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República Bolivariana De Venezuela Ministerio Del Poder Popular Para La Defensa Universidad Nacional Experimental De La Fuerza Armada UNEFA Núcleo Miranda - Los Teques Teoría Electromagnética Maxwell aplicado a la Fibra Óptica Bachilleres: HERNANDEZ, Ernesto C.I: v17.556.971 De ABREU, Aiskel C.I: v17.438.218 BILLAROEL, Barbara C.I: v18537.652 DOMINGUEZ, Anderson C.I: v17.532.698 ARMAS, Eduardo C.I: v18.539.812 DÍAZ, Lisbeth C.I: v18.738.091 DELGADO, Carolina C.I: v18.189.741 AVILA, Jhonmyn C.I: v18.738488 1

Proyecto Maxwell

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Maxwell y Fibra Óptica

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Page 1: Proyecto Maxwell

República Bolivariana De VenezuelaMinisterio Del Poder Popular Para La Defensa

Universidad Nacional Experimental De La Fuerza ArmadaUNEFA

Núcleo Miranda - Los TequesTeoría Electromagnética

Maxwell aplicado a la Fibra Óptica

Bachilleres:

HERNANDEZ, Ernesto C.I: v17.556.971

De ABREU, Aiskel C.I: v17.438.218

BILLAROEL, Barbara C.I: v18537.652

DOMINGUEZ, Anderson C.I: v17.532.698

ARMAS, Eduardo C.I: v18.539.812

DÍAZ, Lisbeth C.I: v18.738.091

DELGADO, Carolina C.I: v18.189.741

AVILA, Jhonmyn C.I: v18.738488

SALAS, Meurys C.I: v16.370.662

Ciclo Profesional de Ingeniería TelecomunicacionesSección: 502

Los Teques, 16 de mayo de 2009

1

Page 2: Proyecto Maxwell

ÍNDICE

INTRODUCCION…………………………………………………………………………01

MAXWELL APLICADO A LA FIBRA ÓPTICA

BIOGRAFÌA DE MAXWELL…………………………………………………………….03

TABLA RESUMEN ECUACIONES DE MAXWELL…………………………………...07

OBTENCION DE ONDAS MEDIANTE ECUACIONES DE MAXWELL……………...08

CAMPO ELECTRICO……………………………………………………………………..09

CAMPO MAGNETICO……………………………………………………………………10

ECUACIONES DE MAXWELL PARA UNA FIBRA ÓPTICA…………………………11

MODO TRANSVERSAL ELECTROMAGNÉTICO……………………………………..13

TIPOS DE MODOS………………………………………………………………………..13

GUIA DE ONDA…………………………………………………………………………..14

PRINCIPIOS DE OPERACIÓN…………………………………………………………...14

ANÁLISIS………………………………………………………………………………….14

APLICACIONES…………………………………………………………………………..1

5

FIBRA OPTICA……………………………………………………………………………15

HISTORIA DE LA FIBRA OPTICA……………………………………………………...17

MODOS EN UNA FIBRA ÓPTICA………………………………………………………19

TIPOS DE FIBRA ÓPTICA……………………………………………………………….20

FIBRA MULTIMODO…………………………………………………………………….20

FIBRA MONOMODO……………………………………………………………………..21

COMPONENTES DE LA FIBRA ÓPTICA………………………………………………21

TIPOS DE CONECTORES………………………………………………………………..21

EMISORES DEL HAZ DE LUZ…………………………………………………………..22

2

Page 3: Proyecto Maxwell

CABLES DE FIBRA ÓPTICA…………………………………………………………….24

LAS FUNCIONES DEL CABLE………………………………………………………….25

INSTALACIÓN Y EXPLOTACIÓN……………………………………………………...25

ELEMENTOS Y DISEÑO DEL CABLE DE FIBRA ÓPTICA………..…………………25

ELEMENTOS ESTRUCTURALES……………………………………………………….26

ELEMENTOS DE REFUERZO…………………………………………………………...26

FUNDA…………………………………………………………………………………….27

FABRICACION DE LA FIBRA OPTICA………………………………………………...27

FABRICACIÓN DEL CILINDRO DE CRISTAL………………………………………...28

EXTRACCIÓN DE LAS FIBRAS………………………………………………………...29

FUNCIONAMIENTO DE LA FIBRA ÓPTICA…………………………………………..31

SISTEMAS DE REDES DE FIBRA ÓPTICA…………………………………………….33

TRANSMISOR…………………………………………………………………………….34

REGENERADOR ÓPTICO………………………………………………………………..34

RECEPTOR ÓPTICO……………………………………………………………………...35

VENTAJAS DE LA FIBRA ÓPTICA……………………………………………………..35

DESVENTAJAS…………………………………...………………………………………37

ANEXOS…………………………………………………………………………………...38

CONCLUSIÒN…………………………………………………………………………….53

BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………...54

3

Page 4: Proyecto Maxwell

INTRODUCCION

En la actualidad vivimos en un mundo constituido por información, la información

nos rodea por todas partes. Se puede decir que cada día la cantidad de información que se

encuentra en la red de redes es mayor por lo que ha sido necesario desarrollar un nuevo

sistema de comunicaciones, para transferir los datos de una manera más eficaz, la “fibra

óptica”.

La fibra óptica ha sido el medio que ha venido a sustituir a los cables, y en algunos

casos a los satélites tienen muchas ventajas con respecto a ellos y su uso se ha

incrementado gradualmente. La fibra óptica es un sistema de transmisión de datos que se

hace a través de un filamento de vidrio o plástico, la fibra óptica existe gracias al principio

de reflexión total interna, ya que los rayos de luz dentro de la fibra van rebotando con las

paredes externas del filamento. Para que este filamento de vidrio conduzca la información a

través de la luz se necesita que a los extremos de este existan dispositivos electrónicos que

de un lado envíen la información en forma de rayos de luz y del otro lado haya un

interpretador de esta información que reciba y decodifique la señal. En algunos casos es

necesario un tercer artefacto que es el regenerador óptico, el cual se utiliza cuando se envía

la señal a grandes distancias, en el punto donde la señal ya pierde intensidad, para de esta

forma darle intensidad a la señal para llegar más lejos.

Los sistemas de comunicación por fibra óptica aun son costosos, pero con los

avances de la tecnología, encontraremos cada vez más competitivo su uso con respecto a

los sistemas cableados teniendo en cuenta su gran eficiencia con respecto a estos. La fibra

óptica es un filamento con un espesor de 1.25 μs de diámetro aproximadamente, fabricada

con base en vidrio de Sílice (SiO2). Las fibras ópticas son líneas de transmisión que

funcionan bajo el principio de la reflexión interna total. El uso de fibras ópticas ofrece

numerosas ventajas relacionadas con las características de confiabilidad, tamaño y pérdidas

de potencias, sin embargo, el uso de esta tecnología. supone una costosa inversión inicial y

costosos dispositivos alternos. Las ecuaciones de Maxwell permiten modelar los modos de

4

Page 5: Proyecto Maxwell

propagación en una línea de fibra óptica. Estos modos son el modo axial y el modo

transversal.

5

Page 6: Proyecto Maxwell

DESARROLLO

Biografía de Maxwell.

(Edimburgo, 13 de junio de 1831 - Cambridge, 5 de noviembre de 1879), el más

imaginativo de los científico del siglo XIX, dio a los descubrimientos de FARADAY

andamiaje matemático y logró reunir los fenómenos ópticos y electromagnéticos hasta

entonces conocidos en el cuadrando una teoría de notable hermosura y de acabada

estructura.

Físico escocés. Nació en el seno de una familia perteneciente a la nobleza. Su padre

practicaba la abogacía, se ocupaba de la explotación de sus tierras y, en suma, era un

hombre activo que le ayudó en su formación muy poderosamente. Estudió en la Academia

de Edimburgo obteniendo éxitos en Matemáticas y Literatura.

A la edad de quince anos presentó -a través de las amistades de su progenitor- , en la

Real Sociedad de Edimburgo, una nueva solución al problema del óvalo perfecto, que fue

aceptada como la más simplificada de las hasta entonces existentes. A los diecisiete años

inicia un estudio sobre las refracciones de la luz y el comportamiento de los sólidos

elásticos, que concluye en menos de tres años con expresiones matemáticas de los

resultados obtenidos. Ingresa en la Universidad de Cambrigde y comienza a escribir

ensayos literarios y filosóficos. Acabada su carrera publica un estudio sobre los colores que

consolida su fama anterior como científico. Como personalidad peculiar e incluso

extravagante, su paso por la Universidad supuso en él cierta moderación.

Profundiza en los estudios iniciados por Faraday y universaliza sus principios

mediante su aprehensión matemática. Con respecto a la "propagación de ondas" en el

espacio razonaba asi:

El cambio del campo eléctrico, razonó MAXWELL, engendra en proximidad un

campo magnético, e inversamente cada y acción del campo magnético origina uno

eléctrico. Dado que, acciones eléctricas se propagan con velocidad finita de punto a punto,

se podrán concebir los cambios periódicos —cambios-dirección e intensidad— de un 6

Page 7: Proyecto Maxwell

campo eléctrico como una propagación de ondas. Tales ondas eléctricas están

necesariamente acompañadas por ondas magnéticas indisolublemente liga ellas. Los dos

campos, eléctrico y magnético, periódicamente variables, están constantemente

perpendiculares entre sí y dirección común de su propagación. Son, pues, ondas

transversales semejantes a las de la luz. Por otra parte, las ondas electromagnéticas se

transmiten, como se puede deducir de investigaciones de WEBER y KOHLRAUSCH, con

la misma ve dad que la luz. De esta doble analogía y con genial MAXWELL concluye su

identidad: la luz, afirma, consiste en una perturbación electromagnética que se propaga en

el éter. Ondas eléctricas y ondas luminosas son fenómenos idénticos.

A la construcción teórica erigida por MAXWELL, HEINRICH HERTZ (1857-

1894) brindó la base de la comprobación experimental. En 1888 logró producir ondas por

medios exclusivamente eléctricos y demostrar que estas ondas poseen todas las

características de la luz visible, con la única diferencia de que sus longitudes de onda son

enormemente mayores. HERTZ pone en evidencia que las ondas eléctricas se dejan

refractar, reflexionar, polarizar, y que su velocidad de propagación es igual a la luz. La

predicción de MAXWELL se había realizado: ¡la existencia de las ondas electromagnéticas

era una realidad tangible!

El calor es movimiento: El problema que Maxwell se puso a si mismo en 1860 fue

el de la conducta de los gases, especialmente en relación con los cambios de temperatura.

En aquellos tiempos, todavía no se comprendía, realmente, qué era el calor; la idea de que

se trataba de una especie de fluido que pasaba de los cuerpos calientes a los fríos seguía

teniendo un apoyo considerable. Maxwell se interrogó acerca del comportamiento de las

moléculas al moverse rápidamente, y sus excelentes habilidades matemáticas le permitieron

tratar el problema de forma estadística. Desarrolló una ecuación que describía la

distribución de velocidades de las moléculas de gas a una temperatura dada. La ecuación

mostraba que, aunque algunas moléculas se movían, comparativamente, despacio y

algunas, excepcionalmente, rápido, la mayoría lo hacían a una velocidad media que se

incrementaba al aumentar la temperatura y que disminuía al enfriarse. La temperatura, y el

propio calor, se producían a causa del movimiento de las moléculas, y eso era tan cierto en

los líquidos y sólidos como en los gases. El calor no era algo que fluía de un lugar a otro, 7

Page 8: Proyecto Maxwell

era, simplemente, otra palabra para describir la actividad de las moléculas de una sustancia

en cuestión.

Es aceptado en círculos científicos y adquiere reconocimiento, pero no obtiene

grandes honores, ni ocupa puestos importantes. Maxwell es y no es un revolucionario. Pero

es un genio indiscutible. En él se halla el desarrollo de las teorías de Faraday y en él la base

de las de Planck.

Durante un breve tiempo trabaja en la Universidad de Aberdeen y posteriormente en

el Colegio Real de Londres, hasta 1865. A este tiempo corresponde la fundamentación

matemática de las leyes físicas de Faraday sobre la dinámica del campo electromagnético.

Abandona el Colegio y se retira a la finca de su patrimonio familiar. Desde allí hace viajes

a Cambridge para algunas labores académicas. Fundó el laboratorio Cavendish y lleva su

dirección realizando la síntesis del estudio teórico-práctico de la Física. Esta institución

supuso una evolución al prestigio teórico de Cambridge. Posteriormente fueron sus

directores Rayleigh, Rutherford...

Una vez establecida la posibilidad de transmitir oscilaciones eléctricas sin

conductor, el paso decisivo estaba dado para constituir la telegrafía inalámbrica, cuyo

primer esbozo se escondía en los experimentos de HERTZ y que había sido desarrollada

por el francés EDOUARD BRANLY, el inglés OLIVER LODGE, el ruso GEORGE

POPOFF y el italiano GUGLIELMO MARCONI. En 1899 las ondas hertzianas lograron

cruzar el Canal de la Mancha y años después el océano Atlántico.

Tan grande como su utilidad práctica fue la inmediata consecuencia teórica de las

investigaciones de MAXWELL y de HERTZ. Todas las radiaciones se revelaron de la

misma índole física, diferenciándose solamente por las longitudes de onda. Su escala

comienza con las largas ondas hertzianas y, pasando por la luz visible, terminó en los días

de HERTZ con los rayos ultravioletas, a los que pronto debían agregarse los rayos X, los

rayos radiactivos y los rayos cósmicos.

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Page 9: Proyecto Maxwell

Las ecuaciones de Maxwell son un conjunto de cuatro ecuaciones que describen por

completo los fenómenos electromagnéticos. La gran contribución de James Clerk Maxwell

fue reunir en estas ecuaciones largos años de resultados experimentales, debidos a

Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y

corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo

concepto: el campo electromagnético.

En 1884, Oliver Heaviside junto con Willard Gibbs agrupó estas ecuaciones y las

reformuló en la notación vectorial actual. Sin embargo, es importante conocer que al hacer

eso, Heaviside usó derivadas parciales temporales, diferentes a las derivadas totales usadas

por Maxwell. Ello provocó que se perdiera el término vxB que aparecía en la ecuación

posterior del trabajo de Maxwell. En la actualidad, este término se usa como

complementario a estas ecuaciones y se conoce como fuerza de Lorentz.

La historia es aún confusa, debido a que el término ecuaciones de Maxwell se usa

también para un conjunto de ocho ecuaciones en la publicación de Maxwell de 1865, A

Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, y esta confusión se debe a que seis de las

ocho ecuaciones son escritas como tres ecuaciones para cada eje de coordenadas, así se

puede uno confundir al encontrar veinte ecuaciones con veinte incógnitas. Los dos tipos de

ecuaciones son casi equivalentes, a pesar del término eliminado por Heaviside en las

actuales cuatro ecuaciones.

El aspecto más importante del trabajo de Maxwell en el electromagnetismo es el

término que introdujo en la ley de Ampère; la derivada temporal de un campo eléctrico,

conocido como corriente de desplazamiento. El trabajo que Maxwell publicó en 1865, A

Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, modificaba la versión de la ley de Ampère

con lo que se predecía la existencia de ondas electromagnéticas propagándose, dependiendo

del medio material, a la velocidad de la luz en dicho medio. De esta forma Maxwell

identificó la luz como una onda electromagnética, unificando así la óptica con el

electromagnetismo.

9

Page 10: Proyecto Maxwell

Exceptuando la modificación a la ley de Ampère, ninguna de las otras ecuaciones

era original. Lo que hizo Maxwell fue reobtener dichas ecuaciones a partir de modelos

mecánicos e hidrodinámicos usando su modelo de vórtices de líneas de fuerza de Faraday.

TABLA RESUMEN ECUACIONES DE MAXWELL

Nombre Forma diferencial Forma integral

Ley de

Gauss:

Ley de

Gauss para

el campo

magnético:

Ley de

Faraday:

Ley de

Ampère

generalizad

a:

Estas cuatro ecuaciones junto con la fuerza de Lorentz son las que explican

cualquier tipo de fenómeno electromagnético. Una fortaleza de las ecuaciones de Maxwell

10

Page 11: Proyecto Maxwell

es que permanecen invariantes en cualquier sistema de unidades, salvo de pequeñas

excepciones, y que son compatibles con la relatividad especial y general. Además Maxwell

descubrió que la cantidad era simplemente la velocidad de la luz en el vacío,

por lo que la luz es una forma de radiación electromagnética. Los valores aceptados

actualmente para la velocidad de la luz, la permitividad y la permeabilidad magnética se resumen

en la siguiente tabla:

Símbolo Nombre Valor numéricoUnidad de medida

SITipo

Velocidad de la luz en el

vacíometros por segundo definido

Permitividad faradios por metro derivado

Permeabilidad magnética henrios por metro definido

OBTENCION DE ONDAS MEDIANTE ECUACIONES DE MAXWELL

Recordemos en primer lugar las ecuaciones de Maxwell que para  medios isótropos,

no magnéticos y sin carga libre:

Combinando correctamente estas relaciones, llegamos a las siguientes ecuaciones:

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Page 12: Proyecto Maxwell

Podemos observar la similitud que guarda cada una de estas ecuaciones con la

expresión general de una ecuación de ondas, que reproducimos a continuación:

 

Donde  , siendo c la velocidad de la luz en el vacío y n es el índice de

refracción del medio.  La solución a la ecuación de onda es la siguiente:

Con  .     Por lo tanto, para las ecuaciones de onda de los campos eléctrico y

magnético:

 

Y

CAMPO ELECTRICO

El campo eléctrico es el modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas

con propiedades de naturaleza eléctrica. Matemáticamente se lo describe como un campo

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Page 13: Proyecto Maxwell

vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de valor "q" sufrirá los efectos de una fuerza

mecánica "F" que vendrá dada por la siguiente ecuación:

Esta definición indica que el campo no es directamente medible, sino a través de la

medición de la fuerza actuante sobre alguna carga. La idea de campo eléctrico fue

propuesta por Michael Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética en

el año 1832.

A partir de la ecuación anterior podemos definir un campo eléctrico en un punto p como:

donde sabemos que k es la constante de un campo se halla k = 1/(4πε); donde ε es la

constante del ambiente o espacio donde se está estudiando el campo. â es el vector

dirección unitario que va desde la carga hasta el punto a. Es la norma del vector ā que

define la distancia entre el punto y la carga.

CAMPO MAGNETICO

El campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual

de valor q que se desplaza a una velocidad , sufre los efectos de una fuerza que es

perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo, llamada inducción

magnética o densidad de flujo magnético. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con

la siguiente igualdad.

(Nótese que tanto F como v y B son magnitudes vectoriales y el producto cruz es un

producto vectorial que tiene como resultante un vector perpendicular tanto a v como a B).

El módulo de la fuerza resultante será

13

Page 14: Proyecto Maxwell

La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad

localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que

puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo

magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro.

Para conocer o aplicar las ecuaciones de Maxwell a la Fibra Óptica debemos

conocer lo que es el campo eléctrico y el campo magnético ya que de ello depende la

creación de una onda electromagnética.

ECUACIONES DE MAXWELL PARA UNA FIBRA ÓPTICA

    La simetría cilíndrica de una fibra óptica nos sugiere utilizar coordenadas cilíndricas

para estudiar el problema, lo que complica, a priori, un poco los cálculos, dado que las

relaciones vectoriales son más complejas.  Sin embargo, resolver las ecuaciones de

Maxwell para una  simetría cilíndrica  en coordenadas cartesianas acoplaría las diferentes

componentes de forma que las ecuaciones resultantes serían muchísimo más complejas.

Por ser una fibra de salto de índice, vamos a considerar una resolución parcial de las

ecuaciones de Maxwell en cada una de las regiones (núcleo y revestimiento) como si fuesen

medios homogéneos para posteriormente aplicar las condiciones de contorno.  De las

ecuaciones transcendentales obtenidas, calcularemos las características de los modos.

   Una de las  consecuencias más importantes de utilizar la simetría cilíndrica es que

las soluciones de las ecuaciones son SEPARABLES en cada una de las variables dentro de

cada una de las regiones de la fibra (núcleo y revestimiento).  Es decir, cada una de las

soluciones a las ecuaciones de ondas anteriores sería la siguiente:

Ai=CF1(r)F2(Φ)F3(z)F4(t)

donde Ai representa cada una de las incógnitas que tenemos que resolver:

Er, EΦ, Ez, Hr, HΦ, Hz

14

Page 15: Proyecto Maxwell

  No obstante, solo hay que resolver dos de ellas, porque las ecuaciones de Maxwell

permiten relacionarlas con la demás.  Calcularemos inicialmente las componentes Ez y Hz.

Operando sobre las ecuaciones de Maxwell, y asumiendo la forma funcional de las

soluciones, se puede encontrar que las componentes Ez y Hz del campo electromagnético cumplen

la siguiente ecuación de ondas en coordenadas cilíndricas:

Campo Eléctrico Campo Magnético

   

Es decir:

Podemos ver los pasos intermedios por los que se ha pasado hasta llegar a estos

resultados. En la resolución de la ecuación de ondas para guías planas, las dos ecuaciones

eran independientes, lo que  daba lugar a modos TE o TM.  En este caso, al ser la  guía

bidimensional, las dos componentes Ez y Hz no son completamente  independientes, sino

que las condiciones de contorno van a acoplar las dos componentes.  Las condiciones de

contorno en este caso  para las componentes tangenciales son:

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Page 16: Proyecto Maxwell

Modo transversal electromagnético

El modo transversal de un frente de onda electromagnética es el perfil del campo

electromagnético en un plano perpendicular (transversal) a la dirección de propagación del

rayo. Modos transversales ocurren en las ondas de radio y microondas confinadas en una

guía de ondas, como también la luz confinada en una fibra óptica y en el resonador óptico

de un láser.

Los modos transversales son debidos a las condiciones de frontera impuestas por la

guía de ondas. Por ejemplo una onda de radio que se propaga a lo largo de una guía hueca

de paredes metálicas tendrá como consecuencia que las componentes del campo eléctrico

paralelas a la dirección de propagación (eje de la guía) se anulen, y por tanto el perfil

transversal del campo eléctrico estará restringido a aquellas ondas cuya longitud de onda

encaje entre las paredes conductoras. Por esta razón, los modos soportados son cuantizados

y pueden hallarse mediante la solución de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones

de frontera adecuadas.

Tipos de modos

Los modos transversales son clasificados de la siguiente manera:

modos TE (Transverse Electric) no existe ninguna componente del campo eléctrico

en la dirección de propagación.

modos TM (Transverse Magnetic) no existe ninguna componente del campo

magnético en la dirección de propagación.

modos TEM (Transverse ElectroMagnetic) no existe ninguna componente del

campo eléctrico y magnético en la dirección de propagación.

modos Híbridos son aquellos donde hay componentes del campo eléctrico y

magnético en la dirección de propagación.

16

Page 17: Proyecto Maxwell

Debido a las condiciones de frontera incluidas por el material, dentro de una guía de

paredes conductoras, rellena de un material homogéneo e isótropo, no se puede propagar

ningún modo híbrido. Exceptuando casos como este o de cierta simetría especial, los modos

que se propagan en las guías comunes son principalmente del tipo híbrido. Por ejemplo, la

luz que viaja en una fibra óptica u otra guía dieléctrica normalmente se compone de modos

híbridos. Los modos de una fibra son usualmente referidos como modos LP (polarización

lineal, de sus siglas en inglés), que se refiere a una aproximación escalar para el campo,

suponiendo que el campo solo tiene una componente transversal (esto es bastante acertado

para la fibras comunes donde es muy poca la diferencia entre los índices de refracción).

Tanto una onda plana propagándose por el espacio libre, como los modos generados en

un resonador óptico láser, son del tipo Transversal Electromagnético (TEM).

GUIA DE ONDA

En electromagnetismo y en telecomunicación, una guía de onda es cualquier

estructura física que guía ondas electromagnéticas.

Principios de operación

Dependiendo de la frecuencia, se pueden construir con materiales conductores o

dieléctricos. Generalmente, cuanto más baja es la frecuencia, mayor es la guía de onda.

Por ejemplo, el espacio entre la superficie terrestre y la ionosfera, la atmósfera,

actúa como una guía de onda. Las dimensiones limitadas de la Tierra provocan que esta

guía de onda actúe como cavidad resonante para las ondas electromagnéticas en la banda

ELF.

Las guías de onda también pueden tener dimensiones de pocos centímetros. Un

ejemplo puede ser aquellas utilizadas por los satélites de EHF y por los radares.

Análisis

17

Page 18: Proyecto Maxwell

Las guías de onda electromagnéticas se analizan resolviendo las ecuaciones de

Maxwell. Estas ecuaciones tienen soluciones múltiples, o modos, que son los autofunciones

del sistema de ecuaciones. Cada modo es pues caracterizado por un autovalor, que

corresponde a la velocidad de propagación axial de la onda en la guía.

Los modos de propagación dependen de la longitud de onda, de la polarización y de las

dimensiones de la guía. El modo longitudinal de una guía de onda es un tipo particular de

onda estacionaria formado por ondas confinadas en la cavidad.

Aplicaciones

Las guías de onda son muy adecuadas para transmitir señales debido a sus bajas

pérdidas. Por ello, se usan en microondas, a pesar de su ancho de banda limitado y

volumen, mayor que el de líneas impresas o coaxiales para la misma frecuencia.

También se realizan distintos dispositivos en guías de onda, como acopladores

direccionales, filtros, circuladores y otros.

Actualmente, son especialmente importantes, y lo serán más en el futuro, las guías

de onda dieléctricas trabajando a frecuencias de la luz visible e infrarroja, habitualmente

llamadas fibra óptica, útiles para transportar información de banda ancha, sustituyendo a los

cables coaxiales y enlaces de microondas en las redes telefónicas y, en general, las redes de

datos.

FIBRA OPTICA

Una fibra óptica es un filamento delgado y largo de un material dieléctrico

transparente, usualmente vidrio o plástico de un diámetro aproximadamente igual al de un

cabello (entre 50 a 125 micras) al cual se le hace un revestimiento especial, con ciertas

características para transmitir señales de luz a través de largas distancias.

Un cable de fibra óptica está compuesto de las siguientes partes:

18

Page 19: Proyecto Maxwell

Núcleo: Es propiamente la fibra óptica, la hebra delgada de vidrio por donde viaja

la luz.

Revestimiento: Es una o más capas que rodean a la fibra óptica y están hechas de

un material con un índice de refracción menor al de la fibra óptica, de tal forma que

los rayos de luz se reflejen por el principio de reflexión total interna hacia el núcleo

y permite que no se pierda la luz.

Forro: Es un revestimiento de plástico que protege a la fibra y la capa media de la

humedad y los maltratos.

La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos;

un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían

pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente

confinado y se propaga por el núcleo de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del

ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser

láser o un LED.

Las fibras ópticas vienen en dos tipos:

Las fibras multi-modo: Transmiten muchas señales por la fibra (usada en las redes

de ordenadores , las redes de área local)

Fibras unimodales: Transmiten una señal por la fibra (usada en teléfonos y la

televisión por cable). Las fibras unimodales tienen núcleos muy delgados (cerca de

9 micrones de diámetro) y transmiten la luz láser infrarroja (longitud de onda =

1.300 a 1.550 nanómetros). Las fibras multi-modo tienen núcleos más grandes

(cerca de 62,5 micrones de diámetro) y transmiten la luz infrarroja (longitud de

onda = 850 a 1.300 nm) de diodos emisores de luz (LEDs).

Algunas fibras ópticas se pueden hacer de plástico. Estas fibras tienen una base

grande (0,04 pulgadas o diámetro de 1 milímetro) y transmiten la luz roja visible (longitud

de onda = 650 nm) de los LEDs.

Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar

gran cantidad de datos a gran velocidad, mucho más rápido que en las comunicaciones de

19

Page 20: Proyecto Maxwell

radio y cable. También se utilizan para redes locales. Son el medio de transmisión por

excelencia, inmune a las interferencias. Tienen un costo elevado.

HISTORIA DE LA FIBRA OPTICA.

Como resultado de estudios en física enfocados de la óptica, se descubrió un nuevo

modo de empleo para la luz llamado rayo láser. Este último es usado con mayor vigor en el

área de las telecomunicaciones, debido a lo factible que es enviar mensajes con altas

velocidades y con una amplia cobertura. Sin embargo, no existía un conducto para hacer

viajar los fotones originados por el láser.

La posibilidad de controlar un rayo de luz, dirigiéndolo en una trayectoria recta, se

conoce desde hace mucho tiempo. En 1820, Augustine-Jane Fresnes ya conocía las

ecuaciones por las que rige la captura de la luz dentro de una placa de cristal lisa. Su

ampliación a lo que entonces se conocía como cables de vidrio fue obra de D. Hondros y

Peter Debye en 1910. El físico irlandés John Tyndall descubrió que la luz podía viajar

dentro de un material (agua), curvándose por reflexión interna, y en 1870 presentó sus

estudios ante los miembros de la Real Sociedad. A partir de este principio se llevaron a

cabo una serie de estudios, en los que demostraron el potencial del cristal como medio

eficaz de transmisión a larga distancia. Además, se desarrollaron una serie de aplicaciones

basadas en dicho principio para iluminar corrientes del agua en fuentes públicas. Más tarde,

J. L. Baird registró patentes que describían la utilización de bastones sólidos de vidrio en la

trasmisión de luz, para su empleo en un primitivo sistema de televisión de colores. El gran

problema, sin embargo, es que las técnicas y los materiales usados no permitían la

trasmisión de luz con buen rendimiento. Las pérdidas eran tan grandes y no había

dispositivos de acoplamiento óptico.

Solamente en 1950 las fibras ópticas comenzaron a interesar a los investigadores,

con muchas aplicaciones prácticas que estaban siendo desarrolladas. En 1952, el físico

Narinder Singh Kapany, apoyándose en los estudios de John Tyndall, realizó experimentos

que condujeron a la invención de la fibra óptica.

20

Page 21: Proyecto Maxwell

Uno de los primeros usos de la fibra óptica fue emplear un haz de fibras para la

transmisión de imágenes, que se usó en el endoscopio médico. Usando la fibra óptica, se

consiguió un endoscopio semiflexible, el cual fue patentado por la Universidad de

Michigan en 1956. En este invento se usaron unas nuevas fibras forradas con un material

de bajo índice de refracción, ya que antes se impregnaban con aceites o ceras. En esta

misma época, se empezaron a utilizar filamentos delgados como el pelo que transportaban

luz a distancias cortas, tanto en la industria como en la medicina, de forma que la luz podía

llegar a lugares que de otra forma serían inaccesibles. El único problema era que esta luz

perdía hasta el 99% de su intensidad al atravesar distancias de hasta de 9 metros de fibra.

En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal podía atravesar 240

kilómetros de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable. Pero las fibras ópticas con

este grado de transparencia no se podían fabricar usando métodos tradicionales. El gran

avance se produjo cuando se dieron cuenta de que el cristal de sílice puro, sin ninguna

impureza de metal que absorbiese luz, solamente se podía fabricar directamente a partir de

componentes de vapor, evitando de esta forma la contaminación que inevitablemente

resultaba del uso convencional de los crisoles de fundición. El progreso se centraba ahora

en seleccionar el equilibrio correcto de componentes del vapor y optimizar sus reacciones.

La tecnología en desarrollo se basaba principalmente en el conocimiento de la

termodinámica química, una ciencia perfeccionaba por tres generaciones de químicos desde

su adopción original por parte de Willard Gibbs, en el siglo XIX.

También en 1980, AT&T presentó a la Comisión Federal de Comunicaciones de los

Estados Unidos un proyecto de un sistema de 978 kilómetros que conectaría las principales

ciudades del corredor que iba de Boston a Washington. Cuatro años después, cuando el

sistema comenzó a funcionar, su cable, de menos de 25 centímetros de diámetro,

proporcionaba 80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas simultáneas. Para

entonces, la longitud total de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos

alcanzaba 400.000 kilómetros (lo suficiente para llegar a la luna).

21

Page 22: Proyecto Maxwell

Pronto, cables similares atravesaron los océanos del mundo. El primer enlace

transoceánico con fibra óptica fue el TAT-8 que comenzó a operar en 1988, usando un

cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las señales débiles se podían

colocar a distancias de más de 64 kilómetros. Tres años después, otro cable transatlántico

duplicó la capacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacífico también han entrado en

funcionamiento. Desde entonces, se ha empleado fibra óptica en multitud de enlaces

transoceánicos o entre ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redes

troncales de las operadoras hacia los usuarios finales.

Hoy en día, debido a sus mínimas pérdidas de señal y a sus óptimas propiedades de

ancho de banda, la fibra óptica puede ser usada a distancias más largas que el cable de

cobre. Además, la fibra por su peso y tamaño reducido, hace que sea muy útil en entornos

donde el cable de cobre sería impracticable.

Modos en una fibra óptica

El número de modos en una fibra óptica determina si una fibra es mono-modo ó

multi-modo, esto es, si puede mantener uno o varios modos guíados. Para determinar el

número de modos guíados en una fibra de salto de índice es necesario determinar el

parámetro de fibra V:

o equivalentemente:

donde k0 es el número de onda, a es el radio del núcleo, λ es la longitud de onda,

NA es la apertura numérica, n1 y n2 son respectivamente los índices de refracción del

núcleo y del revestimiento. Cualquier fibra de salto de índice con un parámetro V menor

22

Page 23: Proyecto Maxwell

que 2.405 es (por definición) una fibra monomodo, de igual forma si V > 2.405 la fibra

guiará otros modos además del modo fundamental (multi-modo).

La descomposición de la distribución de campos en modos transversales es muy útil

porque facilita la interpretación de perfiles de intensidad muy complejos, como la

superposición de modos más simples. Del estudio de estos modos es posible conocer la

evolución del campo que se propaga.

Tipos de Fibra óptica

Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra

se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos

de fibra óptica: multimodo y monomodo.

Fibra multimodo

Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más

de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo

puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan

comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km; es simple de diseñar y

económico.Su distancia máxima es de 2 km y usan diodos láser de baja intensidad.

El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del

mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una

fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de

menor precisión.

Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra

multimodo:

Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción

constante en toda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.

23

Page 24: Proyecto Maxwell

Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante, tiene

menor dispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales.

Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según su

ancho de banda las fibras pueden ser OM1, OM2 0 OM3.

OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED

como emisores

OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como

emisores

OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan láser como

emisores.

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 paralela al eje de la fibra. A

diferencia de las fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes

distancias (hasta 100 km máximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir

elevadas tasas de información (decenas de Gb/s).

Componentes de la fibra óptica

Dentro de los componentes que se usan en la fibra óptica caben destacar los

siguientes: los conectores, el tipo de emisor del haz de luz, los conversores de luz, etc.

Tipos de conectores

Estos elementos se encargan de conectar las líneas de fibra a un elemento, ya puede

ser un transmisor o un receptor. Los tipos de conectores disponibles son muy variados,

entre los que podemos encontrar se hallan los siguientes:

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Page 25: Proyecto Maxwell

Tipos de conectores de la fibra óptica.

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.

SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos.

ST o BFOC se usa en redes de edificios y en sistemas de seguridad.

Emisores del haz de luz

Estos dispositivos se encargan de emitir el haz de luz que permite la transmisión de

datos, estos emisores pueden ser de dos tipos:

LEDs. Utilizan una corriente de 50 a 100 mA, su velocidad es lenta, solo se puede

usar en fibras multimodo, pero su uso es fácil y su tiempo de vida es muy grande,

además de ser económicos.

Láser. Este tipo de emisor usa una corriente de 5 a 40 mA, son muy rápidos, se

puede usar con los dos tipos de fibra, monomodo y multimodo, pero por el contrario

su uso es difícil, su tiempo de vida es largo pero menor que el de los LEDs y

también son mucho más costosos.

Conversores luz-corriente eléctrica

25

Page 26: Proyecto Maxwell

Este tipo de conversores convierten las señales ópticas que proceden de la fibra en

señales eléctricas. Se limitan a obtener una corriente a partir de la luz modulada incidente,

esta corriente es proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma de onda de la

señal moduladora.

Se fundamenta en el fenómeno opuesto a la recombinación, es decir, en la

generación de pares electrón-hueco a partir de los fotones. El tipo más sencillo de detector

corresponde a una unión semiconductora P-N.

Las condiciones que debe cumplir un fotodetector para su utilización en el campo de las

comunicaciones, son las siguientes:

La corriente inversa (en ausencia de luz) debe ser muy pequeña, para así poder

detectar señales ópticas muy débiles (alta sensibilidad).

Rapidez de respuesta (gran ancho de banda).

El nivel de ruido generado por el propio dispositivo ha de ser mínimo.

Hay dos tipos de detectores: los fotodiodos PIN y los de avalancha APD.

Detectores PIN: Su nombre viene de que se componen de una unión P-N y entre

esa unión se intercala una nueva zona de material intrínseco (I), la cual mejora la

eficacia del detector.

Se utiliza principalmente en sistemas que permiten una fácil discriminación entre

posibles niveles de luz y en distancias cortas.

Detectores APD: El mecanismo de estos detectores consiste en lanzar un electrón a

gran velocidad (con la energía suficiente), contra un átomo para que sea capaz de

arrancarle otro electrón.

Estos detectores se pueden clasificar en tres tipos:

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Page 27: Proyecto Maxwell

de silicio: presentan un bajo nivel de ruido y un rendimiento de hasta el 90%

trabajando en primera ventana. Requieren alta tensión de alimentación (200-300V).

de germanio: aptos para trabajar con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y

1300 nm y con un rendimiento del 70%.

de compuestos de los grupos III y V.

Cables de fibra óptica

Un cable de fibra óptica esta compuesto por un grupo de fibras ópticas por el cual se

transmiten señales luminosas. Las fibras ópticas comparten su espacio con hiladuras de

aramida que le confieren la necesaria resistencia a la tracción.

Sección de un cable de fibra óptica.

Conectores de cable de fibra óptica.

Los cables de fibra óptica proporcionan una alternativa sobre los coaxiales en la

industria de la electrónica y las telecomunicaciones. Así, un cable con 8 fibras ópticas tiene

un tamaño bastante más pequeño que los utilizados habitualmente, puede soportar las

27

Page 28: Proyecto Maxwell

mismas comunicaciones que 60 cables de 1623 pares de cobre o 4 cables coaxiales de 8

tubos, todo ello con una distancia entre repetidores mucho mayor.

Por otro lado, el peso del cable de fibra óptica es muchísimo menor que el de los

coaxiales, ya que una bobina del cable de 8 fibras antes citado puede pesar del orden de 30

kg/km, lo que permite efectuar tendidos de 2 a 4 km de una sola vez, mientras que en el

caso de los cables de cobre no son prácticas distancias superiores a 250 - 300 m.

La “fibra óptica” no se suele emplear tal y como se obtiene tras su proceso de

creación (tan sólo con el revestimiento primario), sino que hay que dotarla de de más

elementos de refuerzo que permitan su instalación sin poner en riesgo al vidrio que la

conforma. Es un proceso difícil, ya que el vidrio es quebradizo y poco dúctil. Además, la

sección de la fibra es muy pequeña, por lo que la resistencia que ofrece a romperse es

prácticamente nula. Es por tanto necesario protegerla mediante la estructura que

denominamos cable.

Las funciones del cable

Las funciones del cable de fibra óptica son varias. Actúa como elemento de

protección de la fibra/s óptica/s que hay en su interior frente a daños y fracturas que puedan

producirse tanto en el momento de su instalación como a lo largo de la vida útil de ésta.

Además, proporciona suficiente consistencia mecánica para que pueda manejarse en las

mismas condiciones de tracción, compresión, torsión y medioambientales que los cables de

conductores. Para ello incorporan elementos de refuerzo y aislamiento frente al exterior.

Instalación y explotación

Referente a la instalación y explotación del cable, nos encontramos frente a la

cuestión esencial de qué tensión es la máxima que debe admitirse durante el tendido para

que el cable no se rompa y se garantice una vida media de unos 20 años.

Elementos y diseño del cable de fibra óptica

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Page 29: Proyecto Maxwell

La estructura de un cable de fibra óptica dependerá en gran medida de la función que

deba desempeñar esa fibra. A pesar de esto, todos los cables tienen unos elementos

comunes que deben ser considerados y que comprenden: el revestimiento secundario de la

fibra o fibras que contiene; los elementos estructurales y de refuerzo; la funda exterior del

cable, y las protecciones contra el agua. Existen tres tipos de “revestimiento secundario”:

“Revestimiento ceñido”: Consiste en un material (generalmente plástico duro como

el nylon o el poliéster) que forma una corona anular maciza situada en contacto

directo con el revestimiento primario. Esto genera un diámetro externo final que

oscila entre 0’5 y 1 mm. Esto proporciona a la fibra una protección contra

microcurvaturas, con la salvedad del momento de su montaje, que hay que vigilar

que no las produzca ella misma.

“Revestimiento holgado hueco”: Proporciona una cavidad sobredimensionada. Se

emplea un tubo hueco extruido (construido pasando un metal candente por el

plástico) de material duro, pero flexible, con un diámetro variable de 1 a 2 mm. El

tubo aísla a la fibra de vibraciones y variaciones mecánicas y de temperatura

externas.

“Revestimiento holgado con relleno”: El revestimiento holgado anterior se puede

rellenar de un compuesto resistente a la humedad, con el objetivo de impedir el paso

del agua a la fibra. Además ha de ser suave, dermatológicamente inocuo, fácil de

extraer, autorregenerativo y estable para un rango de temperaturas que oscila entre

los ¬ 55 y los 85 ºC Es frecuente el empleo de derivados del petróleo y compuestos

de silicona para este cometido.

Elementos estructurales

Los elementos estructurales del cable tienen como misión proporcionar el núcleo

alrededor del cual se sustentan las fibras, ya sean trenzadas alrededor de él o dispersándose

de forma paralela a él en ranuras practicadas sobre el elemento a tal efecto.

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Page 30: Proyecto Maxwell

Elementos de refuerzo

Tienen por misión soportar la tracción a la que éste se ve sometido para que ninguna

de sus fibras sufra una elongación superior a la permitida. También debe evitar posibles

torsiones. Han de ser materiales flexibles y, ya que se emplearán kilómetros de ellos han de

tener un coste asequible. Son materiales preferidos el acero el Kevlar y la fibra de vidrio.

Funda

Por último, todo cable posee una funda, generalmente de plástico cuyo objetivo es

proteger el núcleo que contiene el medio de transmisión frente a fenómenos externos a éste

como son la temperatura, la humedad, el fuego, los golpes externos, etc. Dependiendo de

para qué sea destinada la fibra, la composición de la funda variará. Por ejemplo, si va a ser

instalada en canalizaciones de planta exterior, debido al peso y a la tracción bastará con un

revestimiento de polietileno extruido. Si el cable va a ser aéreo, donde sólo importa la

tracción en el momento de la instalación nos preocupará más que la funda ofrezca

resistencia a las heladas y al viento. Si va a ser enterrado, querremos una funda que, aunque

sea más pesada, soporte golpes y aplastamientos externos. En el caso de las fibras

submarinas la funda será una compleja superposición de varias capas con diversas

funciones aislantes.

FABRICACION DE LA FIBRA OPTICA

Las fibras ópticas se hacen del cristal óptico extremadamente puro. Por ejemplo, al

ver una ventana de cristal transparente, cuanto más grueso es el cristal, menos transparente

llega a ser debido a las impurezas en el cristal. Sin embargo, el cristal en una fibra óptica

tiene muchísimo menos impurezas que el vidrio del cristal de una ventana. Una

comparación de la calidad del cristal en una fibra óptica es la siguiente: si una persona

estuviera navegando en un mar de kilómetros de profundidad que fuese de cristal de fibra

óptica podría ver los peces en el fondo del océano.

La fabricación de fibras ópticas tiene diferentes etapas:

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Page 31: Proyecto Maxwell

1. Fabricación de un cilindro de cristal.

2. Extracción de las fibras del cilindro.

3. Prueba final de las fibras.

Especificando un poco dichas etapas:

Fabricación del cilindro de cristal

El cristal para el objeto semi-trabajado es hecho por un proceso llamado deposición

de vapor químico modificado (MCVD, en inglés), el cual se esquematiza en la Fig. 04.

Fig. 04 – Esquema del MCVD

En MCVD, el oxígeno se burbujea a través de soluciones del cloruro del silicio

(SiCl4), cloruro del germanio (GeCl4) y/o otros productos químicos. La mezcla exacta

gobierna las características físicas y ópticas (índice de refracción, el coeficiente de la

extensión, el punto de fusión, etc.). Los vapores del gas se conducen al interior de un tubo

sintético de silicio o cuarzo (revestimiento) en un torno especial. Mientras el torno da

vueltas, una antorcha se mueve arriba y abajo del exterior del tubo. El calor extremo de la

antorcha hace dos cosas:

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Page 32: Proyecto Maxwell

- El silicio y el germanio reaccionan con el oxígeno, formando el dióxido del silicio

(SiO2) y dióxido del germanio (GeO2).

- El dióxido del silicio y del dióxido de germanio se unen en el interior del tubo y se

funden juntos para formar el cristal.

El torno da vueltas constantemente para hacer una capa uniforme. La pureza del

cristal es mantenida usando el plástico resistente a la corrosión en el sistema de la entrega

del gas (bloques de la válvula, tuberías, sellos) y controlando el flujo y la composición de la

mezcla.

Extracción de las fibras

Una vez realizado el cilindro se procede a colocarlo en una máquina que extrae de él

las fibras. En la Fig. 05 se muestra de manera general el proceso de fabricación de la fibra

óptica:

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Page 33: Proyecto Maxwell

Fig. 05 – Esquema general de fabricación

El operador enrosca la fibra sobre un carrete. El mecanismo del carrete tira

lentamente la fibra de la máquina anterior calentando el cilindro y es controlado usando un

micrómetro láser para medir el diámetro de la fibra y para alimentar la información de

nuevo al mecanismo del tractor. Las fibras se tiran del cilindro a una velocidad de 10 a 20

m/s y el producto acabado se enrosca sobre el carrete. Normalmente los carretes pueden

llegar a contener más de 2,2 kilómetros de fibra óptica.

Prueba de la fibra óptica acabada

La fibra óptica acabada se prueba con las siguientes condiciones:

- Fuerza extensible: debe soportar 100.000 lb/in 2 o más

- Perfil del índice de refracción: Determina el índice de refracción y el grado de

impurezas en la fibra.

- Geometría de la fibra: Se ve que el diámetro de base, las dimensiones del revestimiento

y el diámetro de capa son uniformes.

- Atenuación: Determina el grado de degradación que sufren las señales luminosas de

varias longitudes de onda a una cierta distancia.

- Capacidad de carga de información (ancho de banda): Número de señales que pueden

ser llevadas al mismo tiempo (aplica solo a las fibras multi-modo).

- Dispersión cromática: Extensión de varias longitudes de onda de la luz con la base

(importante para la anchura de banda).

- Gama de funcionamiento de temperatura y humedad.

- Dependencia de la temperatura de la atenuación.

- Capacidad de conducir la luz debajo del agua: Importante para los cables submarinos.

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Page 34: Proyecto Maxwell

Una vez que las fibras pasan el control de calidad, se venden a compañías de

teléfono, a las compañías de televisión por cable y a abastecedores de red. Muchas

compañías están sustituyendo actualmente sus viejos sistemas de alambre de cobre por los

nuevos sistemas de fibra óptica para mejorar velocidad, capacidad y claridad.

Funcionamiento de la Fibra Óptica

La fibra óptica funciona gracias al principio de la reflexión total interna, ver Fig. 1, que

se da debido a que la fibra o núcleo tiene un cierto índice de refracción superado por el

revestimiento, por lo tanto el rayo de luz, cuando se “desplaza” por la fibra y choca con la

pared de ésta, se produce el mismo efecto que observan los buzos cuando están debajo del

agua; éstos, cuando ven hacia arriba hacia la superficie del agua, pueden ver lo que está

afuera pero sólo hasta cierto ángulo de la vertical, a partir de este ángulo sólo verán un

reflejo de lo que esta alrededor de ellos; eso mismo pasa en la fibra, como si ésta fuera el

agua, y el revestimiento el aire más arriba de la superficie, que tiene menor índice de

refracción.

Fig. 1 – Reflexión Total dentro de una Fibra Óptica

Los rayos de luz pueden entrar a la fibra óptica si el rayo se halla contenido dentro de un

cierto ángulo denominado cono de aceptación. Un rayo de luz puede perfectamente no ser 34

Page 35: Proyecto Maxwell

transportado por la fibra óptica si no cumple con el requisito del cono de aceptación. El

cono de aceptación está directamente asociado a los materiales con los cuales la fibra óptica

ha sido construida. La Fig. 2 ilustra todo lo dicho.

Fig. 2 – Diagrama del Cono de Aceptación

Una vez que la luz entra en la fibra óptica dentro del cono de aceptación, es decir,

que sí puede ser propagado dentro de esta, tiene diferentes opciones en su camino:

Viajar en línea recta: Si la fibra está perfectamente recta, y el rayo de luz se hace

entrar en una forma alineada exactamente igual que la fibra, este rayo puede ir por

el centro de la fibra sin tocar en ningún momento las paredes de la fibra, de esta

forma el rayo puede viajar distancias muy grandes y llegará de forma muy rápida al

otro extremo de la fibra. Esto sería el caso del rayo que se muestra en la Fig. 2 con

el color rojo. Esto nunca sucede, por dos cosas: una, que es muy difícil tener una

fibra óptica perfectamente recta, y por otro lado, es difícil alinear el rayo de luz

exactamente con la fibra.

Viaje con rebote en las paredes: Esto es lo que sucede en la mayoría de los casos.

La luz siempre entra con un cierto ángulo de apertura en el extremo de la fibra, lo 35

Page 36: Proyecto Maxwell

que hace que desde el comienzo del camino el rayo vaya rebotando en las paredes,

por lo que va a tardar un cierto tiempo más que el rayo que viaja sin rebotar. Por

otro lado el rayo de luz no es un solo rayo como tal, en realidad es un haz de rayos,

que pueden tardar diferentes tiempos en llegar al otro extremo, por lo que un mismo

rayo tiene un cierto tiempo de duración mayor en el extremo que recibe que en el

que manda. Los rebotes suceden además principalmente porque las fibras se colocan

no siempre en línea recta, normalmente tienen dobleces y curvaturas que hacen que

los rayos se vean forzados a rebotar muchas veces más que si fuera recto, pero

incluso así, la fibra óptica puede transmitir esa luz una distancia de cientos de

kilómetros sin necesidad de repetidoras, gracias a que el revestimiento no absorbe

nada de la luz transmitida.

Rayo fuera de la fibra: En algunos casos extremos puede suceder que si el cable es

doblado muy abruptamente, la luz no pueda seguir rebotando y viajando a través de

la fibra, y se salga de ésta, tal como si se introdujera en la fibra fuera del cono de

aceptación. Esto sucede porque hay un ángulo crítico para el que para cierto ángulo

menor si hay reflexión total interna, pero para un ángulo mayor no. Esto se muestra

en la Fig. 2 como el rayo de color verde.

Por otro lado, algo de la señal es degradada dentro de la fibra, sobre todo debido a

las impurezas en el cristal. El grado que la señal se degrade depende de la pureza del cristal

y de la longitud de onda de la luz transmitida.

Sistemas de redes de fibra óptica

Para entender cómo las fibras ópticas se utilizan en sistemas de comunicaciones,

vamos mirar un ejemplo de una película de la II guerra mundial o documental donde dos

naves navales en una flota necesitan comunicarse con uno, mientras que mantienen

silencio en los radios o en mares tempestuosos. El capitán de una nave envía un mensaje a

un marinero en cubierta. El marinero traduce el mensaje a código Morse (puntos y rayas) y

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Page 37: Proyecto Maxwell

envía el mensaje utilizando una luz como señal a la otra nave. Un marinero en la cubierta

de la otra nave ve el mensaje del código Morse, lo descifra y envía el mensaje al capitán.

Ahora, con la fibra óptica, se puede hacer esto entre dos puntos separado miles de

kilómetros. Los sistemas de redes de fibra óptica están conformados de la siguiente manera:

• Transmisor: produce y codifica las señales de luz

• Fibra óptica: conduce la luz una distancia.

• Regenerador óptico: puede ser necesario para repotenciar la señal de luz (si son

muy largas distancias y la luz se ha degradado al extremo).

• Receptor óptico: recibe y descifra las señales de luz.

A posterior se analizara con un poco en detalle cada uno de estos:

Transmisor

El transmisor es como el marinero en la cubierta de la nave que envía el mensaje en

forma de luz. Recibe y ordena el dispositivo óptico para dar encender y apagar la luz en la

secuencia correcta, generando así la señal de luz.

El transmisor está físicamente cerca de la fibra óptica y puede incluso tener una

lente para enfocar la luz en la fibra. Un transmisor pudiese ser los lásers, pues tienen más

energía que los LED, pero varían más con los cambios de temperatura y son más costosos.

Las longitudes de onda más comunes de señales ligeras son 850nm, 1.300nm, y 1.550nm.

Las porciones del nm (infrarrojo, no-visible del espectro).

Regenerador Óptico

Según lo mencionado anteriormente, una cierta pérdida de la señal ocurre cuando la

luz se transmite a través de la fibra, especialmente cuando son muy largas distancias, por

ejemplo con los cables submarinos. Por lo tanto, unos regeneradores ópticos se empalman

a lo largo del cable para repotenciar las señales de luz degradadas.

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Page 38: Proyecto Maxwell

Un regenerador óptico consiste en fibras ópticas con una capa especial dopada. Esta

porción dopada hace que se emita una nueva luz con un láser. Cuando la señal degradada

viene en la capa dopada, la energía del láser permite que las moléculas dopadas se

conviertan en los láser ellas mismas.

Las moléculas dopadas entonces emiten una nueva y más fuerte señal de luz con las

mismas características que la señal débil entrante. Básicamente, el regenerador es un

amplificador del láser para la señal entrante.

Receptor Óptico

El receptor óptico es como el marinero en la cubierta de la nave de recepción. Toma

las señales digitales entrantes, las descifra y envía la señal eléctrica a la computadora, a la

TV o al teléfono del otro usuario (atendiendo al capitán de la nave). El receptor utiliza una

fotocélula o un fotodiodo para detectar la luz.

Ventajas de la fibra óptica

Menos costosa: Es más barato por unidad de longitud que el alambre de cobre, haciendo

que las compañías de telecomunicaciones tengan que invertir menos en el cableado que si

fuesen cables normales, de esta forma también pueden tener un servicio más económico

para el cliente.

Diámetro reducido: Las fibras ópticas se pueden hacer de un diámetro más

pequeño que el alambre de cobre.

Capacidad de carga más alta: Como las fibras ópticas son más finas que los

alambres de cobre, se puede “meter” un mayor número de fibras en un cable de

cierto diámetro que alambres de cobre. Esto permite que haya más líneas telefónicas

en un mismo cable o que a una casa llegue un mayor número de canales de

televisión que si fuesen cables de cobre.

Menos degradación de la señal: la pérdida de señal en fibra óptica es

significativamente menor que en el alambre de cobre.

Señales de luz: A diferencia de señales eléctricas en los alambres de cobre, las

señales luz en una fibra óptica no interfieren con las de otras fibras en el mismo

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Page 39: Proyecto Maxwell

cable, pues no existe inducción magnética. Esto significa que las conversaciones de

teléfono no tendrán interferencia entre sí o los canales de televisión.

Menor gasto de energía: Como las señales de luz en las fibras ópticas se degradan

menos que las señales eléctricas en los cables de metal, los transmisores no

necesitan ser transmisores de alto voltaje sino transmisores de luz de poca potencia,

lo cual da el mismo resultado o mejor y es más económico.

Señales digitales: Las fibras ópticas son ideales para transmitir información digital,

ya que dependen solamente de que haya luz o no la haya, por eso son muy utilizadas

en las redes de computadoras.

No Inflamable: Al no pasar electricidad a través de fibras ópticas, no hay riesgo de

incendios.

Ligero: Un cable óptico pesa menos que un cable de alambre de cobre de la misma

longitud.

Flexible: Por ser flexible y poder transmitir y recibir luz, se utilizan en muchas

cámaras fotográficas digitales flexibles para varios propósitos.

Medicina: En los endoscopios y laparoscopios

Mecánica: En la inspección de tuberías y motores (en aviones, cohetes, carros, etc.)

Por todas estas ventajas, la fibra óptica se ha popularizado en muchas industrias,

pero sobre todo en las telecomunicaciones y redes de computadoras. Por ejemplo, en las

llamadas por teléfono internacionales que se realizan a través de satélites se oye a

menudo un eco en la línea mientras que con los cables de fibra óptica transatlánticos, se

tiene una conexión directa sin ecos.

Desventajas

A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de

desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las

siguientes:

La alta fragilidad de las fibras.

Necesidad de usar transmisores y receptores más caros.

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Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo

que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.

No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.

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

La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.

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ANEXOS

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CONCLUSION

Se puede concluir una definición de fibra óptica de la siguiente forma: material

transparente con índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz

entra por uno de los extremos, se transmite con muy pocas perdidas incluso aunque la fibra

esta curvada. Respecto a la aplicación de las ecuaciones de Maxwell en las fibras ópticas

podemos decir que las más utilizadas son la del campo eléctrico y campo magnético que a

la vez originan una onda electromagnética que es la que viaja a través de la fibra óptica

llevando en si datos o luz.

Se puede decir que la fibra óptica constituye una etapa en la electrónica moderna

muy importante tal como lo fueron las piedras en la edad del mismo nombre, pues

constituye la piedra angular del desarrollo tecnológico contemporáneo. La fibra óptica no

solo ha permitido profundizar en las interconexiones de escala, sino a permitido llegar a

desarrollos inimaginables hace un par de décadas tales como la endoscopia utilizada en la

cirugía cardiovascular, que consiste en la exploración en tiempo real de los vasos

sanguíneos con la ayuda de una cámara.

En el futuro las fibras ópticas estarán mucho mas cerca de lo que están

hoy, si hoy existen fibras ópticas hasta las centrales telefónicas zonas con muchos edificios

en unos años ninguna casa o edificio dejara de tener su cable óptico y posiblemente solo

abra que conectarla directamente a la computadora y la televisión para disfrutar de todas

sus ventajas. Así pues, las fibras ópticas son y serán por mucho tiempo mas el medio más

rápido y eficiente de las comunicaciones, hasta que se invente un nuevo sistema que pueda

ayudar a superar todas las bondades de las fibras.

54

Page 55: Proyecto Maxwell

BIBLIOGRAFIA

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