Universidad de Oviedo. Curso: Fibra Óptica. Juan Carlos Campo Rodríguez. Area de Tecnología Electrónica

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1 Universidad de Oviedo Curso: Fibra Óptica Juan Carlos Campo Rodríguez. Area de Tecnología Electrónica

2 El Espectro INDICE La Fibra Óptica Leyes de la Refracción Elementos de la Fibra Apertura numérica Tipos de Fibras Propagación de la luz Características de las Fibras Atenuación Pérdidas por Absorción Pérdidas por Dispersión Otras fuentes de Pérdidas Las Ventanas Dispersión Modal Dispersión Cromática

3 La Fibra Óptica El Espectro Longitud de onda en µm Ultravioleta Violeta Azul Verde Amarillo Naranja Rojo Inf. Cercano Inf. Medio Inf. Lejano Ondas de radio Región Visible Infrarrojo La región más interesante es el Infrarrojo Cercano El Espectro

4 La Fibra Óptica Leyes de la refracción 1ª Ley Normal Substancia 1 Índice de refracción n 1 Rayo incidente Substancia 2 Índice de refracción n 2 Rayo refractado Superficie de separación entre ambas substancias 2ª Ley Normal Índice de refracción n 1 Rayo incidente θ a Índice de refracción n 2 θ b Rayo refractado senθ senθ a = c n n 2 1 Leyes de la refracción

5 La Fibra Óptica Índice de refracción n 2 Corteza Núcleo Índice de refracción n 1 Índice de refracción n 2 Ángulo límite Corteza θ c Núcleo Rayo de luz Índice de refracción n 1 Elementos de la fibra

6 La Fibra Óptica Apertura Numérica Índice de refracción n 2 Ángulo límite θ c θ c Núcleo θ a Rayo de luz Corteza Rayo de luz en ángulo mayor que el límite Índice de refracción n sen = n1 n2 AN = n θ a Apertura Numérica

7 Fibras de salto de índice y de índice gradual Fibra de salto de índice Corteza Índice de refracción n 1 Núcleo Índice de refracción n 1 Fibra de índice gradual Índice de refracción n 1 n 2 Trayectorias de los rayos en los distintos tipos de fibras Corteza Núcleo Rayo de luz Fibra de salto de índice Fibra de índice gradual Tipos de Fibras

8 La Fibra Óptica Propagación de la luz en la fibra: Los MODOS Primeros modos de propagación de la luz en una fibra Frecuencia característica V 2 π = a λ 2 AN 2 Si V<2.4 Si V>2.4 Monomodo Multimodo Efecto muy pernicioso: Dispersión modal Propagación de la Luz

9 La Fibra Óptica Atenuación Pérdida de la potencia de la luz a medida que se transmite a lo largo de la fibra 1 a( λ ) = 10 log L Pe ( db / Ps km ) Ps: Potencia luminosa de salida Pe: Potencia luminosa de entrada L: Longitud del tramo de fibra óptica Causas: - Pérdidas por Absorción - Pérdidas por Dispersión (Scattering) - Otras fuentes de pérdidas 100 Atenuación (db) Longitud de onda (µm) Características de las fibras: Atenuación

10 La Fibra Óptica Atenuación (Pérdidas por Absorción) Atenuación debida a la interacción luz-materia Absorción intrínseca 100 Atenuación (db) Absorción ultravioleta Absorción infrarroja Longitud de onda (µm) Absorción extrínseca 10 3 Atenuación (db) Longitud de onda (µm) Características de las fibras: Atenuación

11 La Fibra Óptica Atenuación (Pérdidas por Dispersión de Rayleigh) Inversamente proporcionales a la cuarta potencia de la longitud de onda 100 Atenuación (db) Dispersión de Rayleigh Longitud de onda (µm) Dependen también del material Tipo de Material Pérdidas debido a la dispersión Rayleigh (db/km) a 850 nm Sílice 1.2 Silicato potásico 0.7 Borosilicato sódico 2.3 Silicato de sodio y calcio 0.8 Características de las fibras: Atenuación

12 La Fibra Óptica Atenuación (Otras fuentes de pérdidas) Microcurvaturas Corteza Núcleo Radiación 100 Atenuación (db) Imperfecciones Longitud de onda (µm) Pérdidas de origen mecánico Características de las fibras: Atenuación

13 La Fibra Óptica Las Ventanas 2ª Ventana 1ª Ventana 3ª Ventana 100 Atenuación (db) Longitud de onda (µm) 1ª Ventana 850 nm 2ª Ventana 1300 nm 3ª Ventana 1550 nm Características de las fibras: Atenuación

14 La Fibra Óptica Dispersión Modal Distorsión en la forma de onda debido a los diferentes trayectorias que siguen los rayos de luz en la fibra Corteza Núcleo Impulso de luz a la entrada Impulso de luz a la salida Ángulo límite Rayo Axial Rayo Propagado según el ángulo límite θ c Núcleo Corteza Características de las fibras:dispersión Modal

15 La Fibra Óptica Dispersión Cromática Variación de la velocidad de una radiación cuando se propaga a través de un medio tal que el índice de refracción varía para cada longitud de onda Se expresa en ps/km.nm Dispersión cromática (ps/km.nm) µ m Longitud de onda (µm) µ m Trabajando en segunda y tercera ventana puede anularse con la modal Características de las fibras: Dispersión Cromát.

16 INDICE Fabricación de Fibras Fabricación de la Preforma Estirado Métodos por fusión del vidrio Métodos a partir de ladeposición del vidrio a partir de la fase gaseosa Método OVD Método VAD Método MCVD Método PCVD

17 Fabricación de las fibras Fabricación de las fibras ópticas La mayor parte de los métodos se basan en la fabricación de una preforma y posterior estirado Fabricación de la preforma: Método por fusión de vidrio Gas inerte Tuberías de alimentación Vidrios en estado de fusión Crisoles de platino Horno Salida de la fibra Método del doble crisol Es un método relativamente antiguo La atenuación de la fibra es elevada Método Doble Crisol

18 Fabricación de las fibras Fabricación de las fibras ópticas Fabricación de la preforma: Métodos basados en la deposición de vidrio a partir de la fase gaseosa Método OVD (Outside Vapor Deposition) Vapores: SiCl 4, GeCl 4, O 2 Preforma Quemador Preforma Horno Varilla Obtención de la preforma Método OVD

19 Fabricación de las fibras Fabricación de las fibras ópticas Método VAD (Vapor Axial Deposition) Preforma de Vidrio Horno Preforma porosa Quemador Vapores: SiCl 4, GeCl 4, O 2 Método MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) Capa porosa Tubo de vidrio Capa de vidrio Quemador Métodos VAD Y MCVD

20 Fabricación de las fibras Método PCVD (Plasma Activated Chemical Vapor Deposition) Equipo de microondas Capa de Vidrio Gases A la bomba Horno fijo Tubo de cuarzo Estirado de la fibra Dispositivo de avance Preforma Horno Control de diámetro Fibra óptica Bobina de enrollado Capa protectora Rodillos trefiladores Control de resistencia Métodos PCVD y Estirado de la Fibra

21 INDICE Conductores de Fibras Introducción Tipos de cables Cables comerciales

22 Conductores de fibras Conductores de fibras El objetivo es mantener al conductor de fibra óptica estable frente a las influencias externas dentro de los límites mecánicos admisibles Fibras de aramida Conductor de fibra óptica Vaina protectora Tipos de conductores Huecos Rellenos Conductores por grupos Fibras de aramida Conductor de fibra óptica Vaina protectora Introducción

23 Conductores de fibras Conductores de fibra El alma son el conjunto de los elementos de trenzado, los elementos de soporte y tracción y la envoltura que cubre a todos estos elementos Cable con una capa Alma del cable Vaina Cable con dos capas Tipos de Cables

24 Conductores de fibras Conductores de fibra Cable de capas con conductores por grupos Cable por grupos Tipos de Cables

25 Conductores de fibras Cable ranurado Conductor de fibra óptica Plástico extruido Cubierta exterior Elemento de tracción Vaina del cable De polietileno De PVC De plásticos fluorados Libres de Halógenos Armaduras Para cables submarinos, minas, cables aéreos autoportantes protección contra roedores, etc. Se utiliza aramida o acero Para la protección contra roedores: flejes de acero Tipos de Cables

26 Conductores de fibras Conductor de fibra óptica Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria Ejemplos Comerciales

27 Conductores de fibras Cable con dos capas Relleno central Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta exterior depvc Cordón Cable con dos capas Relleno central Fibra óptica Subcable Cubierta exterior de PVC Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria Cordón Cable con conductores por grupos Relleno central Cable por grupos Relleno Recubrimiento exterior depvc Cordón Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria Cordón Ejemplos Comerciales

28 Conductores de fibras Cable aéreo Elemento de resistencia Aramida Relleno Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Recubrimiento exterior Cordón Cable armado Cubierta interior Armado de acero Cubierta exterior Cordón Cable submarino Ejemplos Comerciales

29 INDICE Conectores y Adaptadores Introducción Conectores Adaptadores Conector SMA Conector ST Conector FC Fuentes de pérdidas en conectores Conector Bicónico Conector SC Comparación entre conectores Tipos de Pulido

30 Conectores y Adaptadores Fibra óptica CONECTOR Ferrule ADAPTADOR Casquillo de engaste Protección para deformación Ferrule Recubrimiento de PVC Caja conector Cubierta protectora Ferrule metálica Ferrule cerámica Introducción

31 Conectores y Adaptadores Adaptadores Adaptador Ferrule Fibra Lente Fibra Acoplamiento directo Acoplamiento de haz expandido Pérdidas de inserción Pi =10 log Pe ( Ps Pe: Potencia luminosa de entrada Ps: Potencia luminosa de salida db ) Pérdidas de reflexión Pr ef = 10 log Pr ( Pe db ) Pe: Potencia luminosa de entrada Pr: Potencia luminosa reflejada Introducción

32 Conectores y Adaptadores Fuentes de pérdidas en los conectores 5 3 D AN S 0.2 AN 0.15 AN D Razón S/D Distancia D (mm) 4 D 5 3 L 4 d D Razón L/D Desplazamiento axial d (mm) D θ 4 θ AN 0.2 AN 3 2 D AN Desplazamiento angular (grados) Desplazamiento angular Introducción

33 Conectores y Adaptadores Conector SMA Llamado FSMA Surge a mediados de los 70 Similar a un conector de RF Existen dos modelos: el 905 y el 906 Buenas características mecánicas Elevadas pérdidas de inserción Aplicaciones multimodo Actualmente en desuso Conectores SMA

34 Conectores y Adaptadores Conector ST Adaptadores ST Aspecto del conector y adaptador Conectores ST y ST push-pull Mediados de los 80 por ATT Similar al conector BNC Resistente a vibraciones Retención insegura frente a tirones Ferrule cerámica, en general El más utilizado en aplicaciones multimodo Conectores ST

35 Conectores y Adaptadores Conector FC Conectores FC y adaptadores Años 80, NTT Aplicaciones monomodo Ferrule cerámica Adaptador cerámico o metálica Enclavamiento por rosca Evolucionó al pulido FC/PC (Polishing Convex) Conectores FC

36 Conectores y Adaptadores Conector Bicónico Buen alineamiento fibra-fibra Aplicaciones mono y multimodo Conector caro Actualmente en desuso Conectores bicónicos

37 Conectores y Adaptadores Conector SC Conectores SC y adaptador Conectores SC doble y simple Años 90 por NTT Posibilidad de conexiones dobles y múltiples Tipo push-pull Ferrule cerámica en general Aplicaciones mono y multimodo Recomendado por la normativa americana Tiende al pulido APC Conectores SC

38 Conectores y Adaptadores Tipo fibra µ m núcleo/ µ m corteza SMA 50, 62.5, 85, 100 ST 9/ /125 50,85,100/140 FC 9/125 50/125 Pérdidas inserción db Pérdidas Retorno db mín. Rango de Temp. ºC Tracción Cable/con. N 0,4-60/ / / ,40,50, -40/ Bicónico Mon/Mul / SC 9/125 50/ / ,40,50, 60-20/ Comparación entre los diferentes conectores APLICACIONES Televisión por cable Telefonía Redes de área locales (LAN) SMA Multimodo ST Multimodo Monomodo FC Multimodo Monomodo Bicónico Multimodo Monomodo SC Multimodo Monomodo Aplicaciones principales de los diferentes conectores Comparación entre conectores

39 Conectores y Adaptadores Tipos de pulido El pulido influye decisivamente en las pérdidas por inserción y en las pérdidas de retorno Pulido Plano Pulido PC, SPC y UPC Pulido APC Contacto plano Contacto PC y SPC Contacto APC Fibra Ferrule El pulido PC y el APC se utilizan fundamentalmente para aplicaciones monomodo Tipos de pulido

40 INDICE Empalmes Introducción Empalmes mediante fusionadora Supervisión directa del núcleo Inyección local y supervisión local Inyección y supervisión remota Empalmes mecánicos

41 Empalmes Fusionadora Métodos Supervisión directa del núcleo de la fibra Inyección local y supervisión local Inyección de luz y supervisión remota Supervisión directa del núcleo de la fibra 1 Alineado de las fibras 2 Prefusión para la limpieza 3 Fusión Fusión de la fibra mediante arco eléctrico Aspecto de la fusionadora Empalmes mediante fusionadora

42 Empalmes Fusionadora Métodos Supervisión directa del núcleo de la fibra Inyección local y supervisión local Inyección de luz y supervisión remota Inyección de luz y detección local Fibra 1 Fibra 1 Emisor de luz Conductor de fibra de núcleo grueso Fotodiodo Fusionadora de inyección y supervisión local, controlada con microprocesador Empalmes mediante fusionadora

43 Empalmes Empalmes mecánicos Empalmes mecánicos simples Empalmes mecánicos múltiples Empalmes mecánicos

44 INDICE Otros equipos de F.O. Acopladores Multiplexores Conmutadores Atenuadores Aisladores Medidores de Potencia Óptica Localizadores de Fibras Reflectómetros Cajas de empalmes

45 Otros equipos de F.O. Acopladores Elementos para la interconexión en redes de fibra óptica. Se utilizan para la supervisión, derivación, distribución, combinación, etc., de señales ópticas Acoplador en T Espejo semirreflectante Entrada Salida 1 Salida 2 Acoplador de lente Grin Espejo semirreflectante Entrada Salida 1 Salida 1 Acopladores

46 Otros equipos de F.O. Multiplexores Son acopladores pasivos selectivos a la longitud de onda Transmisor 1 longitud de onda λ1 Fibra óptica por la que circula λ1, λ2, λ3. Receptor 1 longitud de onda λ1 Transmisor 2 longitud de onda λ2 Receptor 2 longitud de onda λ2 Transmisor 3 longitud de onda Acoplador Demultiplexor Receptor 3 longitud de onda λ3 λ3 Multiplexores

47 Otros equipos de F.O. Multiplexores Estructuras de multiplexores Multiplexores

48 Otros equipos de F.O. Conmutadores Ópticos Existen dos tipos: electromecánico y electroóptico T R Int. óptico Int. óptico T R Int. óptico T R Int. óptico T R Terminal by-passed Entrada Salida Entrada Salida Fuente de luz Detector Fuente de luz Detector GND GND GND +5VDC Estado normal Estado by-pass Conmutadores ópticos

49 Otros equipos de F.O. Atenuadores Introducen una atenuación determinada en el sistema de fibra óptica Luz reflejada Luz incidente Luz transmitida Cristal Película metálica Atenuadores

50 Otros equipos de F.O. Aisladores Permiten la transmisión de la luz en un solo sentido Fotografía de un aislador Esquema de un aislador Se utilizan para evitar la luz reflejada Aisladores

51 Otros equipos de F.O. Medidores de potencia óptica Permiten localizar fallos en fibras de poca longitud Fotografía de un medidor de potencia Localizadores de fibras Permiten detectar determinadas frecuencias sin interrumpir la fibra Fotografía de un medidor de potencia Medidores de potencia y localizadores

52 Otros equipos de F.O. Reflectómetros Sirven para la medida de la atenuación de la fibra, la medida de la longitud de la fibra y la localización de rupturas Fuente de luz Sistema óptico Dispositivo de acoplamiento Sistema óptico Fibra a medir Sistema óptico Detector óptico Amplificador Osciloscopio Procesador de señales Sistema de representación de datos Esquema de los elementos de un relectómetro Se fundamenta en medir la luz retroesparcida Reflectómetros

53 Otros equipos de F.O. Reflectómetros db (I) (V) V a (II) V b (III) (IV) L Longitud Curva típica obtenida con un reflectómetro Fotografía de un reflectómetro Reflectómetros

54 Otros equipos de F.O. Cajas de empalmes Sirven para proteger las zonas de empalmes de fibras Fotografía de diversas cajas de empalmes Cajas de empalmes

55 INDICE Otras aplicaciones de F.O. Introducción Multiplexores Conmutadores Atenuadores Aisladores Medidores de Potencia Óptica Localizadores de Fibras Reflectómetros Cajas de empalmes

56 Otras aplicaciones de F.O. Propiedades de la fibra que justifican las diversas aplicaciones TRANSPARENCIA: Observación e iluminación de superficies normalmente inaccesibles. SENSIBILIDAD A FACTORES EXTERNOS: Factores externos pueden modificar algún parámetro del haz de luz. FLEXIBILIDAD: Permite introducir las fibras en zonas de difícil acceso. INSENSIBILIDAD A RADIACIONES NUCLEARES: Útil en aplicaciones militares PEQUEÑO DIÁMETRO: Permite acceso a lugares difíciles. PESO REDUCIDO Introducción

57 Otras aplicaciones de F.O. El endoscopio Sirven para la observación de zonas de difícil acceso Elementos que lo constituyen FUENTE DE LUZ: Halógena o de cuarzo. HAZ DE FIBRAS : Unas para iluminar, otras para ver ELEMENTOS ÓPTICOS Aplicaciones basadas en la transparencia

58 Otras aplicaciones de F.O. Aplicaciones del endoscopio Inspección de motores y turbinas En el control de calidad de los procesos de fabricación se realiza el análisis de las oquedades provocadas por burbujas de aire atrapadas en el proceso. Medicina Laringoscopios, brocoscopios, gastroscopios, etc. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra la imagen. Los campos generales de actuación son: Diagnóstico Terapéutico Postoperatorio Análisis remoto de muestras Se dispone de un haz de fibras: Parte del haz lleva luz y el resto recoge la luz reflejada. A continuación se compararan y se pueden determinar determinados parámetros Aplicaciones basadas en la transparencia

59 Otras aplicaciones de F.O. Reproducción tridimensional de imágenes Se divide el haz en varios grupos, cada uno para un plano. Por superposición de planos es posible reproducir la imagen Una aplicación más sencilla es la lectura de tarjetas perforadas Medicna Laringoscopios, brocoscopios, gastroscopios, etc. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra la imagen. Los campos generales de actuación son: Diagnóstico Terapéutico Postoperatorio Análisis remoto de muestras Se dispone de un haz de fibras: Parte del haz lleva luz y el resto recoge la luz reflejada. A continuación se compararan y se pueden determinar determinados parámetros Aplicaciones basadas en la transparencia

60 Otras aplicaciones de F.O. Conmutadores Constan de una fibra partida en cuyo espacio de separación se inserta: Un material de transparencia variable Un elemento móvil Medidas de contaminación y reflexión La mayor parte de los compuestos se caracterizan por un espectro en las zonas infrarroja o ultravioleta que permite detectar su concentración Aplicaciones basadas en la radiación del extremo

61 Otras aplicaciones de F.O. Detectores de nivel Presentan como problema la suciedad Aplicaciones basadas en la radiación del extremo

62 Otras aplicaciones de F.O. Sensores Ventajas Insensibilidad a perturbaciones electromagnéticas Aislamiento galvánico Químicamente inertes Adecuados para medios inflamables Flexibilidad Pequeño peso Débil atenuación Gran ancho de banda Precisión Estabilidad Difícil intercepción Sensores

63 Otras aplicaciones de F.O. Sensores interferométricos Espejo fijo Espejo móvil LASER Transductor DETECTOR Interferómetro de Michelson LASER Acoplador Espejo fijo DETECTOR Transductor Interferómetro de Michelson realizado con fibra Sensores

64 Otras aplicaciones de F.O. Sensores interferométricos Espejo fijo DETECTOR LASER Espejo móvil Interferómetro de Mach-Zehnder Transductor LASER Acoplador Acoplador D D Transductor Interferómetro de Mach- Zehnder realizado con fibra Sensores

65 Otras aplicaciones de F.O. Sensores de presión Mediante reflexión Sensores de presión

66 Otras aplicaciones de F.O. Sensores de presión Esterillas de reflexión Detección de proximidad de máquinas peligrosas Sensor de contacto en parachoques Detección de impactos (pelotas de tenis) El hidrófono Transforma oscilaciones sonoras en un medio líquido Exiten dos posibilidades de medida: Mediante técnicas interferométricas Mediante técnicas ecométricas Sensores de presión

67 Otras aplicaciones de F.O. Sensores de temperatura Existen diferentes tipos en función el hecho en que están basados 1. El Núcleo y la envoltura varían de modo distinto su índice de refracción al cambiar la temperatura. Al aumentar la temperatura, disminuye la diferencia de índices y llega menor luz 2. Utilizando métodos interferométricos 3. Utilizando la fibra como guía de luz y midiendo en la zona del infrarrojo Medidas de campo magnético Se basan en la variación del plano de polarización de la luz Otra posibilidad es utilizar técnicas interferométricas Sensores de temperatura y campos el.-mag.

68 Otras aplicaciones de F.O. Ventajas Resulta más sencilla la codificación de mensajes Escaso peso: industria aeronáutica Inmunidad a interferencias electromagnéticas Inmunidad a radiaciones nucleares Aplicaciones Comunicaciones en general Interconexión de radares Enlaces entre centros de campaña móviles Lanzamiento de misiles Aplicaciones militares