y es propagado en el interior de la fibra con determinado ángulo de reflexión e índice de refracción tal que las pérdidas sean mínimas y ya velocidad de transmisión óptima. Estos filamentos de vidrio de alta pureza, flexibles y compactos tienen un diámetro de 0,1 mm, casi el grosor de un cabello humano. La fibra óptica está formada por dos cilindros concéntricos, el núcleo de altísima pureza, para mínima atenuación y el revestimiento que cubre el contorno, ambos con diferentes índices de refracción.

Figura 1. Fibra Óptica.

III. PRINCIPIO FÍSICO DE SU FUNCIONAMIENTO Reflexión y refracción de la Luz Cuando un rayo de luz incide sobre la superficie de dos cuerpos perpendicularmente, ocurre un cambio en la velocidad de propagación, manteniendo la dirección y sentido, pero cuando incide con cierto ángulo diferente de 90° con respecto a la normal, se presenta un cambio en la velocidad y dirección de propagación. Parte de los rayos rebotan y a este fenómeno se le llama reflexión luminosa y cuando parte atraviesan la superficie del segundo medio, a esto se le llama refracción. Las ondas reflejadas y refractadas se desvían un cierto ángulo respecto al del incidente. La relación entre los ángulos θ1 (incidente) y θ2 (refractado), está dado por la Ley de Snell.

Fibra Óptica: Un avance a lo largo de la historia de las comunicaciones

Felipe Andrés Peralta, Sofía Lozano

Departamento de Electrónica Pontificia Universidad Javeriana

Bogotá, Colombia

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Ley de Snell

2211 sinsin θθ nn = Donde n es el índice de refracción de cada medio y se define como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y C0 y la velocidad en cada medio C.

1

01 C

Cn = y 2

02 C

Cn =

Figura 2. Plano de rayo incidente sobre un segundo medios.

Ángulo Crítico o Límite Cuando el rayo luminoso incide con un ángulo , de un medio mas denso a uno menos denso y con un ángulo cada vez mayor, el angulo puede llegar a ser igual a 90° con respecto a la normal, propagandose a lo largo de la superficie de separación de los dos medios. En este caso al ángulo incidente se le conoce como ángulo crítico o limite y este depende solamente de los índices de refracción de ambos medios.

1

21sin

nn

=θ

Reflexión Total Cuando θ1 se vuelve más grande que el ángulo crítico y el rayo se dirige a una superficie menos densa, el rayo incidente será totalmente reflejado, por lo cual no atraviesa el segundo medio y es devuelto por el medio de incidencia, a esto se le llama reflexión total.

Figura 3. Ángulos de Reflexión.

Fibra Óptica El funcionamiento de la fibra óptica se rige bajo el efecto de reflexión total. Esta contiene un núcleo de vidrio con un índice de refracción n1, mayor al recubrimiento con índice de refracción n2. Cuando la luz entra por un extremo del vidrio, esta se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro, hasta salir por el otro extremo.

Figura 4. Rayos en fibra óptica.

Ángulo de aceptación Dependiendo de los índices de refracción de los materiales, existe un ángulo máximo de incidencia de la luz sobre el extremo de la fibra para el cual toda la luz incidente se propaga. Este ángulo se llama ángulo de aceptación y su seno se conoce como apertura numérica (NA). Girar el ángulo de aceptación alrededor del eje de la fibra describe al cono de aceptación de la entrada de la fibra, cualquier onda que entre con un ángulo mayor que el de aceptación y no esté dentro del cono de aceptación, escapará a través del revestimiento. La apertura numérica se define como,

αsin=AN

αsin22

21 nnAN −=

Es un parámetro adimensional que caracteriza el rango de ángulos para los cuales la fibra óptica puede guiar la luz. Entre mayor sea la apertura numérica, mayor es la cantidad de luz que puede guiar y por lo tanto más luz es capaz de aceptar en su núcleo. Puede decirse que la Apertura Numérica es equivalente al porcentaje de potencia de luz, que desde la fuente entra a la fibra óptica. Algunos valores típicos de AN son 0.14 a 0.20, lo que significa que sólo del 14% al 20% de la luz emitida por, ya sea el láser o LED son aceptados por la fibra.

IV. PROCESO DE FABRICACIÓN La mayoría de las fibras ópticas se fabrican de arena o sílice. Con unos pocos kilos de vidrio se pueden fabricar decenas de kilómetros de fibra. Se fabrican por dos tipos principales de procesos, crisol, utilizado para la obtención de fibras de corto alcance o bajo flujo de información, y preforma, el más empleado y destinado a la obtención de fibras para

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telecomunicaciones. La preforma se divide en 3 etapas, su fabricación, el estirado de esta y las pruebas y mediciones. Algunos métodos utilizados para la preforma son los siguientes:

A. Fabricación

• Método por fusión de Vidrio

- Método de la varilla en tubo

Este es un método de los más sencillos, pues sólo consiste en introducir una varilla de vidrio como núcleo dentro del tubo de vidrio del cladding (tubo que hace de recubrimiento). En el extremo de este ensamblado se aumenta la temperatura y ambos vidrios son ablandados, obteniendo una fibra por arrastre. Sin embargo la desventaja que presenta este método es que después del estirado de la fibra quedan pequeñas impurezas entre ambos vidrios que ocasionan elevadas atenuaciones de los 500 a 1000 dB/Km.

Figura 5. Método de la varilla en tubo.

- Método de los dos crisoles En este método el vidrio del núcleo es fundido e introducido en el crisol interno y el vidrio del cladding fundido es colocado en el crisol exterior. Los dos vidrios se unen en la base del exterior y la fibra se obtiene por arrastre. Las impurezas impuestas por este método, ocasionan atenuaciones de los 5 a los 20 dB/Km.

Figura 6. Método de los dos crisoles.

• Método por deposición de vapor

La deposición se puede llevar a cabo mediante los siguientes métodos:

- Método de Deposición de Vapor externo (OVD) La primera empresa en utilizar este método fue Corning, logrando disminuir dramáticamente la atenuación. Básicamente, este método consiste de una varilla de sustrato de vidrio de cuarzo o grafito y de un quemador de gas detonante o gas propano. Primero se hace girar la varilla alrededor de su eje, mientras es calentada por el quemador. Al quemador se le suministran sustancias dopantes, hasta obtener la deposición de suficientes capas para el núcleo y el recubrimiento de la fibra. De estas sustancias dopantes dependerá el perfil final del índice de refracción del núcleo. En la etapa final, la preforma se calienta con temperaturas entre 1400 y 1600 °C, convirtiéndose en una varilla de vidrio firme y libre de burbujas. Durante el sintetizado, la preforma es lavada con cloro gaseoso para quitar todo vestigio de agua, que provocaría un aumento en a la atenuación.

Figura7. Método OVD.

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- Método VAD ó Deposición de Vapor Axial (AVD)

En este método la deposición de las partículas provenientes del quemador, tiene lugar sobre una cara frontal de la varilla de vidrio. La preforma porosa resultante es estirada en sentido ascendente, de manera que se mantenga constante la distancia entre el quemador y la preforma que va creciendo en sentido axial. Para la fabricación del perfil de índices de refracción del núcleo y del recubrimiento se pueden utilizar varios quemadores al tiempo. La contracción de la preforma se produce con ayuda de un calefactor anular. Por último, como en el método anterior se hace circular cloro gaseoso sobre la preforma para eliminar la humedad residual.

Figura 8. Método VAD.

- Deposición de Vapor Químico modificado (MCVD)

En este método a diferencia de los anteriores los compuestos para el dopado se descomponen en el interior del tubo y no en la llama del quemador. Aquí mismo se produce la deposición de numerosas y delgadas capas, mediante un proceso llamado vitrificación. Este método no requiere del proceso de secado con cloro gaseoso, pues al reaccionar los gases en el interior del tubo, se mantiene libres de hidrogeno y no se encuentra ningún otro factor ambiental que afecte el proceso.

Figura 9. Método MCVD.

- Método de Vapor Químico Modificado reforzado con plasma (PMCVD)

En este método las preformas se producen del mismo modo que del MCVD, sin embargo la diferencia se encuentra en la técnica para la reacción. Aquí ya no se utiliza un quemador sino un plasma, que proporciona calor suficiente para aumentar la reacción química dentro del tubo y la velocidad de deposición.

Figura 10. Método PMCVD.

B. Estirado de la Preforma La preforma es calentada en un horno a 2000°C. Cuando el vidrio se ablanda se deja caer para ser enfriado. Durante el proceso de estirado el diámetro de la fibra es controlado, si este aumenta la velocidad del estirado aumenta y viceversa. La fibra es recubierta con dos capas una interna suave, y otra al exterior dura. Estas capas son tratadas con lámparas ultravioleta.

Figura 11. Estirado Preforma.

C. Pruebas y mediciones Después de ser estirada la fibra, esta debe pasar por una serie de pruebas y medias en las cuales se verifican todos los parámetros tanto ópticos como geométricos. Hay tres tipos de pruebas, una mecánica, en donde se prueba la fuerza de tensión de la fibra, otra óptica, para verificar cualquier anomalía a lo largo de la longitud de la fibra, y una prueba

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geométrica, que incluye pruebas del diámetro del cladding, del núcleo y del diámetro exterior.

V. CLASIFICACIÓN DE FIBRAS ÓPTICAS Las fibras ópticas se clasifican en dos grupos según su modo de propagación, en fibras multimodos y fibras monomodos. Fibras Multimodo Una fibra multimodo permite transmitir varios rayos de luz por sucesivas reflexiones, lo que supone que no todos los rayos llegan a la vez. Este tipo de fibra puede llegar a tener más de mil modos de propagación de la luz. El núcleo de esta fibra tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo, es sencillo de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión. Según el tipo de índice de refracción del núcleo, se encuentran dos tipos de fibra multimodo, índice escalonado, por el cual el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica y tiene alta dispersión modal e índice gradual, donde el índice de refracción no es constante y tiene menor dispersión modal. En este, el núcleo se constituye de diferentes materiales. Las fibras multimodo se usan generalmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km; son sencillas de diseñar y económicas.

Figura 12. Fibra Multimodo.

Fibras Monomodo Son aquellas que pueden guiar un solo modo de luz. Esto se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra, tal que sólo permita un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. Estas fibras permiten alcanzar grandes distancias y tienen un elevado ancho de banda.

Figura 13. Fibra Monomodo.

Figura 14. Multimodo y Monomodo.

VI. VENTAJAS Y DESVENTAJAS VENTAJAS DESVENTAJAS Gran Ancho de Banda Necesidad de usar

transmisores y receptores más caros

Transmisión de datos a altas velocidades

La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.

Pequeño tamaño y ligero Fragilidad de las fibras Flexible La fibra óptica convencional

no puede transmitir potencias elevadas

Inmunidad a perturbaciones electromagnéticas

No existen memorias ópticas

Facilidad de instalación Dificultad de reparar un cable de fibra roto

No produce interferencias Costo de instalación es elevado

Atenuación Reducida Gran resistencia mecánica Resistencia al calor, frío y corrosión

Facilidad para localizar anomalías

Seguridad Compatibilidad con la tecnología digital

Tabla 1. Ventajas y desventajas.

V. APLICACIONES El uso más común de la fibra es de las telecomunicaciones, como hemos visto hasta ahora, sin embargo existen muchas otras aplicaciones en otros campos, que ha permitido grandes avances en los mismos. A continuación se mencionan algunas de estas

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Aplicaciones

Telecomunicaciones Otras Aplicaciones

Actualmente la fibra óptica se ha convertido en artículos de decoración para muebles y ropa.

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VII. CABLES DE FIBRA ÓPTICA Hay tres tipos de cables según los materiales utilizados para su fabricación: PCS: Posee un núcleo de vidrio y el revestimiento en plástico. Caracterizados por obtener elevados NA, diámetro de núcleo ancho, elevada atenuación y pequeño ancho de banda, presenta pérdidas considerables ya que parte de la luz que viaja por el núcleo penetra el revestimiento. Utilizados en aplicaciones militares. Son poco afectados por la radiación. SCS: Este tipo de fibra está constituido por el núcleo de vidrio, el revestimiento también de vidrio y un recubrimiento alrededor del revestimiento, que contiene una o más capas de polímeros para proteger la fibra. Este recubrimiento es de plástico. Los cables SCS son menos fuertes, y más sensibles al aumento en atenuación cuando se exponen a la radiación. PCP: Esta fibra posee tanto el núcleo como el revestimiento en plástico. Es altamente flexible y de fácil acoplamiento, sin embargo presenta altas pérdidas, lo que la limita a ser utilizada sólo para cortas distancias. Cables de estructura holgada Este tipo de cable se encuentra constituido por elemento de refuerzo que proporciona al cable refuerzo y soporte durante las operaciones de tendido, así corno en las posiciones de instalación permanente. Alrededor de este están tubos que contienen varias fibras ópticas ubicadas holgadamente en el interior del tubo, que se encuentra hueco o en algunas ocasiones lleno de un gel resistente al agua. El tubo se encarga de aislar la fibra de fuerzas mecánicas, ejercidas sobre el cable. Luego estos tubos vienen rodeados de una cubierta protectora.

Figura 15. Cable de estructura holgada.

Cables de estructura ajustada Contiene varias fibras con protección secundaria, que proporciona protección contra el medio ambiente y soporte físico, un miembro central de tracción, y todo cubierto de una protección exterior.

Figura 16. Estructura Ajustada.

VIII. TIPOS DE CONECTORES

Figura 17. Conectores en el mercado.

ST: Utilizadas más que todo para fibras multimodo, en instalaciones de redes de datos, equipos en redes de edificios y en sistemas de seguridad. SC: Usado para transmisión de datos. FC: que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones. FDDI: se usa para redes de fibra óptica. LC y MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos.

IX. TÉCNICAS DE EMPALME Para la instalación de sistemas de fibra óptica y reparación de estas, se necesita de técnicas y dispositivos de interconexión tales como empalmes y conectores.

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Existen principalmente dos técnicas de interconexión entre fibras: Empalme por fusión: Utiliza una descarga eléctrica para fundir y unir las fibras ópticas. Primero se quitan las cubiertas de las fibras y se cortan, las fibras se sitúan con cierta separación entre ellas, dentro de una maquina empalmadora, que realiza todo el proceso de empalme. Luego se procede a proteger el empalme. Empalme mecánico: Dos extremos de fibras son unidos por medio de un conector mecánico, el cual internamente contiene un gel con valores de índice de reflexión, semejantes al de la fibra óptica. Se utiliza una herramienta de presión, para comprimir el conector mecánico con los extremos de las fibras. Este tipo de empalme se usa en el lugar de la instalación donde el desmontaje es frecuente, las caras de los núcleos deben coincidir perfectamente. Consta de un elemento de auto alineamiento y sujeción de las fibras y de un adhesivo adaptador de índice que fija los extremos de las fibras permanentemente.

X. PÉRDIDAS DE POTENCIA EN CABLES DE FIBRA ÓPTICA La pérdida de potencia, conocida como atenuación, se expresa en decibelios y es causada por diferentes motivos, como disminución en el ancho de banda, en la velocidad y la eficiencia. A continuación se mencionan algunas de las pérdidas causadas. Pérdidas por absorción: Atenuación debido la interacción materia-luz. Ocurre cuando las impurezas de la fibra absorben la luz, y esa se convierte en energía calorífica.

Figura 18. Gráfica de atenuación por pérdida de absorción.

Pérdida de Rayleigh: En la fabricación de la fibra, se aplican tensiones durante el proceso de enfriamiento que ocasionan microscópicas irregularidades. Al pasar los rayos de luz por la fibra, estos se difractan, provocando que la luz se propague en diferentes direcciones.

Figura19. Dispersión de Rayleigh.

Dispersión cromática: Esta dispersión ocurre cuando los rayos de luz emitidos por la fuente, no llegan al extremo opuesto en el mismo tiempo.

Figura 20. Dispersión Cromática.

Pérdidas por radiación: Se presentan cuando la fibra sufre de dobleces, esto puede ocurrir en la instalación y variación en la trayectoria, cuando se presenta discontinuidad en el medio. Dispersión modal: Es la diferencia en los tiempos de propagación de los rayos de luz. Pérdidas por acoplamiento: Se dan cuando no están correctamente unidas las fibras unas con otras.

XI. CONCLUSIONES La fibra óptica ha permitido un avance tecnológico, no sólo en el campo de las comunicaciones, sino también en medicina, arqueología, en la fabricación de sensores, en iluminación decorativa y en fines específicos.

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En medicina gracias a la creación de diversos aparatos como los fibroscopios, se ha logrado una gran precisión en la exploración de cavidades internas del cuerpo humano. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra lleva la imagen a un monitor.

En telecomunicaciones la fibra se ha convertido en el pilar del futuro, cada día lográndose mayor capacidad de transmisión de datos y velocidades increíbles que prácticamente dan paso a la comunicación instantánea desde cualquier lugar del mundo. Las grandes ventajas, que proporciona su uso, han ampliado sus aplicaciones y provocado una continua profundización en el tema para seguir mejorando y progresando.

XII. REFERENCIAS [1]. J. C. Campo Rodríguez. “Fibra Óptica”. Universidad de Oviedo. Area de Tecnología Electrónica. pdf. [2].Luis Lombardero. “Fundamentos de Fibra Óptica”. ECA, Instituto de tecnología e Información. pdf. [3].L. Lojan, G. Acosta”Fundamentos de Fibra Óptica”. Redes y Comunicaciones Ópticas. pdf. [4] D. M. Pozar, Microwave Engineering, 3nd Ed. 2005. [5].http://www.timbercon.com/history-of-fiber-optics/ [6].http://edison.upc.edu/curs/llum/luz_vision/luz.html [7].http://orbita.starmedia.com/fortiz/Tema10.htm [8].http://www2.udec.cl/~jdupre/fibra/apli.html [9].http://orbita.starmedia.com/fortiz/Tema05.htm [10].http://www.textoscientificos.com/redes/fibraoptica/tiposfibra [11].http://www.lightitaly.it/es/storia-della-luce/cmsx.asp?IDPg=989 [12].http://rabfis15.uco.es/lvct/tutorial/21/Reflexion%20y%20Refracci%F3n.html [13].http://platea.pntic.mec.es/~lmarti2/optral/cap2/fibra-2.htm