OTRAS APLICACIONES CON FIBRAS ÓPTICAS

Transcripción

1 APLICACIONES El campo de aplicación de las fibras ópticas es muy amplio y aumenta día a día. Algunas de las aplicaciones más importantes son: - Telecomunicaciones: En este apartado cabe incluir la red de enlaces y la red de abonado de las administraciones públicas de telefonía. Hay que destacar la importancia de las fibras ópticas en el contexto de la red digital de servicios integrados (RDSI). - Redes locales y comunicación entre ordenadores. - Aplicaciones militares: La seguridad (secreto) que ofrecen las comunicaciones por fibra óptica, hace que esta tecnología sea muy apetecible en aplicaciones militares. - Enlaces de televisión: Está especialmente indicada la utilización de fibras ópticas en enlaces de televisión para aplicaciones de seguridad. - CATV: Debido fundamentalmente al ancho de banda soportado por las fibras y que éstas prácticamente, no afectan a la S/N. - Electromedicina. - Otros: Por su ligereza y alta capacidad de transmisión de datos, son muy útiles cuando el peso es determinante, como por ejemplo en aviones y barcos. Mientras que el precio del cable de cobre aumenta de año en año, en los sistemas de fibra óptica la tendencia es a la inversa. Además la investigación en este campo es intensa y hay continuos progresos. Por eso es previsible que en el futuro la fibra óptica se encuentre integrada prácticamente, en todos los campos relacionados con las telecomunicaciones, electrónica. etc. OTRAS APLICACIONES CON FIBRAS ÓPTICAS Un detector de corriente fibra óptica. Inicialmente, una de las áreas de mayor interés en la investigación actual de la optoelectrónica lo constituye una rama del programa de comunicaciones mediante fibras, el desarrollo de los detectores de fibra óptica. El tema básico del detector de fibra es que la luz que pasa a través de una fibra óptica es afectada, en alguna forma, por las condiciones externas con el cambio consecuente en las propiedades de la luz transmitida. En algunos casos, tal vez la fibra en sí no tenga efecto alguno sobre el mecanismo de detección, sino que simplemente guía la luz hacia la región de interés. En la figura 1 de muestra un simple detector de fibra que detecta el aforo de un recipiente. En ausencia de líquido en el recipiente, la luz es regresada desde el extremo de la fibra, habrá un cambio en la cantidad de luz reflejada. En efecto, algo de tal luz se fugará hacia el líquido debido al diferencial disminuido de índice de refracción entre la fibra y el medio circundante. Por consiguiente, existe una caída en la cantidad de luz que regresa al detector. U7-T5 Aplicaciones - 1

2 Figura 1.- Detector de nivel con fibra óptica. En la figura 2 se muestra el diagrama de algunos otros ejemplos de detectores de fibra. Las ventajas que se obtienen mediante el empleo de tales aplicaciones son comparables, en muchos sentidos, a las de las comunicaciones ópticas. Los detectores de fibra suelen ser menos propensos a daño a altas temperaturas que los dispositivos de medición ordinarios, no experimentan interferencia eléctrica y, dado que no portan corriente eléctrica, son intrínsecamente seguros. Globalmente, el detector de fibra es idealmente adecuado para ser utilizado en medios peligrosos o en zonas en las que puede haber riesgos de explosiones, como en refinerías de petróleo o fábricas de gas mar adentro, o en la industria de suministro de electricidad. Además, debido a que en las técnicas de medición ópticas por lo general no se hace contacto físico con el área de medición, pueden operarse a control remoto y son no destructivas. Un listado no exhaustivo de los parámetros físicos que han sido monitoriados utilizando detectores de fibra es el siguiente: temperatura, presión, deformación, aforo de líquidos, aceleración, rotación, corriente, voltaje y campos electromagnéticos. U7-T5 Aplicaciones - 2

3 Figura 2.- Sensores típicos de fibra. Detección de corriente. La medición de la corriente que fluye por conductores eléctricos es un área a la que la aplicación de detectores de fibra puede aportar ventajas importantes. Esto es especial- mente cierto cuando las corrientes son del orden de unos cuantos cientos de amperes, como en la transmisión de energía eléctrica. En los métodos convencionales utilizados por las compañías de luz para medir la corriente, se emplean transformadores voluminosos difíciles de aislar y que presentan respuestas bastante lentas a las corrientes transitorias. En contraste, las técnicas ópticas pueden ser compactas, poco costosas y tener una respuesta rápida. La Central Electricity Generating Board ha venido investigando desde hace algunos años la aplicación de los detectores de fibra al monitoreo de corriente y voltaje en sistemas de transmisión de energía eléctrica. Aquí se analizará el funcionamiento del detector de corriente prototipo, cuyo diagrama se muestra en la figura 3 U7-T5 Aplicaciones - 3

4 Figura 3.- Detector de corriente de fibra óptica (adaptado de un diagrama original publicado por CEGB). Principios de la detección. El método con el cual es posible medir la luz con una fibra óptica se basa en el principio de que la polarización de un haz luminoso que se desplaza a través de un medio transparente puede ser afectado por la introducción de un campo magnético. Este es el efecto Faraday (figura 4). La magnitud de la rotación es máxima cuando la luz se desplaza en la misma dirección que el campo magnético. El origen del efecto surge de la forma en que un campo magnético afecta la absorción atómica de un material. Esto conduce a una velocidad de propagación ligeramente diferente para luz polarizada circularmente, dependiendo de sí es polarizada por la izquierda o por la derecha. Dado que la luz linealmente polarizada puede considerarse equivalente a una combinación de dos componentes de sentido opuesto circularmente polarizadas, es posible observar que si una componente se propaga más rápido que la otra a medida que el haz se desplaza a través del medio, entonces habrá una rotación neta del haz polarizado. Figura 4.- Efecto Faraday en un material magnetoóptico. Volviendo a lo que se conoce acerca de electricidad y magnetismo, se sabe que un conductor de corriente originará un campo magnético que actúa a ángulos rectos con la dirección de la corriente (figura 5). Si una fibra óptica, que conduce un haz luminoso linealmente polarizado, es U7-T5 Aplicaciones - 4

5 arrollada alrededor del conductor, entonces la acción del campo magnético hará girar el plano de polarización del haz. El ángulo de rotación está dado por: β = k v Hx en donde kv es una constante, denominada constante de Verdet para un material dado, H es la magnitud del campo magnético y x es la longitud de la trayectoria recorrida por el haz en el campo magnético. La teoría básica afirma que la intensidad del campo magnético asociada con una corriente I que fluye en un conductor está dada por: H = I/2πr en donde r es la distancia entre el conductor y el punto de medición de la intensidad de campo. Así, la rotación de Faraday puede expresarse como: β = k v (I/2πr)x Pero x, la trayectoria recorrida por la luz, también será igual a 2πr si la fibra es arrollada una vez alrededor del conductor, y por lo tanto, β = k v I Suponiendo que la fibra es arrollada alrededor del conductor a distancia uniforme, la ecuación anterior proporciona la magnitud de la rotación. Si alrededor del conductor hay varias vueltas de fibra, entonces se incrementa la trayectoria del haz, se mejora la magnitud del efecto y se compensan campos magnéticos parásitos. Experimentalmente, se encuentra que la constante de Verdet para el sistema es igual a 15.6 x 10 3 min A -1. Así, la rotación de Faraday para una corriente de 1000 A rms (valor medio cuadrático o eficaz) será de 15.6 minutos de arco. Figura 5.- Campo magnético alrededor de un conductor que porta corriente. El elemento detector. U7-T5 Aplicaciones - 5

6 La elección de la fibra es crucial para el funcionamiento. Debido a que se pretende medir la rotación de la polarización, cualquier cambio natural de la condición de polarización del haz a medida que éste se propaga a lo largo de la fibra podría enmascarar el efecto que se pretende medir. Tales materiales se denominan birrefringentes y todas las fibras presentan algún grado de birrefringencia Intrinseca. Sin embargo, existe un punto óptimo de operación para la fibra, que corresponde a un plano preferido de polarización que debe poseer el haz incidente, de modo que el haz de salida salga linealmente polarizado, aunque no necesariamente en el mismo plano. Esta condición se cumple colocando una placa de media onda enfrente de la fibra, que permite que el plano de polarización de la luz incidente gire hacia el plano de polarización preferido por la fibra. Existen a disposición fibras de baja birrefringencia especialmente fabricadas, que minimizan todos los efectos intrínsecos. Además, dado que la propagación a lo largo de la fibra de más de un modo tiende a complicar el patrón de polarización, es necesario promediar la rotación magnética. Esto acaba por determinar la elección de las fibras de un modo. Aun así, siempre habrá modos indeseables que se propagan a lo largo de la fibra, debido a la emisión de algo de luz disponible hacia el revestimiento. Tales modos indeseables pueden eliminarse haciendo pasar la fibra a través de un breve volumen de líquido cuyo índice de refracción sea mayor que el de la fibra, de manera que los modos indeseables se acoplen y sean expulsados. En caso de que en la fibra se generen otros modos indeseables, debido a flexión o presión, es posible conducir a división de modos adicional al extremo de salida de la fibra. Optica de emisión. La selección de una fibra de un modo crea problemas a la emisión de suficiente luz a través de ella para producir una señal significativa en el otro extremo. Para mejorar el grado de polarización hasta aproximadamente una parte en 10 4, a través de un prisma de polarización se hace pasar un láser de HeNe que entregue una salida linealmente polarizada de 50 mw de potencia continua. El haz es emitido hacia la fibra utilizando una lente objetivo de microscopio de 10x de amplificación y abertura numérica igual a Al comparar la abertura numérica de la lente con la de la fibra, se observará una falta de equivalencia entre ambas, dando por resultado que sólo una fracción de luz, 0.048/0.12 = 0.40, se acople con la fibra. Sin embargo, la situación real no es tan mala, ya que es evidente a primera vista, debido a que el diámetro del haz láser sólo mide aproximadamente 2 mm y el diámetro de entrada de la lente mide 8 mm, entonces sólo se utiliza la cuarta parte del diámetro útil de la lente. Por tanto, la abertura numérica efectiva es aproximadamente 0.03, por lo que es posible la emisión eficiente del haz. Optica de detección. Para medir la rotación es necesario comparar la orientación de polarización relativa entre los haces de salida y entrada. Esto se logra colectando la luz emitida mediante otro objetivo de 10x y AN 0.12, y haciéndola pasar por un prisma Wollaston. Este prisma resuelve el haz en dos componentes separadas linealmente polarizadas perpendiculares entre sí. Cada componente es detectada por fotodetectores PIN separados, cuyas salidas se conectan a amplificadores de suma y resta para obtener una salida proporcional a: (I 1 I 2 ) (I 1 + I 2 ) U7-T5 Aplicaciones - 6

7 en donde I 1 e I 2 son las fotocorrientes respectivas producidas en los diodos. Este procedimiento es el método clásico para asegurar máxima sensibilidad de salida, así como que la salida sea independiente dé las fluctuaciones en la intensidad del haz y diferencias en los detectores. También puede hacerse girar el prisma, a fin de ganar la señal de salida óptima de los detectores. En el instrumento prototipo, para el intervalo cero y 1000 A eficaces se obtuvo una respuesta lineal de la salida del detector contra la corriente de una barra colectora. U7-T5 Aplicaciones - 7