Fibras Opticas

1. Breve historia de la fibra óptica.

Un grupo de investigadores de Standard Telecommunications Laboratorios (STL), inicialmente encabezados y en especial un ingeniero nacido en Shanghai, Charles K. Kao investigó la atenuación en la fibra. Su investigación lo convenció que la alta pérdida de las primeras fibras se debía a las impurezas, y no al silicio del vidrio. En medio de esta investigación, en 1964, Kao trabajó en una propuesta de comunicaciones de larga distancia con fibras mono modos. Convencido que las pérdidas de la fibra podían ser reducidas por debajo de los 20 decibeles por kilómetro.

El 1 de Abril de 1966 el Instituto de Ingeniería Electrónica IEE publicó la propuesta notable de Kao con estas palabras: "En el encuentro IEE en Londres el mes pasado, el Dr. C.K. Kao ha demostrado que las guías de ondas ópticas, desarrolladas por los Laboratorios de la Standard Telecommunications (STL), que tienen una capacidad de información de un gigahertz, equivalente de alrededor de 200 canales de televisión o más de 200,000 líneas telefónicas.

Él describió el dispositivo de STL, como un núcleo de vidrio aproximadamente de tres o cuatro micras de diámetro, revestido con una capa coaxial de otro vidrio que tiene un índice refractivo aproximadamente de uno por ciento menor que el núcleo. El diámetro total de la guía de onda está entre 300 y 400 micras. Ondas ópticas superficiales se propagan a lo largo de la interfaz entre los dos tipos de vidrio.

También, la superficie de la guía es protegida de influencias externas y para su

Protección. Según el Dr. Kao, la fibra es lo suficientemente fuerte, para poder

Manipularla sin romperla y puede manejarse fácilmente por su tamaño y menor peso al cable de cobre. La guía de onda al ser tan delgada, tiene un radio mecánico de curvatura máximo, que es la medida del radio máximo en el cual la fibra se puede curvar, sin que se quiebre, y llega a ser este radio lo suficiente para hacer a la fibra casi completamente flexible para curvarse. A pesar de la circunstancia, el material tiene una adecuada

2. Concepto de Fibra Óptica

Los circuitos de fibra óptica son filamentos de vidrio o plástico, del espesor de un pelo (entre 10 y 300 micrones). Llevan mensajes en forma de haces de luz que realmente pasan a través de ellos de un extremo a otro, donde quiera que el filamento vaya (incluyendo curvas y esquinas) sin interrupción.

Las fibras ópticas pueden ahora usarse como los alambres de cobre convencionales, tanto en pequeños ambientes.

El principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento, las señales se ven atenuadas por la resistencia del material a la propagación de las ondas electromagnéticas de forma mayor. Además, se pueden emitir a la vez por el cable varias señales diferentes con distintas frecuencias para distinguirlas, lo que en telefonía se llama unir o multiplexor diferentes conversaciones eléctricas. También se puede usar la fibra óptica para transmitir luz directamente y otro tipo de ventajas en las que no entraré en detalle.

3. FABRICACIÓN DE FIBRAS ÓPTICAS

3.1. Introducción

Hasta ahora se ha visto el análisis de las fibras ópticas desde el puntode vista teórico y ahora vamosA acometer primero una descripción tanto de los requerimientos de las fibras desde el punto de vistaPráctico, así como un esbozo sobre los sistemas de fabricación de estas. Para finalizar este apartadoVeremos las características de fibras comerciales así como las de los cables, que son las fibras más losrevestimientos que ofrecen rigidez y manejabilidad a las fibras. Lo primero es ver qué debemos exigirles a las fibras para que pueden ser usadas en sistemas prácticos,será esencial que puedan producirse fibras con características de transmisión estables a precios bajos y de formareproducible.

Haya una variedad de tipos de fibras en lo referente a tamaños,índices de refracción, longitud deOnda de trabajo, materiales en el cableado, etc. Las fibras ya en forma de cable sean manejables como un cable eléctrico convencional sin problemas en el manejo que degraden su operatividad Las fibras puedan soldarse o conectarse sin dificultades excesivas y sin grandes atenuaciones odisminución de ancho de banda.

3.2. Fabricación de fibras

A partir de los análisis sobre el comportamiento de las fibras ópticas parece claro que una parte fundamental para el guiado de señales ópticas es el control de los índices de refracción en el interior de lafibra. Al menos son necesarios dos materiales distintos que sean transparentes a la luz en el intervalo delongitudes de onda de trabajo. Como en la práctica la transparencia absoluta no existe se pide que losmateriales tengan una atenuación óptica muy baja y que también lo sea la absorción intrínseca así comola dispersión espacial. Hay numerosos materiales que cumplen estas características.

También es fundamental evitar la dispersión espacial debida a motivos extrínsecos como puedan serLas burbujas, grietas, tensiones, gránulos, etc. Esto restringe el número de materiales útiles y los únicosque cumplen las especiaciones son algunos vidrios, plásticos y sustancias mono cristalinas.

Otro apartado importante es que ha de ser posible (para la fabricación de fibras con índice gradual) laLigeramedicación del índice de refracción mediante la disolución de varias sustancias y por tanto estasdeberán ser solubles en un amplio margen de composiciones (no es simple). Esta última característicano puede obtenerse en materiales mono cristalinos y por tanto tan sólo nos quedan los vidrios para fibrasde índice gradual aunque ambas pueden utilizarse en fibras de índice abrupto. La gran ventaja queofrecen los vidrios los han hecho ser al final los únicos materiales con uso real. Por último los plásticostienen características mucho peores aunque son mucho más baratos y pueden usarse para sistemas detransmisión de corto alcance y pequeños anchos de banda.

Una vez establecido cuales son los materiales con los que se van a fabricarlas fibras ópticas vamos.

A describir brevemente los distintos métodos para la consecución de fibras de vidrio, éstos son principalmente dos Técnicas convencionales en las cuales se mantiene el material vítreo en estado fundido produciéndose así una estructura de vidrio multicapa. Métodos de deposición en fase vapor que permiten fabricar vidrios solicitados que no podríanprocesarse en fase líquida debido a su alto punto de fusión.

3.3. Técnicas de fase líquida

Aquí el proceso se inicia a partir de obtener los materiales a mezclaren estado lo más puro posible,

De hecho ya comercialmente pueden encontrarse productos de alta pureza (1 parte de impurezas en 109), gran parte del precio del proceso radica en esta fase. Los materiales típicos son óxidos (SiO2, GeO2, B2O2 yAl2O3) y carbonatos (Na2CO3, K2CO3, CaCO3 yBaCO3), que se descomponen

Como óxidos en el proceso de fabricación. Todos estos compuestos han sido secados adecuadamentePara reducir en lo posible la aparición de iones OH.

Una vez que ya tenemos los materiales en estado puro se trata de obtener una mezcla uniforme y librede burbujas, se puede conseguir el índice de refracción deseado mediante el intercambio iónico de loscomponentes durante el proceso de fundido y mezclado. Este proceso se produce a temperaturas entrelos 900 y 13000°C y se hace en el interior de un recipiente de silice (cuyo punto de fusión es mucho más elevado). Los problemas en esta fase vienen dados por:

• la contaminación ambiental que puede incorporase a la mezcla

• en ambientes de alta pureza donde se elimine este problema hay incorporaciones de material delrecipiente a la mezcla.

Un ejemplo del método citado puede verse en la figura 3.1. Este último problema puede solucionarseMediante el uso de recipientes de platino, o bien, cambiando el sistema de elevación de temperatura,en lugar de utilizar el calentado mediante hornos se utilizan los sistemas de radiofrecuencia que serán absorbidos (y por lo tanto calentarán) por materiales iónicos, que es el caso de la mezcla mientras queno calentarán el recipiente, de esta forma queda una película de la mezcla sobre el recipiente que aísla laparte líquida del silice. Una vez conseguida la mezcla esta se enfría y nos quedan grandes cilindros delmaterial del núcleo de la fibra. Asimismo se hacen cilindros huecos del material que va a ser la envoltura.

Figura 3.1: Sistema de fase líquida para obtención de preformas para fibra óptica.

Manufacturado de la fibraPor último nos queda el proceso de estirado. La primera fase consiste en introducir el material del núcleo(cilindro macizo) en el interior de la envoltura (cilindro hueco) teniendo en cuenta que los tamaños

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