Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Procedimiento de Medición de Índices de Refracción en Fibras Ópticas Multimodo Por: José Alcides Gutiérrez Chinchilla Ciudad Universitaria Rodrigo Facio Diciembre del 2005

2 Procedimiento de Medición de Índices de Refracción en Fibras Ópticas Multimodo Por: José Alcides Gutiérrez Chinchilla Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: Ing. Luis Diego Marín Naranjo MSc. Profesor Guía Ing. Gabriel Víquez Jiménez MSc. Profesor lector Ing. Neville Clark Binns MSc. Profesor lector ii

3 DEDICATORIA A Dios en primer lugar, a mi padre y a mi madre por su apoyo incondicional en estos años y por darme la oportunidad de culminar esta etapa de mi vida y a mis hermanas y mi chinita por su gran comprensión y por estar siempre a mi lado. iii

4 RECONOCIMIENTOS Un agradecimiento muy especial al profesor Luis Diego Marín Naranjo por su gran apoyo y por permitirme la realización de este proyecto durante este semestre. Su ayuda y confianza han sido de gran peso en la realización del mismo. iv

5 ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS...vii NOMENCLATURA...ix RESUMEN...x CAPÍTULO 1: Introducción Objetivos Objetivo general Objetivos específicos Metodología...3 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico Índice de Refracción Funcionamiento General de la Fibra Óptica Origen y evolución de la fibra óptica Componentes de la Fibra Óptica Qué es la fibra óptica? Cono de aceptación de las fibras ópticas La apertura numérica (NA) Propagación de la luz en la fibra óptica Tipos de Fibras Ópticas...16 CAPÍTULO 3: Propiedades que afectan el índice de refracción en las fibras ópticas Atenuación Atenuación por empalme Atenuación por tramo Dispersión Cromática Dispersión por Modo de Polarización No linealidad de la Fibra Óptica Dispersión Estimulada Índices de Fluctuaciones Refractivas...28 CAPÍTULO 4: Aplicaciones de la fibra óptica Internet...29 v

6 4.2 Redes Telefonía Otras aplicaciones Ventajas de la fibra óptica...32 CAPÍTULO 5: Medición del índice de refracción en fibras multimodo Puesta en funcionamiento del aparato de velocidad de la luz Análisis del circuito emisor Análisis del circuito receptor Preparación y calibración del aparato de velocidad de la luz Ajustes del osciloscopio Calibración del aparato de velocidad de la luz Medición del índice de refracción Resultado de la medición Adaptación del método de tiempo de vuelo a fibras ópticas tipo multimodo...46 CAPÍTULO 6: Conclusiones y recomendaciones...50 BIBLIOGRAFÍA...52 APÉNDICES...54 ANEXOS...56 vi

7 ÍNDICE DE FIGURAS Figura Rayo de luz incidente, reflejado y refractado en la frontera entre dos medios....4 Figura Representación esquemática de una fibra óptica y de la reflexión de la luz en su interior....6 Figura Partes de la fibra óptica...10 Figura Representación de la reflexión y refracción de la luz en el interior de la fibra óptica Figura Cono de Aceptación en Fibras Ópticas Figura Proceso de Transmisión de la fibra óptica...14 Figura Fibra Monomodo, Multimodo de índice gradual e índice escalonado...19 Figura Atenuación de una Típica Fibra Óptica hecha de Silicio...21 Figura Causas de la atenuación geométrica en fibras ópticas...22 Figura Variación de la atenuación de una fibra óptica respecto de la longitud de onda...23 Figura Gráfica de Dispersión Cromática contra Longitud de Onda...24 Figura Componentes de Dispersión de los Materiales y Guías de Onda...25 Figura PMD en una Fibra de Modo Simple cuya asimetría es uniforme a lo largo de su longitud...26 Figura Dispersión en una fibra óptica...27 Figura Diagrama esquemático del aparato de la velocidad de la luz...37 Figura Pulso de Referencia del circuito emisor del aparato de velocidad de la luz38 Figura Circuito de prueba para el IF-D Figura Alineación de los trazos de referencia y transmitido...43 Figura Pulso de referencia y pulso transmitido a través de una de fibra...44 Figura Medición del índice de refracción en una fibra POF...45 Figura Pulsos de referencia y transmitido a través de una POF de 10,02m...46 vii

8 Figura Acoplamiento de las fibras POF con la fibra multimodo...47 Figura Adaptación del método del tiempo de vuelo en fibras multimodo...49 viii

9 NOMENCLATURA FO Fibra Óptica LAFTLA Laboratorio de Fotónica y Tecnología Láser Aplicada PMD D3 D8 POF Modos de dispersión por polarización LED emisor del Aparato de Velocidad de la Luz Fotodiodo receptor del aparato de velocidad de la luz Fibra Óptica Plástica ix

10 RESUMEN Es de gran importancia conocer un método mediante el cual sea posible obtener el índice de refracción en fibras ópticas, ya que esta es una de las características que hace posible que se de el proceso de transmisión en ellas, lo cual sumado a la importancia que ha adquirido la fibra óptica en los últimos años hace que este tipo de parámetros deban ser monitoreados. Se reparó el Aparato de Velocidad de la Luz, el cual no estaba funcionando correctamente con el fin de calibrarlo para medir el índice de refracción en fibras ópticas plásticas por el método de Tiempo de Vuelo y para a partir de esto tratar de adaptar el mismo método a otro tipo de fibras, las fibras multimodo. Se exponen en este trabajo cuales son las principales dificultades que se presentan a la hora de adaptar el método de Tiempo de Vuelo en la medición del índice de refracción en fibras multimodo. Finalmente se argumentan las posibles formas para mejorar ó eliminar los problemas presentados, entre los cuales están el reemplazo de algunos transistores por otros de mayor ganancia y ancho de banda que disminuyen el ruido y permiten la obtención de medidas más precisas, así como buscar la forma de instalar en el Aparato de Velocidad de la Luz una mejor fuente emisora de luz (un LED emisor de mayor intensidad) con el fin de mejorar la capacidad de transmisión y disminuir los problemas de atenuación y de pérdidas de potencia que se presentan en las fibras. x

11 CAPÍTULO 1: Introducción Últimamente en muchos ámbitos tecnológicos se escucha hablar de la Fibra Óptica (F.O.) y de las ventajas que ésta tiene sobre tecnologías anteriores. De ahí la necesidad de exponer ideas básicas de qué es, y por tanto, de dónde salen las ventajas que ofrece y cual es la importancia que tiene el índice de refracción en las fibras ópticas. Desde su entrada al mercado la fibra óptica ha evolucionado y encontrado una gran aceptación en el campo de las telecomunicaciones y redes de datos debido a que se ha logrado satisfacer muchas de las necesidades presentadas; así se busca que la fibra óptica pueda llevar un mayor número de longitudes de onda sobre distancias cada vez más largas. Desde sus inicios algunas fibras ópticas lograron encontrar uso en algunas aplicaciones determinadas, pero con el pasar de los años nuevas demandas han sido presentadas por las redes ópticas lo cual ha resultado en un gran mejoramiento rumbo a la perfección y la especialización de las fibras ópticas. La idea de fabricar fibras de vidrio suficientemente puras como medio de transporte de la luz a través de grandes distancias a ido tomando gran fuerza desde finales de los años sesenta fundamentado en el hecho de que la luz enviada por la fibra óptica es refleja en sus paredes, lo que hace posible guiar un haz luminoso, incluso cuando la misma fibra este curvada. Esto debido a su elaborado proceso que es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones. 1

12 2 La fibra óptica ha pasado a ser una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión. Los logros que se han obtenido con la misma han sido muy satisfactorios, desde lograr una mayor velocidad y disminuir ruidos e interferencias, hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica. Sabiendo entonces la importancia que las fibras ópticas han logrado alcanzar con el pasar de los años se hace necesario monitorear su buen desempeño. De ahí la búsqueda de procedimientos para la medición de los índices de refracción en fibras ópticas y con esto la verificación del correcto funcionamiento y eficiencia de las fibras ópticas. 1.1 Objetivos Objetivo general Investigar la necesidad de conocer el índice de refracción en fibras ópticas y la importancia que puede tener esta característica en el mejoramiento de su desempeño y adecuado funcionamiento Objetivos específicos Investigar acerca del fundamento teórico de las fibras ópticas y del índice de refracción. Adaptar un método alternativo para la medición de los índices de refracción en fibras ópticas.

13 3 Reparar el aparato de la velocidad de la luz del laboratorio usado para la medición de índices de refracción. Montar el aparato de la velocidad de la luz que se encuentra en una proto-board en su respectivo circuito impreso. Adaptar el método de Tiempo de Vuelo a fibras ópticas tipo multimodo. 1.2 Metodología La metodología utilizada para la realización de la presente investigación es la siguiente: Durante las primeras semanas del semestre de dió una recopilación de información bibliográfica acerca de los aspectos generales de las fibras ópticas y del índice de refracción en la metrología óptica. Toda la búsqueda de la información se realiza en artículos publicados en revistas especializadas, libros técnicos y publicaciones en Internet. Las siguientes semanas se trabajaron en el Laboratorio de Fotónica y Tecnología Láser Aplicada (LAFTLA) en la reparación del aparato de la velocidad de la luz y en tratar de adaptar un método alternativo con dicho aparato para la medición del índice de refracción en fibras ópticas de tipo multimodo. Después de esto se procedió a la redacción de conclusiones y recomendaciones y a la elaboración del informe escrito final incluyendo todas sus partes. Finalmente se da la preparación de la presentación para la defensa del proyecto.

14 CAPÍTULO 2: Desarrollo teórico 2.1 Índice de Refracción La luz se mueve a la velocidad de la luz en el vacío, sin embargo, cuando se propaga por cualquier otro medio, la velocidad es menor. Así, cuando la luz pasa de propagarse por un cierto medio a propagarse por otro determinado medio, su velocidad cambia, sufriendo además efectos de reflexión (la luz rebota en el cambio de medio, como la luz reflejada en los cristales) y de refracción (la luz, además de cambiar el modulo de su velocidad, cambia de dirección de propagación), esto se ve de mejor forma en la figura que aparece abajo. Figura Rayo de luz incidente, reflejado y refractado en la frontera entre dos medios. 4

15 5 Dependiendo de la velocidad con que se propague la luz en un medio o material, se le asigna un Índice de Refracción "n", un número deducido de dividir la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en dicho medio. Los efectos de reflexión y refracción que se dan en la frontera entre dos medios dependen de sus índices de refracción. La ley más importante para la refracción es la Ley de Snell: (2.1-1) Donde n y n' corresponden a los índices de refracción de cada uno de los medios por donde se propaga el rayo de luz, α es el ángulo del rayo reflejado y α' es el ángulo del rayo transmitido ó refractado. Esta fórmula dice que el índice de refracción del primer medio, por el seno del ángulo con el que incide la luz en el segundo medio, es igual al índice del segundo medio por el seno del ángulo con el que sale propagada la luz en el segundo medio. La importancia de esta ley para aspectos del presente proyecto es que dados dos medios con índices n y n', si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un cierto ángulo límite (que se determina con la anterior ecuación) el haz siempre se reflejará en la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la luz de forma controlada tal y como se ve en la figura (que representa de forma esquemática como es la fibra óptica)

16 6 Figura Representación esquemática de una fibra óptica y de la reflexión de la luz en su interior. Como se ve en la figura 2.1.2, se tiene un material envolvente con índice n y un material interior con índice n'. De forma que se consigue guiar la luz por el cable. La Fibra Óptica consiste por tanto, en un cable de este tipo en el que los materiales son mucho más económicos que los convencionales de cobre en telefonía, de hecho son materiales ópticos mucho más ligeros y además los cables son mucho más finos, de modo que pueden ir muchos más cables en el espacio donde antes solo iba un cable de cobre. 2.2 Funcionamiento General de la Fibra Óptica Origen y evolución de la fibra óptica La ciencia de la óptica tiene sus raíces enterradas en tiempos antiguos. Alrededor del año 300 A. C., Euclides escribió un tratado titulado " Óptica y Catóptrica" en la cual menciona la correcta ley de reflexión y la aplicó al estudio de espejos planos y curvos.

17 7 También menciona el fenómeno de refracción pero la verdadera ley matemática que la describe no fue descubierta hasta 1621 por Willebrord Snell. Los antiguos filósofos griegos especularon acerca de la naturaleza física de la luz y la visión, pero la falta de método experimental provocó poco progreso en la ciencia óptica. La primera contribución substancial al entendimiento del proceso visual fue hecha por Alhazen en el siglo XI. El dedujo que la luz proveniente de varias porciones de un objeto iluminado forma una imagen en el ojo. El proceso de visión fue uno de muchos temas estudiados por Johannes Kepler a inicios del siglo XVII. El fue el primero en dar una descripción completa de la forma en que la lente del ojo forma una imagen en la retina. Una de las primeras figuras en el desarrollo de la ciencia óptica fue Christiaan Huygens, cuyo " Tratado de la luz fue publicado en Huygens consideró a la luz un disturbio de ondas más que un flujo de partículas, y formuló un útil método ahora llamado Principio de Huygens para estudiar la propagación de ondas de luz. Usando este principio él fue capaz de deducir las leyes de reflexión y refracción, y aplicó el principio a la explicación de otros fenómenos ópticos como la doble refracción. Un contemporáneo de Huygens fue Isaac Newton quien, entre sus muchos logros, realizó numerosos experimentos originales en óptica. El descubrió que la luz blanca puede separarse en sus colores componentes por medio de un prisma y puede ser recombinada con otro prisma. El perfeccionó el telescopio reflectante e investigó el fenómeno de interferencia. En su famoso libro Optiks, publicado en 1704, Newton rechazó la teoría de

18 onda de Huygens, y apoyó la teoría corpuscular en la cual un cuerpo luminoso emite partículas diminutas que se propagan en líneas rectas. 8 La controversia sobre la teoría de onda versus la teoría corpuscular continuó por muchos años, hasta después de la muerte de Newton. A inicios del siglo 19, apoyada en el trabajo de Thomas Young en interferencia de la luz y posteriores investigaciones de Augustin Fresnel en difracción e interferencia de luz polarizada, la teoría de onda gradualmente ganó aceptación sobre la teoría corpuscular. A finales del siglo XIX el trabajo monumental de James Clerk Maxwell mostró que virtualmente todos los fenómenos ópticos conocidos en ese tiempo podían ser explicados en términos de su teoría de onda electromagnética. Uno de los resultados forromentales de esta teoría concierne a la velocidad de ondas electromagnéticas. Esta velocidad puede ser calculada por mediciones puramente eléctricas y es precisamente la misma velocidad medida experimentalmente por Armand Fizeau en 1849 y por muchos otros investigadores desde entonces. La culminación de la teoría de Maxwell llegó en 1888, cuando Heinrich Hertz demostró la existencia de ondas eléctricas (conocidas ahora como ondas de radio), las cuales viajan a la velocidad de la luz y otras radiaciones. Esta demostración fue la prueba experimental de las teorías de onda de Maxwell. Irónicamente Hertz también descubrió en el año previo, el efecto fotoeléctrico, un fenómeno mejor explicado al tratar la luz como un tren de partículas llamadas ahora fotones. Este descubrimiento resultó ser el primero de una serie de desarrollos que eventualmente condujo a la teoría cuántica de la luz, la cual postula

19 9 que la energía de la luz siempre se da en paquetes discretos. La moderna descripción de la luz es de una naturaleza dual, como onda en algunas circunstancias y como partícula en otras. Así en un sentido tanto Newton como Huygens estaban en lo correcto. Pero fue hasta el año de 1988 que se instaló el primer sistema de fibra óptica entre Francia, Inglaterra y Estados Unidos. Opera a un caudal global de 2 x 0, 28 Gbit / s (dos pares de fibras) y está constituido por un cable submarino de kilómetros de longitud, dotado de unos 110 repetidores situados cada 70 kilómetros. La capacidad correspondiente es de circuitos telefónicos; años después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este material Componentes de la Fibra Óptica ópticas. El Núcleo: En sílice, cuarzo fundido o plástico, en el cual se propagan las ondas Diámetro: 50 o 62,5 um para la fibra multimodo y 9um para la fibra monomodo. La Forro Óptico: Generalmente de los mismos materiales que el núcleo pero con aditivos que confinan las ondas ópticas en el núcleo. El revestimiento de protección ó forro exterior: por lo general esta fabricado en plástico y asegura la protección mecánica de la fibra.

20 10 Figura Partes de la fibra óptica Qué es la fibra óptica? La fibra óptica es una guía de ondas en forma de filamento, generalmente de vidrio (en realidad, de polisilicio), aunque también puede ser de materiales plásticos, capaz de guiar una potencia óptica (luminosa), generalmente introducida por un Láser, o por un LED. Las fibras utilizadas en telecomunicación a largas distancias son siempre de vidrio, utilizándose las de plástico sólo en algunas redes de ordenadores y otras aplicaciones de corta distancia, debido a que presentan mayor atenuación que las de cristal. Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio) con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice de refracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice de refracción menor, se refleja en gran parte, tanto más cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor el ángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión total.

21 11 Así, en el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro, lo cual se puede ver en la figura De este modo, se pueden guiar las señales luminosas sin pérdidas por largas distancias. Figura Representación de la reflexión y refracción de la luz en el interior de la fibra óptica Cono de aceptación de las fibras ópticas 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 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 figura ilustra todo lo dicho. Respecto a atenuaciones producidas dentro de otros medios de transmisión, la fibra óptica presenta

22 niveles de atenuación realmente bajos que permiten transmitir luz por varios kilómetros sin necesidad de reconstruir la señal (regenerar) 12 Figura Cono de Aceptación en Fibras Ópticas La apertura numérica (NA) Las ondas luminosas deben entrar en la fibra óptica dentro de cierto ángulo, llamado ángulo de aceptación. Este ángulo está definido por la apertura numérica NA. El concepto de apertura numérica es ampliamente utilizado para describir la potencia colectora de luz de la fibra y para calcular la eficiencia de acople fuente-fibra y está definido por: NA = sen αmax = (nc 2 nr 2 ) 1/2 (2.2-2) Donde αmax, representa el máximo ángulo de aceptación. Como se puede apreciar de la expresión anterior, la apertura numérica es función de los índices de refracción de los

23 materiales de la fibra, nc es el índice de refracción del núcleo y nr es el índice de refracción del revestimiento. 13 Observaciones: Una NA alto recoge más luz, pero se reduce el ancho de banda. Una NA más bajo aumenta en ancho de banda. Una NA grande hace más fácil la inyección de la luz en una fibra, mientras un NA pequeño tiende a dar un ancho de banda más grande en la fibra. Una NA grande permite una dispersión modal mayor permitiendo más modos en los que la luz puede viajar. Un NA más pequeño reduce la dispersión limitando el número de modos Proceso de Transmisión en la Fibra Óptica En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original.

24 14 El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida. En resumen, se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED S (diodos emisores de luz) ó Láser. Los diodos emisores de luz y los diodos Láser son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas. Figura Proceso de Transmisión de la fibra óptica.

25 Propagación de la luz en la fibra óptica Las leyes de la óptica han permitido explicar la reflexión total de la luz, para ello se a considerado que la luz se propaga en forma de rayos rectilíneos. Para poder explicar los diferentes modos de propagación en el núcleo es necesario echar mano de la teoría ondulatoria de la luz, teniendo en cuenta que el núcleo de la fibra está entre los 10 y los 100 μm, que sólo es un poco mayor que la longitud de onda transmitida (aproximadamente 1 μm) debido a estas dimensiones, en el núcleo ocurren fenómenos como los de interferencias que se pueden explicar sólo con la ayuda de la óptica ondulatoria. La interferencia no es nada más que la superposición de dos o más ondas y su combinación para formar una onda única. Una interferencia de dos ondas se obtiene solamente cuando ambas tienen la misma longitud de onda y existe una diferencia de fase constante entre ambas en el tiempo. Este tipo de ondas se llama ondas coherentes. Si en determinado punto del espacio ambas ondas presentan una diferencia de fase igual a un múltiplo entero de lamda, se produce una suma de sus amplitudes, en cambio si esta diferencia es igual a un múltiplo entero de lamda / 2 (media longitud de onda), se produce una resta, y si ambas amplitudes son iguales, incluso se dará una anulación total de las ondas.

26 16 Las lámparas incandescentes emiten luz incoherente y la superposición de los trenes de ondas es totalmente irregular y únicamente ocasiona la iluminación general del ambiente. Para la transmisión de la luz en los conductores de fibra óptica fue necesario encontrar fuentes luminosas coherentes o sea las que emiten una luz lo más coherente posible. Por ello, el ángulo espectral de un emisor debería de ser lo más pequeño posible. Con ello también aparecen interferencias en el conductor de fibra óptica, las cuales se reconocen porque la luz se propaga en el núcleo únicamente en determinados ángulos que corresponden a direcciones en las cuales las ondas asociadas al superponerse se refuerzan (interferencia constructiva). Las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse en un conductor de fibra óptica se denominan modos (ondas naturales o forromentales) Tipos de Fibras Ópticas a Fibra Monomodo 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 por kilómetro. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. En la figura se ve que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una

27 17 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 4 a 10 μ m. 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 b Fibra Multimodo de Índice Gradual Las fibras multimodo de índice gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500 MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en la figura Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra.

28 18 La fibra multimodo de índice gradual de tamaño 62,5-125 mm (diámetro del núcleo-diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras: Multimodo de índice escalonado mm. Multimodo de índice gradual mm c Fibra Multimodo de Indice Escalonado Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a partir de vidrio, con una atenuación de 30 db/km, o plástico, con una atenuación de 100 db/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado.

29 Figura Fibra Monomodo, Multimodo de índice gradual e índice escalonado 19

30 CAPÍTULO 3: Propiedades que afectan el índice de refracción en las fibras ópticas Atenuación. La transmisión de la luz en una fibra óptica no es 100% eficiente. La pérdida de luz en la transmisión es llamada atenuación. Varios factores influyen tales como la absorción por materiales dentro de la fibra, disipación de luz fuera del núcleo de la fibra y pérdidas de luz fuera del núcleo causado por factores ambientales. La atenuación en una fibra es medida al comparar la potencia de salida con la potencia de entrada. La atenuación es medida en decibels por unidad de longitud. Generalmente está expresada en decibels por kilómetro (db/km) La figura muestra el espectro de la curva de atenuación de una fibra óptica hecha de silicio. La curva tiene tres características principales. Una gran tendencia de atenuarse conforme se incrementa la longitud de onda (Dispersión Rayleigh), atenuación en los picos de absorción asociados con el ión hidroxyl (OH-) y una tendencia por la atenuación para incrementar las longitudes de onda por arriba de los 1.6 um, debidas a las pérdidas inducidas por la absorción del silicio. Nuevos sistemas de transmisión usan fibras multimodo, operadas en la primera ventana de longitud de onda cercana a las 0.85 µm, mostrado en la figura y después en la segunda ventana cerca de 1.3 µm. Una fibra de modo simple primeramente opera en 20

31 21 la segunda ventana, donde la atenuación de la fibra es típicamente menor que 0.35 db/km. Sin embargo la región de menos pérdida (típicamente pérdidas cercanas a las 0.20 db/km) permanece en una longitud de onda amplia y los Láseres y receptores operan en esa ventana cercanos a 1.55 µm, estos llegaron a ser disponibles a finales de los 80 s. Figura Atenuación de una Típica Fibra Óptica hecha de Silicio Las pérdidas se pueden dar por las siguientes razones: Atenuación por empalme Cuando se empalma una fibra con otra, en la unión se produce una variación del índice de refracción lo cual genera reflexiones y refracciones, y sumándose la presencia de impurezas, todo esto resulta en una atenuación.

32 22 En algunos casos, la atenuación de un tramo de FO es tan baja que en el final del mismo la señal óptica es demasiado alta y puede saturar o dañar el receptor. Entonces es necesario provocar una atenuación controlada y esto se hace con la misma empalmadora, con la función de empalme atenuado. Entonces, para realizar empalmes atenuados una empalmadora puede desalinear los núcleos o darle un ligero ángulo a una de las dos fibras. Figura Causas de la atenuación geométrica en fibras ópticas.

33 Atenuación por tramo Es debida a las características de fabricación propia de cada fibra (naturaleza del vidrio, impurezas, etc.) y se mide en db/km, lo cual nos indica cuántos db se perderán en un kilómetro. Figura Variación de la atenuación de una fibra óptica respecto de la longitud de onda. 3.2 Dispersión Cromática La dispersión cromática describe la tendencia para diferentes longitudes de onda que viajan a diferentes velocidades en una fibra. En longitudes de onda donde la dispersión cromática es alta, los pulsos ópticos tienden a expandirse en el tiempo y provocar interferencia, lo cual puede producir una inaceptable velocidad del bit, la figura muestra como la dispersión cromática cambia con la longitud de onda para tres diferentes tipos de fibra. La dispersión cromática de una fibra consiste de dos componentes Material

34 24 y Guía de Onda- como se muestra en la figura 3.2.2, el componente material depende de las características de dispersión de los dopantes y del silicio de construcción. Estos materiales no ofrecen mucha flexibilidad a ajustes significantes en la dispersión de la fibra, así que ese esfuerzo se ha enfocado en alterar la dispersión de guías de ondas de las fibras ópticas. Figura Gráfica de Dispersión Cromática contra Longitud de Onda

35 25 Figura Componentes de Dispersión de los Materiales y Guías de Onda 3.3 Dispersión por Modo de Polarización Polarización es la propiedad de la luz la cual está relacionada con la dirección de sus vibraciones, el viaje de la luz en una fibra típica puede vibrar en uno o dos modos de polarización. La figura muestra los dos modos principales de una fibra asimétrica que es uniforme a lo largo de su longitud. El modo en el eje X es arbitrariamente etiquetado con un modo lento, mientras que en el eje Y es etiquetado en el modo rápido. La diferencia en los tiempos de arribo en los modos de dispersión por polarización (PMD), es típicamente

36 26 medida en picosegundos. Sino es propiamente controlado, PMD puede producir errores excesivos en los bits para la trasmisión en sistemas digitales y que pueden distorsionar señales de video trasmitidos usando formato de modulación de amplitud analógico. Figura PMD en una Fibra de Modo Simple cuya asimetría es uniforme a lo largo de su longitud 3. 4 No linealidad de la Fibra Óptica Niveles de alta potencia de la fibra óptica disponibles y amplificadores ópticos provocan señales que interactúan con la fibra en las cuales se produce una variedad de efectos no lineales, sino son controlados propiamente, estas no linealidades pueden afectar de forma adversa al desarrollo del sistema, las no linealidades de la fibra caen dentro de dos

37 27 categorías: dispersión estimulada e índices de fluctuación refractivos. Los niveles de potencia en los cuales los diferentes fenómenos no lineales se manifiestan, son conocidos como thresholds Dispersión Estimulada Esta no-linealidad ocurre en sistemas de modulación intensos cuando las señales ópticas interactúan con las ondas acústicas o con vibraciones moleculares en la fibra de Si. Esta interacción dispersa la luz y la cambia a una longitud de onda mayor. Hay dos formas de dispersión estimulada: Stimlated Brillouin Scattering y Stimulated Raman Scattering. Esto causa un mecanismo de dispersión que se forma y refleja mucha de la luz de nuevo a la fuente. Figura Dispersión en una fibra óptica

38 Índices de Fluctuaciones Refractivas Aunque el índice de refracción de una fibra óptica de Si presenta una constante a bajos niveles de potencia óptica, las altas potencias relacionadas con los amplificadores ópticos pueden modular el índice variando la intensidad óptica de la señal de trasmisión. Los efectos de la no-linealidad de los índices refractivos caen dentro de tres categorías: Self Phase Modulation, Croos-Phase Modulation y Four-Wave Mixing.

39 29 CAPÍTULO 4: Aplicaciones de la fibra óptica 4.1 Internet El servicio de conexión a Internet por fibra óptica, derriba la mayor limitación del ciberespacio: su exasperante lentitud. Para navegar por la red mundial de redes, Internet, no sólo se necesitan un computador, un módem y algunos programas, sino también una gran dosis de paciencia. El ciberespacio es un mundo lento hasta el desespero. Un usuario puede pasar varios minutos esperando a que se cargue una página o varias horas tratando de bajar un programa de la Red a su PC. Esto se debe a que las líneas telefónicas, el medio que utiliza la mayoría de los 50 millones de usuarios para conectarse a Internet, no fueron creadas para transportar videos, gráficas, textos y todos los demás elementos que viajan de un lado a otro en la Red. Pero las líneas telefónicas no son la única vía hacia el ciberespacio. Recientemente un servicio permite conectarse a Internet a través de la fibra óptica. La fibra óptica hace posible navegar por Internet a una velocidad de dos millones de bps, impensable en el sistema convencional, en el que la mayoría de usuarios se conecta a bps.

40 Redes La fibra óptica se emplea cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de Láser con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la actualidad, los repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100 km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar todavía más esta distancia. Otra aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al contrario que las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (computadoras) o impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra.

41 Telefonía Para la conexión de un teléfono es completamente suficiente con los conductores de cobre existentes. Pero es precisamente con la implantación de los servicios en banda ancha como la videoconferencia, la videotelefonía, etc, que la fibra óptica se hará imprescindible para el abonado. Los servicios de banda ancha posteriormente se ampliarán con los servicios de distribución de radio y de televisión en una red de telecomunicaciones integrada en banda ancha. 4.4 Otras aplicaciones Las fibras ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van desde termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi no tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación, además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso. También se han desarrollado fibras que transmiten rayos Láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales. La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por el taladro de

42 32 un dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa. La transmisión de imágenes se utiliza mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para efectuar cirugía con Láser, en sistemas de reproducción mediante facsímil y fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras aplicaciones. 4.4 Ventajas de la fibra óptica La capacidad de la fibra óptica multiplica la del cable de cobre, pues para una llamada telefónica se necesitan dos cables de cobre, pero un par de fibras ópticas pueden realizar mucho más que eso. Su alta capacidad de conducción no se pierde por curvas o torsiones, por lo que se utiliza para tender desde redes interurbanas hasta transoceánicas. Los costos de obtener el cobre son mucho mayores que la obtención de la fibra óptica, cuya materia prima es muy abundante, pues el silicio se obtiene de la arena y su peso es de apenas 30 gramos por kilómetro. También, respecto de las comunicaciones por satélite ofrece algunas ventajas. Una conversación por cable entre Europa y América del Norte tiene un retraso aproximado de 65 milésimas de segundo, que no se llega a apreciar por las personas, pero si esa

43 33 conversación se realiza por satélite, el retraso se multiplica por 10, convirtiéndose en más de medio segundo. Este retardo es visible cuando se realiza una entrevista de televisión por satélite. Inicialmente las fibras ópticas se usaron solamente para conectar centrales telefónicas en áreas de mucho tráfico de las grandes ciudades. A medida que la tecnología de las comunicaciones avanzó, las fibras empezaron a penetrar en las redes de larga distancia. Ya se tienden en áreas locales entre las centrales telefónicas y el equipo de los clientes. Muchos nuevos edificios comerciales son cableados con fibra óptica para apuntalar las redes telefónicas y las redes de cómputo de alta velocidad. También ya se encuentran en las centrales telefónicas y los tableros de circuitos de conexión. El ideal es que lleguen a todas las casas de los clientes del servicio telefónico y provean sobre la misma red de fibra óptica los servicio de voz y video. Sin embargo, la real explotación de las fibras ópticas para transmisiones electrónicas y las transmisiones ópticas completas, que llevarán a mayores incrementos en las capacidades de las redes, están todavía en camino. En el futuro cercano deberán desarrollarse mejores fuentes de luz y detectores de fibra de vidrio especial que incrementaran las capacidades de transmisión en un factor arriba de Los chips ópticos darán mayor velocidad a las computadoras y al equipo de comunicación.

44 34 La evolución de las redes de telecomunicación al ideal de redes completamente ópticas (con líneas con conexiones ultrarápidas y dispositivos de almacenamiento también ópticos), se vislumbra compleja. Asimismo, la homologación de los soportes tecnológicos para el establecimiento de lo que se ha denominado como autopistas de información o redes integradas ya no depende tanto de la capacidad de desarrollo tecnológico, sino más bién de factores económicos, políticos y regulatorios de organización y funcionamiento de las empresas de telecomunicaciones. La oportunidad en la utilización de un sistema de fibra óptica viene representada por las principales ventajas que se obtienen con el uso de la fibra óptica. Menores pérdidas de potencia, gracias a esta propiedad se logran mayores distancias de repetición (eventualmente puede no ser necesario incorporar repetidores), reduciendo así los costos del sistema, de su mantenimiento y aumentando la fiabilidad del mismo. Inmunidad al ruido, gracias a que la fibra óptica es totalmente dieléctrica, es inmune a las interferencias de radiofrecuencia. Asimismo no genera interferencias ni genera diafonía en otros equipos de comunicación y por lo tanto no son necesarios apantallamientos especiales. Dimensiones reducidas y bajo peso, este aspecto, junto a la gran flexibilidad hace que la instalación de los cables ópticos sea comparativamente sencilla.

45 Seguridad, es prácticamente imposible interceptar la señal que viaja por una fibra sin ser detectada. 35 Aislamiento eléctrico, al ser dieléctrica la fibra asegura el aislamiento eléctrico entre emisor y receptor, evitando así las puestas a tierra. Gran ancho de banda, esto permite la transmisión de mucha información simultáneamente, reduciendo la necesidad de cambiar el cable al aumentar el tráfico. Mediante el uso de técnicas de multiplexación especiales, la potencialidad de la fibra óptica se ve notablemente incrementada. Rápida reducción de costos y mejoramiento de la calidad, al igual que en todas las modernas tecnologías, existe un gran interés en la investigación de nuevas técnicas para obtener una mayor eficiencia y reducción de costos. La fibra óptica también presenta algunos inconvenientes que no hay que olvidar. Por ejemplo: No hay una estandarización de los productos en todos sus campos de utilización, salvo en algunas aplicaciones para telecomunicaciones, lo que plantea problemas de compatibilidad. Las técnicas de empalme son complejas y necesitan de equipos muy caros y personal muy cualificado. La instalación de los conectores es compleja y requiere un personal con formación adecuada. La fibra óptica puede se dañada. Al igual que el cable de cobre, la fibra óptica puede ser deteriorada por excavaciones, corrimiento de tierras, vandalismo y accidentes.

46 36 CAPÍTULO 5: Medición del índice de refracción en fibras multimodo 5.1 Puesta en funcionamiento del aparato de velocidad de la luz Este aparato consiste básicamente en un circuito emisor y uno receptor (el circuito esquemático de este aparato se puede ver en la figura 5.1.1) por medio de los cuales se puede medir el tiempo que tarda un pulso de luz en atravesar un tramo de fibra óptica de determinada longitud. V = L / T (5.1.1) N = C / V = C* ΔT / L (5.1.2) Una vez determinado ese tiempo y mediante la fórmula se puede obtener la velocidad que tiene la luz dentro de la fibra óptica y en consecuencia el índice de refracción de la FO mediante la fórmula 5.1.2

47 37 Figura Diagrama esquemático del aparato de la velocidad de la luz Para medir el índice de refracción de las fibras multimodo por el método del tiempo de vuelo se hizo necesario la reparación del aparato de la velocidad de la luz, el cual desde un principio no se encontraba funcionando debidamente. Se procedió a verificar el funcionamiento por separado tanto del emisor como del receptor del aparato de la velocidad de la luz.

48 Análisis del circuito emisor Primero se verificó el buen estado del circuito emisor, dado que el transistor 2N2369 de esta etapa estaba dañado se procedió a cambiarlo y ya que del manual del usuario de este aparato se sabía que el pulso de referencia debía tener una forma, amplitud y ancho establecidos, se comprobó que el circuito emisor estaba bien tal y como se muestra en la siguiente figura: Figura Pulso de Referencia del circuito emisor del aparato de velocidad de la luz Análisis del circuito receptor Se procedió a la parte del circuito receptor, pues fue posible notar que estaba malo debido a que no detectaba ninguna señal.

49 39 Se cambiaron tanto el LED emisor D3 como el fotodiodo receptor D8 de la figura 5.1.1, los cuales deben ser respectivamente un IF-E96 y un IF-D91 (se pueden ver en los anexos) y se procedió a ver su buen funcionamiento con el circuito de prueba de la figura 5.1.3, corroborando que el receptor estaba bueno. Figura Circuito de prueba para el IF-D91 Luego de comprobar que el fotodiodo detector estaba bueno se revisaron cada uno de los transistores 2N5179 encontrando que no poseían un buen nivel de ganancia y uno de ellos tenía una patilla quebrada, por lo cual se tomó la decisión de conseguir unos nuevos. Se averiguó en los distintos lugares de venta de dispositivos electrónicos y estos transistores no se pueden conseguir en el país, los existentes aquí son los NTE316 (en teoría estos transistores son equivalentes a los originales 2N5179)

50 40 Se compraron los transistores de tipo NTE316 y se midieron sus ganancias (todas ellas con valores entre los 80 y los 105 de ganancia), no tan altas como se desearía pero funcionales. Una vez con los transistores nuevos y con el LED emisor y el fotodiodo detector en buen estado, se procedió a probar el circuito detector en una proto-board, obteniendo resultados alentadores pues ya se estaba transmitiendo la señal al circuito receptor. Se tomó así la decisión de montar y soldar los dispositivos en la tarjeta impresa del aparato de velocidad de la luz, para hacer algunas mediciones con fibras de tipo POF para las cuales está hecho el aparato. Y posteriormente tratar de aplicar este procedimiento a las fibras de tipo multimodo. 5.2 Preparación y calibración del aparato de velocidad de la luz Una vez que se soldaron los transistores a la tarjeta impresa se procedió a tomar algunas mediciones en fibras ópticas de tipo POF, para lo cual es necesario hacer algunos ajustes en el osciloscopio y calibrar el aparato de velocidad de la luz.

51 Ajustes del osciloscopio Colocar el modo de disparo en auto Colocar el interruptor de la fuente de disparo en el canal 1 Colocar el disparo en pendiente positiva Colocar la escala de voltaje del canal 1 en 1 voltio por división Colocar la escala de voltaje del canal 2 en 0,5 volts por división Colocar el acoplamiento de entrada de ambos canales en AC Colocar la escala de tiempos en 50 ns por división Luego de hacer los ajustes mencionados al osciloscopio se procederá a conectar la punta del canal 1 en el punto de prueba marcado como REFERENCE y su respectivo punto de tierra marcado con GND y la punta del canal 2, al punto de prueba del receptor y su respectivo punto de tierra. Mover el selector de entrada del canal 2 a la posición de tierra y conectar la alimentación del circuito (el convertidor 110VAC-DC) Cuando este conectado el adaptador de AC, tanto el LED amarillo como el LED de fibra óptica D3 deberán encenderse. punto. Colocar el potenciómetro para el retraso de calibración en la posición de las 12 en

52 42 Una vez flojas las roscas del D3 y del D8 seleccionar 15cm de fibra óptica plástica e insertar un extremo hasta el fondo del LED D3 y el otro extremo de la fibra en el detector de fibra óptica D8 luego de lo cual se procederá a tallar suavemente la roscas Calibración del aparato de velocidad de la luz La calibración de este aparato es importante para obtener resultados correctos en las mediciones. La calibración será hecha con 15 cm de fibra óptica para simular una distancia de cero. Una vez colocados los 15 cm de fibra POF un pulso deberá ser observado en el canal 1 de la pantalla del osciloscopio. Deberá ser de 3,5 volts de amplitud aproximadamente y de 35 ns de ancho, tal y como lo muestra la figura Al colocar el selector de entrada del canal 2 de tierra a acoplamiento AC un segundo pulso con amplitud de 1 a 1,5 volts de amplitud y 75 ns de ancho deberá ser observado. Este es el pulso recibido a través de los 15cm de fibra. canal 1 y 2. Utilizando las perillas de posicionamiento vertical, alinear las bases de los trazos del Rotar la perilla de calibración (Calibration Delay) en el aparato hasta que el pico del pulso recibido coincida con el pico del punto de referencia como se muestra en la figura 5.2.1

53 43 Reajustar la escala de la base de tiempo y mover finamente la perilla de calibración del retraso, con el objetivo de lograr una mejor coincidencia de los picos de los pulsos de referencia y transmitido. Cuidadosamente afloje las roscas del LED D3, del detector D8 y remueva los 15cm de fibra. Figura Alineación de los trazos de referencia y transmitido Medición del índice de refracción Con el aparato de velocidad de la luz se puede medir el tiempo que tarda un pulso de luz en atravesar un tramo de fibra óptica de determinada longitud. Utilizando el osciloscopio se medirá este tiempo, de la manera siguiente: