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Fibra Óptica: Principios y Fabricación

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que es la Fibra óptica

1. ¿Qué es la Fibra Óptica?

La fibra óptica es un hilo flexible y transparente hecho de vidrio o plástico con un diámetro similar al de un cabello humano. La fibra óptica se usa con mayor frecuencia como un medio para transmitir luz entre sus dos extremos, se utilizan ampliamente en comunicaciones ópticas, permitiendo así  la transmisión de información a largas distancias y anchos de banda mayores que los cables eléctricos.

La fibra se utiliza en lugar de cables de metal porque las señales viajan a lo largo de ellas con menos pérdida, además, las fibras son inmunes a la interferencia electromagnética, un problema del cual los alambres de metal sufren en exceso. Las fibras también se utilizan para la iluminación e  imagen, a menudo se envuelven en paquetes para que puedan ser utilizados para transportar la luz o imágenes de espacios confinados, como en el caso de un fibroscopio.  El término fibra óptica fue acuñado por el físico indio Narinder Singh Kapany, quien es ampliamente reconocido como el padre de la fibra óptica.

Cable de Fibra Óptica TOSLINK
Figura 1. Cable de Fibra Óptica TOSLINK

Las fibras ópticas típicamente incluyen un núcleo rodeado por un material de revestimiento transparente con un índice de refracción más bajo. La luz se mantiene en el núcleo por el fenómeno de reflexión interna total que hace que la fibra actúe como guía de ondas. Las fibras que admiten muchas rutas de propagación o modos transversales se llaman fibras multimodo (MM por su término en inglés Multi Mode), mientras que las que admiten un único modo se denominan fibras monomodo (SM por su término en inglés Single Mode). Las fibras multimodo generalmente tienen un diámetro de núcleo más amplio y se usan para enlaces de comunicación de corta distancia. Las fibras monomodo se utilizan para la mayoría de enlaces de comunicación de más de 1,000 metros (3,300 pies).

La fusión de fibras ópticas (unión de dos fibras) con bajas pérdidas es importante en la comunicación óptica, dado que es más complejo que unir un cable o cable eléctrico e implica un corte cuidadoso de las fibras, una alineación precisa de los núcleos de fibra y el acoplamiento de estos núcleos alineados. Para aplicaciones que exigen una conexión permanente, es común un empalme por fusión, en esta técnica se usa un arco eléctrico para fundir los extremos de las fibras entre sí, otra técnica común es el empalme mecánico, donde los extremos de las fibras se mantienen en contacto por la fuerza mecánica. Las conexiones temporales o semi permanentes se realizan por medio de conectores de fibra óptica especializados.

2. Historia de la Fibra Ópica

cual es el principio de funcionamiento de la Fibra ÓpticaLa luz guiada por reflexión es el principio físico que hace posible el funcionamiento de la fibra óptica, fue demostrado por primera vez por Daniel Colladon y Jacques Babinet en París a inicios de la década de 1840. John Tyndall incluyó una demostración de ello en sus conferencias públicas en Londres, 12 años después. Tyndall también escribió sobre la propiedad de reflexión interna total en un libro introductorio sobre la naturaleza de la luz en 1870:

principios John-Tyndall-Light-Physicist
Figura 3. Tyndall, John

«Cuando la luz pasa del aire al agua, el rayo refractado se inclina hacia la perpendicular … Cuando el rayo pasa del agua al aire, se dobla desde la perpendicular … Si el ángulo que el rayo en el agua encierra con la perpendicular a la superficie es mayor de 48 grados, el rayo no abandonará el agua en absoluto: se reflejará totalmente en la superficie … El ángulo que marca el límite donde comienza la reflexión total se denomina ángulo limitante del medio. Para el agua, este ángulo es de 48° 27′, para el vidrio de sílex es de 38° 41′, mientras que para el diamante es de 23° 42′.» (Tyndall, John, 1870)

A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, en la medicina, se utilizaban varillas de vidrio dobladas que guiaban la luz con el fin de iluminar las cavidades del cuerpo. Las aplicaciones prácticas como la iluminación interna cerrada, en la odontología, aparecieron a principios del siglo XX. Por otra parte, la transmisión de imágenes a través de tubos fue demostrada de forma independiente por el experimentador de radio Clarence Hansell y el pionero de la televisión John Logie Baird en la década de 1920. En la década de 1930, Heinrich Lamm demostró que se podían transmitir imágenes a través de un paquete de fibras ópticas sin aislar que podían ser usados para exámenes médicos internos, sin embargo, su trabajo fue en gran parte olvidado.

En 1953, el científico holandés Bram van Heel demostró por primera vez la transmisión de imágenes a través de haces de fibras ópticas con revestimiento transparente. Ese mismo año, Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany del Imperial College de Londres lograron hacer paquetes de transmisión de imágenes con más de 10.000 fibras, y posteriormente lograron la transmisión de imágenes a través de un haz de 75 cm de largo que combinó varios miles de fibras, este hallazgo fue publicado en un artículo titulado titulado » A flexible fibrescope, using static scanning» en la revista Nature en 1954.

El primer gastroscopio semiflexible de fibra óptica práctico fue patentado por Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, y Lawrence E. Curtiss, investigadores de la Universidad de Michigan, en 1956, en el proceso de desarrollo del gastroscopio, Curtiss produjo la primera fibra óptica revestida (glass-clad fibers), las fibras ópticas diseñadas anteriormente se habían basado en recubrimiento de aire o aceites y ceras que eran poco prácticos como material de revestimiento de bajo índice. Luego, se pudo encontrar una variedad de otras aplicaciones tales como la transmisión de imágenes.

El primer sistema de transmisión de datos de fibra óptica en funcionamiento fue demostrado por el físico alemán Manfred Börner en Telefunken Research Labs en Ulm en 1965, que fue seguido por la primera solicitud de patente para esta tecnología en 1966. La NASA utilizó fibra óptica en las cámaras de televisión que se enviaron a la luna. En ese momento, el uso en las cámaras se clasificó como confidencial, y los empleados que manejaban las cámaras tenían que ser supervisados ​​por alguien con una autorización de seguridad apropiada.

Charles K. Kao y George A. Hockham de la compañía británica Standard Telephones and Cables (STC) fueron los primeros, en 1965, en promover la idea de que la atenuación en las fibras ópticas podría reducirse por debajo de 20 decibelios por kilómetro (dB / km), haciendo de las fibras un medio de comunicación práctico. Indicaron que la atenuación en fibras disponible en ese momento era causada por impurezas que podrían eliminarse, más que por efectos físicos fundamentales como la dispersión. Teorizaron de forma correcta y sistemática las propiedades de pérdida de luz de la fibra óptica y señalaron el material adecuado para utilizar con dichas fibras: vidrio de sílice de alta pureza. Este descubrimiento le valió a Kao el Premio Nobel de Física en 2009.

El límite de atenuación crucial de 20 dB / km se logró por primera vez en 1970 por los investigadores Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz y Frank Zimar quienes trabajaban para el fabricante estadounidense de vidrio Corning Glass Works. Fabricaron una fibra con una atenuación de 17 dB/km al dopar el vidrio de sílice con titanio. Unos años más tarde produjeron una fibra con solo 4 dB/km de atenuación usando dióxido de germanio como el núcleo dopante. En 1981, General Electric produjo lingotes de cuarzo fundido que se podían trazarse en hebras de 25 millas (40 km) de largo.

Inicialmente, las fibras ópticas de alta calidad solo podían fabricarse a 2 metros por segundo. El ingeniero químico Thomas Mensah se unió a Corning en 1983 y aumentó la velocidad de fabricación a más de 50 metros por segundo, lo que hizo que los cables de fibra óptica sean más baratos que los de cobres. Estas innovaciones marcó el comienzo de la era de las telecomunicaciones de fibra óptica.

El centro de investigación italiano CSELT trabajó con la empresa Corning con el fin de desarrollar cables de fibra óptica de uso práctico, lo que resultó en el primer cable de fibra óptica de uso metropolitano.

3. ¿Como Funciona la Fibra Óptica?

El principio de la fibra óptica se basa en su funcionamiento como una guía de onda dieléctrica cilíndrica (guía de onda no conductora) que transmite la luz a lo largo de su eje, el funcionamiento de la fibra óptica se debe principalmente al proceso de reflexión interna total, esto se explicará mas adelante. La fibra esta conformado de un núcleo rodeado por una capa de revestimiento, ambos están hechos de materiales dieléctricos. Para limitar la señal óptica en el núcleo, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el del revestimiento. El límite entre el núcleo y el revestimiento puede ser abrupto, en fibra de índice escalonado, o gradual, en fibra de índice gradual.

de que esta hecho el cable de fibra optica

3.1. Índice de refracción

luz inidente reflejado y refractadoEl índice de refracción es una forma de medir la velocidad de la luz en un material. La luz viaja más rápido en el vacío, como en el espacio exterior. La velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 300,000 kilómetros por segundo. El índice de refracción de un medio se calcula dividiendo la velocidad de la luz en el vacío por la velocidad de la luz en ese medio. El índice de refracción en el vacío es por definición uno. Una fibra monomodo típica utilizada para telecomunicaciones tiene un revestimiento hecho de dióxido de sílicio puro, con un índice de 1.444 a 1.500, y un núcleo de sílice dopada con un índice de alrededor de 1.4475. Cuanto mayor es el índice de refracción, la luz más lenta viaja en ese medio. A partir de esta información, una simple regla general es que una señal que utiliza fibra óptica para comunicaciones viajará a alrededor de 200,000 kilómetros por segundo. Para decirlo de otra manera, a la señal le tomará 5 milisegundos en viajar 1.000 kilómetros por fibra. Por lo tanto, una llamada telefónica realizada por fibra entre Sydney y Nueva York, a una distancia de 16,000 kilómetros, significa que hay un retraso mínimo de 80 milisegundos (aproximadamente 1/12 de segundo) entre una persona que habla y la otra que escucha. (La fibra en este caso probablemente recorra una ruta más larga, y habrá retrasos adicionales debido a la conmutación de los equipos de comunicación y al proceso de codificación y decodificación de la voz en la fibra).

3.2. Reflexión interna total

angulo de aceptacion fibra optica haz incidente reflejado totalmenteCuando la luz que viaja en un medio ópticamente denso, llega a un límite en un ángulo pronunciado (mayor que el ángulo crítico del límite), la luz se refleja por completo, a esto se le llama reflexión interna total. Este efecto se usa en fibras ópticas para confinar la luz en el núcleo. La luz viaja a través del núcleo de la fibra, rebotando hacia adelante y hacia atrás fuera del límite entre el núcleo y el revestimiento. Debido a que la luz debe alcanzar el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico, solo la luz que ingresa a la fibra dentro de un cierto rango de ángulos puede viajar por la fibra sin desviarse. Este rango de ángulos se llama cono de aceptación de la fibra. El tamaño de este cono de aceptación es una función de la diferencia de índice de refracción entre el núcleo de la fibra y el revestimiento.En términos más simples, hay un ángulo máximo desde el eje de la fibra en el cual la luz puede ingresar a la fibra para que se propague, o viaje, en el núcleo de la fibra. El seno de este ángulo máximo es la apertura numérica (NA) de la fibra. La fibra con una NA más grande requiere menos precisión para empalmar y trabajar que la fibra con una NA más pequeña. La fibra monomodo tiene una pequeña NA.

capas de la fibra optica

A continuación se puede ver en el siguiente video cual es el principio de funcionamiento de la fibra optica, activar los subtitulos en español, el video es gracias a http://www.engineerguy.com/

4. Estructura y Componentes de la fibra óptica

Una fibra óptica típica comprende tres componentes principales: el núcleo, que transporta la luz; el revestimiento, que rodea el núcleo con un índice de refracción inferior y contiene la luz; y el revestimiento, que protege la fibra frágil en su interior.

4.1. Núcleo

El núcleo, que transporta la luz, es la parte más pequeña de la fibra óptica. El núcleo de fibra óptica generalmente está hecho de vidrio, aunque algunos están hechos de plástico. El vidrio utilizado en el núcleo es dióxido de silicio extremadamente puro (SiO2), un material tan transparente que se puede ver a través de 5 millas como si estuvieras mirando a través de una ventana de una casa.

En el proceso de fabricación, se utilizan dopantes como germanio, pentóxido de fósforo o aluminio para elevar el índice de refracción en condiciones controladas.

Los núcleos de fibra óptica se fabrican en diferentes diámetros para diferentes aplicaciones. Los núcleos de vidrio típicos van desde tan pequeños como 3.7um hasta 200um. Los tamaños de núcleo comúnmente utilizados en telecomunicaciones son 9um, 50um y 62.5um. Los núcleos de fibra óptica de plástico pueden ser mucho más grandes que el vidrio. Un tamaño de núcleo de plástico popular es 980um.

4.2. Revestimiento

El revestimiento rodea el núcleo y proporciona el índice de refracción más bajo para hacer que la fibra óptica funcione. Cuando se utiliza el revestimiento de vidrio, el revestimiento y el núcleo se fabrican juntos a partir del mismo material a base de dióxido de silicio en un estado de fusión permanente. El proceso de fabricación agrega diferentes cantidades de dopantes al núcleo y al revestimiento para mantener una diferencia en los índices de refracción entre ellos de aproximadamente el 1%.

Un núcleo típico puede tener un índice de refracción de 1,49 a 1300 nm, mientras que el revestimiento puede tener un índice de refracción de 1,47. Estos números, sin embargo, son dependientes de la longitud de onda. El núcleo de la misma fibra tendrá un índice de refracción diferente en una longitud de onda diferente.

Al igual que el núcleo, el revestimiento se fabrica en diámetros estándar. Los dos diámetros más utilizados son 125um y 140um. El revestimiento de 125um generalmente admite tamaños de núcleo de 9um, 50um, 62.5um y 85um. El revestimiento de 140um tiene típicamente un núcleo de 100um.

4.3. Recubrimiento

El recubrimiento es la capa protectora de la fibra óptica. El revestimiento absorbe los golpes, muescas, raspaduras e incluso la humedad que podría dañar el revestimiento. Sin el recubrimiento, la fibra óptica es muy frágil. Un solo corte microscópico en el revestimiento podría causar que la fibra óptica se rompa cuando se dobla. El recubrimiento es esencial para todas las fibras de vidrio, y no se venden sin él.

El recubrimiento es únicamente protector. No contribuye de ninguna manera a la capacidad de transporte de luz de la fibra óptica. El diámetro exterior del recubrimiento suele ser de 250um o 500um. Generalmente el recubrimiento es incoloro. Sin embargo, en algunas aplicaciones, el recubrimiento es de color, de modo que se pueden identificar las fibras ópticas individuales en un grupo de fibras ópticas.

El revestimiento encontrado en una fibra óptica se selecciona para un tipo específico de rendimiento o entorno. Una de las formas más comunes de recubrimiento es el acrilato. Este recubrimiento se aplica típicamente en dos capas. El recubrimiento primario se aplica directamente sobre el revestimiento. Este recubrimiento es suave y proporciona una protección para la fibra óptica cuando se dobla. El recubrimiento secundario es más duro que el recubrimiento primario y proporciona una superficie exterior dura. El acrilato, sin embargo, está limitado en el rendimiento de la temperatura. Un típico acrilato puede actuar a temperaturas de hasta 125º C.

La silicona, el carbono y la poliimida son recubrimientos que se pueden encontrar en las fibras ópticas que se utilizan en entornos hostiles, como los asociados con la aviónica, la industria aeroespacial y el espacio. También se pueden usar en fibras ópticas diseñadas para minería o para perforación de petróleo y gas.

5. ¿Cómo se Fabrica la Fibra Ópica?

El proceso de fabricación de la fibra óptica se realiza en tres grandes etapas:

  • Fabricación del cilindro de vidrio preformado
  • Estiramiento de la preforma de fibra
  • Prueba de la Fibra Óptica terminada

5.1. Fabricación del cilindro de vidrio preformado

El vidrio para la preforma se fabrica mediante un proceso llamado depósito de vapor químico modificado (MCVD).

En el proceso MCVD, el oxígeno se burbujea a través de soluciones de cloruro de silicio (SiCl4), cloruro de germanio (GeCl4) y/o otros productos químicos. La mezcla precisa gobierna las diversas propiedades físicas y ópticas (índice de refracción, coeficiente de expansión, punto de fusión, etc.). Los vapores de gas se conducen al interior de un tubo de sílice sintético o de cuarzo (revestimiento) en un torno especial. A medida que el torno gira, una antorcha se mueve hacia arriba y hacia abajo por el exterior del tubo. El calor extremo de la antorcha provoca dos cosas:

Que el silicio y el germanio reaccionan con el oxígeno, formando dióxido de silicio (SiO2) y dióxido de germanio (GeO2).

Que el dióxido de silicio y el dióxido de germanio se depositan en el interior del tubo y se fusionan para formar vidrio.

El torno gira continuamente para formar una capa uniforme y un blanco uniforme. La pureza del vidrio se mantiene mediante el uso de plástico resistente a la corrosión en el sistema de suministro de gas (bloques de válvulas, tuberías, sellos) y mediante el control preciso del flujo y la composición de la mezcla. El proceso de hacer la preforma es altamente automatizado y toma varias horas. Después que la preforma se enfría, se prueba para controlar su calidad (índice de refracción).

5.2. Estiramiento de la preforma de fibra

fabricacion de Fibra ÓpticaUna vez que se ha probado la preforma, se carga en una torre de extracción de fibra. La preforma se baja en un horno de grafito (de 1,900 a 2,200 grados Celsius) y la punta se derrite hasta que una masa fundida cae por la gravedad. A medida que cae, se 5enfría y forma un hilo.

El operador enrosca la hebra a través de una serie de copas de recubrimiento (revestimiento buffer) y hornos de curado con luz ultravioleta en una bobina controlada por el tractor. El mecanismo tractor extrae lentamente la fibra de la preforma calentada y se controla con precisión mediante el uso de un micrómetro láser para medir el diámetro de la fibra y devolver la información al mecanismo tractor. Las fibras se extraen de la preforma a una velocidad de 10 a 20 m/s, y el producto terminado se enrolla en un carrete. No es raro que los carretes contengan más de 2.2 km de fibra óptica.

5.3. Prueba de la Fibra Óptica terminada

A la fibra óptica terminada se le realizan las siguientes pruebas:

  • Resistencia a la tracción: debe resistir 100,000 lb / in2 o más
  • Perfil de índice de refracción: determine la apertura numérica y la pantalla para detectar defectos ópticos
  • Geometría de fibra: el diámetro del núcleo, las dimensiones del revestimiento y el diámetro del revestimiento deben ser uniformes
  • Atenuación: Determinar la medida en que las señales de luz de varias longitudes de onda se degradan a lo largo de la distancia
  • Capacidad de transporte de información (ancho de banda): número de señales que pueden transportarse de una vez (fibras multimodo)
  • Dispersión cromática: propagación de varias longitudes de onda de luz a través del núcleo (importante para el ancho de banda)
  • Rango de temperatura / humedad de funcionamiento
  • Dependencia de la temperatura de la atenuación
  • Capacidad de conducir luz bajo el agua – Importante para cables submarinos

5.4. Control de calidad en la producción de fibra óptica

Varios factores influyen en la calidad y pureza de la fibra óptica producida. Éstas incluyen:

  • Composición química: Lograr relaciones óptimas de los diversos productos químicos utilizados para crear la preforma es importante para lograr la pureza del vidrio. Esta mezcla de productos químicos también determina las propiedades ópticas de la fibra que se producirá a partir de la preforma, incluidos el coeficiente de expansión, el índice de refracción, y así sucesivamente.
  • Monitoreo de Gases: Es crucial que la composición del gas y la tasa de flujo sean monitoreados durante todo el proceso de creación de la preforma. También es importante que las válvulas, tubos y tuberías que entran en contacto con el gas estén hechos de materiales resistentes a la corrosión.
  • Calor y rotación: el cilindro hueco que se utiliza para crear la preforma se debe calentar a la temperatura adecuada y girar continuamente para permitir que los productos químicos se depositen de manera uniforme.

En el siguiente video se muestra como se fabrica la fibra óptica, documental realizado por Discovery Channel:

6. Normas Aplicadas a la Fibra Óptica

Si bien son posibles muchas combinaciones de tamaños de núcleo y revestimiento, las normas son necesarias para garantizar que los conectores y el equipo puedan combinarse correctamente. Esto es especialmente importante cuando se trata de componentes tan pequeños como los utilizados en fibra óptica, donde incluso las desalineaciones leves pueden inutilizar todo el sistema.

Dos organizaciones publican estándares que definen el rendimiento de las fibras ópticas utilizadas en la industria de las telecomunicaciones; son la Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones (TIA) y la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT). Si bien TIA y ITU publican muchos estándares sobre fibra óptica, los estándares clave con los que debe estar familiarizado con ANSI / TIA-568-C.3, ITU-TG.653, ITU-TG.655 y ITU-T G.657.

La norma ANSI / TIA-568-C.3 es aplicable a los componentes de cableado de fibra óptica de las instalaciones. Las normas ITU se aplican al cable de fibra óptica monomodo. Las siguientes son sus descripciones:

> UIT-TG.652: Características de un cable y fibra óptica monomodo

> UIT-T G.655: Características de una fibra óptica y un cable monomodo con dispersión desplazada

> UIT-T G.657: Características de un cable y fibra óptica monomodo con dispersión no desplazada a cero

Estos estándares contienen información importante que define el rendimiento de la fibra óptica, el cable de red de fibra óptica y componentes como el Conne óptico.

Referencias:

  • https://searchtelecom.techtarget.com/definition/optical-fiber
  • http://www.fiberopticshare.com/what-are-the-components-of-optical-fiber.html
  • https://computer.howstuffworks.com/fiber-optic5.htm

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