MODOS LINEALMENTE POLARIZADOS

INTRODUCCION

El uso de fibra óptica en telecomunicaciones y desde de área amplia se ha convertido en algo común en los últimos años, más frecuentemente las fibras ópticas han incrementado en forma constante su prevalencia en la los sistemas de comunicación de datos industriales. La capacidad de manejo de grandes cantidades de datos, el evitar el ruido asociado y el aislamiento eléctrico son solo pocas de las características que hacen que la tecnología de la fibra óptica sea ideal para usarse en los sistemas industriales y comerciales.

La mayoría son utilizadas para conexiones punto a punto, los enlaces de fibra ótpcia se han usado para extender la distancia y evitar las limitaciones de los sistemas RS-232, RS-422/485 y Ethernet al mismo tiempo que aseguran grandes tasas de transmisión de datos minimizando la interferencia eléctrica. Las señales eléctricas convencionales para transmisión de datos son convertidas en un rayo de luz modulada que se introduce dentro de la fibra y se transporta por ese medio que tiene un diámetro muy pequeño que puede ser de vidrio o de plástico, llevando la señal hasta el receptor que la transforma nuevamente en una señal eléctrica. La capacidad de las fibras de llevar una señal luminosa con pérdidas muy pequeñas, está soportada en conocimientos fundamentales de física que asocian la reflexión y refracción de la luz.

MODOS LINEALMENTE POLARIZADOS (LP)

Veamos qué ocurren en el caso de que los índices de refracción del núcleo y el revestimiento de la fibra sean muy próximos, es decir que n1≈ n2 en este caso las constantes de propagación en medios de índices n1 y n2 se pueden escribir como:

y n1≈ n2.

Teniendo en cuenta la condición impuesta a la constante de propagación en la fibra para que los modos sean guiados:

en consecuencia,

Por lo tanto la ecuación característica de la fibra se transforma en:

Analizando esta ecuación se puede llegar a las expresiones de las ecuaciones características de los modos bajo la hipótesis de guiado débil, que se encuentran resumidas en la siguiente tabla:

Modos TE y TM

Modos HE

Modos EH

Observamos que varios modos comparten la misma ecuación característica y de esta forma serían modos degenerados. Gloge propone para estos modos una notación especial, los denomina modos linealmeante polarizados (LP), de acuedo a la siguiente regla:

LP0m para los modos HE1m.

LP1m para los modos TE0m, TM0m y HE2m.

para los modos y

Además la notación propuesta por Gloge tiene otro significado: Un modo tiene máximos de intensidad a lo largo del perímetro y m máximos a lo largo del radio.

Se puede comprobar que, componiendo adecuadamente estos modos, se puede conseguir una vibración del vector campo electromagnético un un plano (linealmente polarizados). Por eso se llaman modos LP.

FIBRA MONOMODO

Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólo permite un modo de propagación, su transmisión es en línea recta. Su distancia va desde 2.3 km a 100 km máximo y usa centro con cañón láser de alta intensidad. A diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias y transmitir elevadas tasas de bit.

La fibra Mono-modo utiliza un sistema más simple. Solo permite un modo de propagación. Un único haz de luz directa y más intensa, y por lo tanto de más ancho de banda con mayores distancias.

La fibra Mono-modo es de largo alcance pudiendo recorrer varios kilómetros sin necesidad de repetidores. Normalmente son usadas para unir diferentes localizaciones separadas entre sí y van por galerías de cable por debajo del suelo.

Este tipo de fibras se utiliza en comunicaciones de media y larga distancia y en enlaces intercontinentales en los que existe una elevada transmisión de datos, lo que conlleva una justificada inversión.

El hecho de que se elimine la dispersión modal tiene que ver con el ángulo de admisión de entrada que es tan estrecho que casi coincide con el eje horizontal de la fibra, entrando los rayos de luz en línea recta.

Los sistemas que implementan fibras monomodo utilizan como fuente del luz un láser infrarrojo.

La fibra monomodo puede transportar datos de LAN a distancias de hasta 3000 metros. En los últimos años se han desarrollado una serie de nuevas tecnologías que permiten incrementar esta distancia. La fibra monomodo es la que se usa con mayor frecuencia para la conectividad entre edificios.

Características:

• Núcleo: La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre. con unos kilogramos de vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilómetros de fibra óptica, el núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz tiene un diámetro aproximado de 8,3 μm.

• Malla: revestimiento está a su vez rodeado por un forro o funda de plástico u otros materiales que lo resguardan contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno con un espesor de 125 μm hasta 244 μm.

• Margen de Error: El error de concentridad oscila entre 0.5 y 0.2 μm.

Fabricación de la Fibra Óptica Mono-Modo

Cada etapa de fabricación está ilustrada por una corta secuencia filmada.

La primera etapa consiste en el ensamblado de un tubo y de una barra de vidrio cilíndrico montados concéntricamente. Se calienta el todo para asegurar la homogeneidad de la barra de vidrio.

Una barra de vidrio de una longitud de 1 m y de un diámetro de 10 cmpermite obtener por estiramiento una fibra monomodo de una longitud de alrededor de 150 km.

La barra así obtenida será instalada verticalmente en una torre situada en el primer piso y calentada por las rampas a gas.

El vidrio se va a estirar y "colar" en dirección de la raiz para ser enrollado sobre una bobina.

Se mide el espesor de la fibra (~10um) para dominar la velocidad del motor del enrollador, a fin de asegurar un diámetro constante.

Cada bobina de fibra hace el objeto de un control de calidad efectuado al microscopio.

Después se va a envolver el vidrio con un revestimiento de protección (~230 um) y ensamblar las fibras para obtener el cable final a una o varias hebras.

Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. El dibujo muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 um. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo, ya que sus pequeñas dimensiones implican un manejo delicado y entrañan dificultades de conexión que aún se dominan mal.

TEORÍA DE LA ÓPTICA RADIAL O GEOMÉTRICA

Las longitudes de ondas que se emplean para transmitir luz en fibras ópticas están en el rango de 0.8 a 1.6 micras. Por otra parte, el diámetro del núcleo de una fibra puede medir entre 10 y 200 micras, aproximadamente. O sea que, en términos de longitudes de onda, el núcleo es visto por una onda de luz como si fuese una estructura muy grande. Esto permite estudiar el comportamiento de las ondas de luz en el interior de una fibra óptica como si se tratase de rayos que se reflejan y se refractan en la frontera núcleo-revestimiento.

Dicho de otra manera, los frentes de la onda electromagnética óptica son “vistos” como líneas rectas por la apertura o el objeto en el que inciden, debido a que este es muchas veces más grande en términos de longitudes de onda; y bajo estas circunstancias, la onda de luz puede ser representada por una onda plana. Ver siguiente figura.

Los frentes de una onda plana son líneas rectas paralelas entre sí y perpendiculares a los rayos empleados para indicar la dirección de propagación.

Cuando un rayo de luz viaja por un medio con índice de refracción n_1(por ejemplo, el núcleo de la fibra), su velocidad v_1 es inferior a la que tendría en el vacío (c). Ambas velocidades están relacionadas por la ecuación:

n_1= √(ε_r1 ) =c/v_1

O sea que el índice de refracción puede ser interpretado como cuantas veces más grande es la velocidad de la luz en el vacío que en el material 1. Por ejemplo: el aire, el vidrio y el diamante tienen, respectivamente, índices n igual a 1.00, 1.50 y 2.42.

Si el rayo de luz que viaja por ese medio con índice de refracción n_1 se encuentra de pronto con un medio diferente (por ejemplo, con el revestimiento de la fibra) de índice

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