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MANUAL PARA EL CURSO
REDES Y ENLACES DE
FIBRA ÓPTICA
Guía de Estudios Técnicos
RODOLFO VELOZ PÉREZ
1era Versión - 2019
Rodolfo Veloz Pérez
2
© Rodolfo Veloz Pérez, 2019.
ISBN: Basado en ISBN 978-956-398-485-9
Registro de la Cámara Chilena del Libro
Reservados todos los derechos. No se permite la reproducción total o
parcial de esta obra, ni su incorporación a un sistema informático, ni su
transmisión en cualquier forma o por cualquier medio (electrónico,
mecánico, fotocopia, grabación u otros) sin autorización previa y por escrito
del titular del copyright. La infracción de dichos derechos puede constituir
un delito contra la propiedad intelectual.
Título original: MANUAL PARA EL CURSO REDES Y ENLACES
DE FIBRA ÓPTICA. Guía de Estudios Técnicos
(Extracto parcial del Libro “Comunicaciones en Fibra Óptica” bajo autorización del autor)
Esta publicación está financiada por Brainamics
Tipografía utilizada: Helvética Neue
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
3
INDICE DE CONTENIDOS
Introducción .................................................................................................... 9
Acerca del Autor............................................................................................ 11
Renuncia de Responsabilidad....................................................................... 13
Historia de la Fibra Óptica............................................................................. 15
Las primeras teorías de la luz.................................................................... 17
Teoría Corpuscular de la Luz..................................................................... 20
Teoría Ondulatoria de la Luz...................................................................... 24
Modelo ondulatorio de Thomas Young ..................................................... 29
Ecuaciones de Maxwell y Ondas Electromagnéticas................................ 35
Efecto Fotoeléctrico, Mecánica Cuántica y la masa de la luz................... 39
Camino a la invención de la Fibra Óptica.................................................. 47
Confinamiento de la luz ............................................................................. 48
Transmisión guiada de la luz ..................................................................... 51
Invención de la Fibra Óptica...................................................................... 55
Desarrollo de la Fibra Óptica para Comunicaciones................................. 59
Primeras Instalaciones............................................................................... 62
Principios Básicos de la Luz ......................................................................... 65
Teoría Básica de las Ondas Electromagnéticas........................................ 65
Refracción y Ley de Snell .......................................................................... 71
Potencia y Pérdida Óptica ............................................................................ 83
Óptica y Construcción de la Fibra Óptica..................................................... 87
Modos ........................................................................................................... 90
Monomodo vs Multimodo.......................................................................... 95
Perfil de Índices en Fibra Óptica ............................................................. 101
Rodolfo Veloz Pérez
4
Características de la Fibra Óptica ............................................................... 105
Dispersión de Rayleigh......................................................................... 110
Dispersión Modal.................................................................................. 112
Dispersión Material............................................................................... 113
Dispersión por guía de onda ................................................................ 115
Dispersión cromática............................................................................ 116
Dispersión por modo de polarización .................................................. 118
Combinación de diferentes tipos de filamentos ...................................... 120
Causas de la Atenuación en Fibra Óptica................................................ 127
Designación de las Fibras Ópticas en ISO/IEC11801.............................. 135
Designación de las Fibras Ópticas en TIA-568........................................ 139
Designación de las Fibras Ópticas en la UIT-T........................................ 145
Cables de Fibra Óptica................................................................................ 167
Resistencia a la tracción .......................................................................... 168
Resistencia al Aplastamiento y al Impacto .............................................. 169
Torsión de los cables ............................................................................... 169
Condiciones ambientales......................................................................... 170
Chaqueta del Cable ................................................................................. 174
Armadura.................................................................................................. 175
Gel Hidrófobo........................................................................................... 176
Tight Buffer............................................................................................... 177
Loose Tube .............................................................................................. 179
Tipos de Cables y Características ........................................................... 181
Estándar de Código de Colores TIA-598................................................. 195
Empalmes por Fusión en Fibra Óptica ........................................................ 202
Errores Comunes en Empalmes por Fusión ............................................ 214
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
5
Cortador de Precisión: Su influencia en la fusión.................................... 224
Tecnologías de Empalmes por Fusión .................................................... 226
Conectorización en Fibra Óptica................................................................. 230
Anatomía de un conector: Componentes básicos .................................. 231
Tipos de Conectores ............................................................................... 232
Rendimiento de Conectores según TIA 568 3-D y TIA 758..................... 239
Valores máximos de reflectancia y pérdida por inserción según UIT-T
G.671 ....................................................................................................... 240
Telcordia GR-326: Parámetros clave de para un contacto óptimo de fibra
................................................................................................................. 241
Tipos de Pulido........................................................................................ 245
Conectores Epóxico Pulido ..................................................................... 247
Conectores Prepulidos ............................................................................ 249
Código de colores para los conectores .................................................. 250
Inspección de conectores IEC 61300-3-35............................................. 251
Transmisión y Recepción en Fibra Óptica .................................................. 259
Conversor de Medios .............................................................................. 259
Transmisor............................................................................................... 263
Receptor .................................................................................................. 269
Instalación de Fibra Óptica ......................................................................... 273
Tipos de Instalación de cable de fibra óptica.......................................... 273
Topologías de fibra óptica....................................................................... 277
Cables reconocidos en Planta Interna por TIA-568.3-D.......................... 280
Inflamabilidad - Calificación de cables.................................................... 283
Tipos de Fibra y Clasificación.................................................................. 285
Rodolfo Veloz Pérez
6
Uniones y Puesta a Tierra ........................................................................ 287
Recepción de cableado y equipo de fibra óptica en el sitio.................... 289
Manipulación de cables de fibra óptica................................................... 291
Seguridad................................................................................................. 293
Hardware Utilizado en la Instalación........................................................ 298
Montajes de conductos según NEC ........................................................ 304
Canalizaciones de Fibra Óptica ............................................................... 308
Limpieza................................................................................................... 310
Pautas de instalación............................................................................... 312
Tensión del Cable .................................................................................... 313
Radio de Curvatura .................................................................................. 316
Evitar el torcimiento del cable.................................................................. 317
Uso de amarras en los cables.................................................................. 318
Equipos de Prueba y Enlace en Fibra Óptica.............................................. 319
VISUAL FAULT LOCATOR....................................................................... 321
MICROSCOPIO........................................................................................ 323
LSPM........................................................................................................ 329
OLTS ........................................................................................................ 331
OTDR........................................................................................................ 347
Ventajas de los Sistemas de Fibra Óptica................................................... 358
Abundancia de Materia Prima.................................................................. 358
Inmunidad al Ruido .................................................................................. 359
Capacidad en Distancia........................................................................... 359
Ancho de Banda ...................................................................................... 360
Relación tamaño y peso........................................................................... 361
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
7
Confiabilidad y Seguridad de la Red ....................................................... 363
Escalabilidad Tecnológica....................................................................... 363
Desventajas de la fibra óptica ................................................................. 364
CURSO COMPLETO FIBRA OPTICA MULTIMODO.pdf
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
9
Introducción
¡Hola estimado alumno!
Si estás leyendo este Manual, es porque ya te has matriculado en nuestro
curso conducente a la Certificación de Fibra Óptica “CERTIFIED FIBER OPTIC
INSTALLER”, Certificado por Electronic Technician Association International
de Estados Unidos. Con nuestros colegas especialistas, con quienes llevamos
años impartiendo cursos de formación para Técnicos e Ingenieros que se
desempeñan en el campo de las Telecomunicaciones, hemos entendido el
como realizar de manera exitosa la formación que pueda encaminarte a una
Certificación Internacional que, de un impulso a tu carrera, y ya estás
matriculado en este modelo. Este, espero, sea el paso que esperabas, y que
no tan solo te ayude a obtener la distinción que quizás esperabas dada tu
experiencia en el campo, sino que además puedas actualizarte y aprender
algo más con nosotros.
La tecnología de fibra óptica es tremendamente interesante. Desarrollada en
los años 60 para las comunicaciones ópticas, recién en el cono sur se están
haciendo los despliegues de fibra óptica hasta la casa (FTTH/FTTB), donde la
penetración de internet de banda ancha por ejemplo en Chile, no supera el
10%, y hasta hace unos años, incluso no superaba el 5%. Según información
del FTTH Council de febrero de 2018, los países que están más avanzados,
como Emiratos Árabes Unidos, Qatar, Singapur, ya están superando el 90%.
Me ha tocado ver que la formación de los técnicos e Ingenieros aún está en
su etapa temprana, y eso representa una dificultad de crecimiento país,
porque no permite grandes despliegues de redes a la velocidad que la
tecnología lo necesita. Sin embargo, representa una tremenda oportunidad
para quienes ya están iniciando sus procesos de formación y actualización en
el mundo de la Fibra Óptica a través de la capacitación o certificación. Los
altos costos de los instrumentos, herramientas y la falta de especialistas hace
que incluso Institutos y Universidades no puedan tener las herramientas
suficientes para formar profesionales y técnicos, y nos deja al debe con la
tecnología y el conocimiento. La Subsecretaría de Telecomunicaciones lo
Rodolfo Veloz Pérez
10
descubrió hace un tiempo cuando desplegó la promoción de su proyecto
“Fibra Óptica Austral” en Chile, y coincidió con lo que me ha tocado
experimentar en los años que llevo realizando formación a académicos de
Institutos y Universidades. Hoy, los primeros que lleguen bien formados,
actualizados, tendrán muy buenas oportunidades laborales al menos por los
próximos 20 años.
La presente guía que tienes en tus manos, ha sido desarrollada sobre la base
de mi Libro que fue desarrollado durante todo el año 2018, luego de la
experiencia de impartir cursos de formación en Fibra Óptica para más de 1200
alumnos, con el fin de entregar material de apoyo a los programas de
formación que he ido desarrollando durante mi carrera, los cuales se
encuentran sustentados por Certificaciones Internacionales de carácter
neutral. Así, el presente Manual es un extracto orientado a apoyar con la
lectura las presentaciones del curso, esperando ayudarte a encaminar tu ruta
hacia la certificación, y esperando por supuesto que quieras continuar con
nosotros, Brainamics Instituto de Tecnología Aplicada, estudiando las
Certificaciones Internacionales de Fibra Óptica que le darán un impulso a tu
carrera, certificaciones que antes eran impartidas en idioma inglés por
organizaciones profesionales de Estados Unidos, y hoy ya las tienes
disponibles en idioma español para el mercado latinoamericano de nuestra
mano, a tu alcance.
Espero que este Manual sea de apoyo en tu formación, y te sirva de consulta
a futuro. Y por supuesto, espero que puedas tener pronto mi libro
“Comunicaciones de Fibra Óptica – Guía de Estudios Técnicos” en tus manos.
Ing. Rodolfo Veloz.
Santiago de Chile, Mayo 2019.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
11
Acerca del Autor
Rodolfo Veloz es Ingeniero Electrónico con mención en Telecomunicaciones,
Diplomado en Administración de Empresas y Magister en Administración de
Empresas. Está certificado como Instructor en Fibra Óptica y Tecnologías de
la Información por Electronic Technician Association International de Estados
Unidos, bajo la denominación de Certification Administrator, e Instructor de
Tecnologías de Fibra Óptica por The Fiber Optic Association de Estados
Unidos con la Certificación “Certified Fiber Optic Specialist - Instructor”
CFOS/I, contando además con las calificaciones de CFOT, CPCT y QUAL/H
(para el FTTH). Además, cuenta con las certificaciones CCTT con el nivel de
Instructor por Fluke Networks Academy y UCT - Ubiquiti Certified Trainer de
Ubiquiti Networks Academy. Recibió entrenamiento en fibra óptica en China,
en las ciudades de Beijing y Wuhan, en China, donde se encuentra el Optics
Valley.
Es actualmente CEO de Brainamics y Fundador del Instituto de Tecnología
Aplicada, y en su trayectoria profesional se ha desempeñado en el mercado
técnico y tecnológico como Product Manager, Jefe de Ventas, Gerente
Rodolfo Veloz Pérez
12
Comercial y Gerente General, donde para mejorar el rendimiento tanto del
personal comercial, técnico, y las brechas tecnológicas de los productos y
sus principales usuarios e integradores, desarrolló programas de formación.
De esta forma, conformó junto a sus colaboradores un Centro de
Entrenamiento Tecnológico donde formó profesionales de Chile y países
como Perú, Bolivia, Colombia, Panamá y Venezuela. Rodolfo Veloz
estandarizó los programas a los niveles de los principales cursos de
certificación de habla inglesa, y así desarrolló todos los programas de
formación académica junto a sus contenidos teóricos y prácticos. Hoy, el
Instituto de Tecnología Aplicada cuenta con los estándares internacionales
habiéndose obtenido las acreditaciones de Instituciones internacionales y sus
respectivas certificaciones, lo que permite que sus alumnos obtengan
certificaciones neutrales - no vinculantes a marcas, sino con foco en la
tecnología y sus estándares - de validez internacional de alto prestigio. De
manera incansable, Rodolfo Veloz también formó parte como expositor del
primer Seminario de Fibra Óptica en Chile organizado por la Subsecretaría de
Telecomunicaciones del Gobierno de Chile, siendo invitado como parte del
panel de expertos donde se expuso la tecnología de fibra óptica a raíz del
proyecto de Fibra Óptica Austral.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
13
Renuncia de Responsabilidad
La información presentada en este Manual está destinada a usarse como
pautas básicas para los cursos impartidos por nuestro Instituto, o para apoyar
clases o formación de quienes consideren nuestro material formativo
apropiado para ello, y de ninguna manera debe considerarse como
información completa o exhaustiva. Estas pautas básicas son estrictamente
opiniones y recopilaciones de material de estudio de consideración del autor
y se espera que el lector las utilice como una base para el aprendizaje, como
referencia, y que a partir de allí cree su propia documentación,
especificaciones para sus proyectos, pautas de instalación, entre otros. Se
debe recordar que el uso de fibra óptica en laboratorio o en campo requiere
medidas de seguridad, por lo que es estricta responsabilidad del profesor o
instructor a cargo establecer las normas de seguridad y exigir que se cumplan
cuidadosamente, así como de quien utilice el libro de forma autodidacta.
Brainamics y el autor no asumen ninguna responsabilidad por el uso
inapropiado de este material de estudio.
Rodolfo Veloz Pérez
14
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
15
Historia de la Fibra Óptica
La fibra óptica es un filamento de vidrio que se construye a partir de una barra
llamada preformado, que se lleva a hornos de 2400ºC y que se va formando
por gravedad, y de manera controlada se logra su composición óptica
geométrica. Cada filamento de fibra óptica está compuesto por un núcleo, un
revestimiento, y un recubrimiento, uno adentro del otro. El núcleo y el
revestimiento son de silicio y de diferente índice de refracción, lo que permite
que la luz que se transmite, sea guiada por el núcleo a través de sucesivas
reflexiones totales internas. La fibra óptica en algunos casos puede ser de
RODOLFO VELOZ EN EL OPTICS VALLEY, CHINA, FRENTE AL EL HORNO DONDE EL
REFORMADO COMIENZA SU PROCESO DE TRANSFORMACIÓN AL FILAMENTO DE FIBRA
ÓPTICA
Rodolfo Veloz Pérez
16
plástico. Estos filamentos, si bien son flexibles, son frágiles, y se pueden
cortar con solo doblarlos.
A través de la fibra óptica viajan todo tipo de datos en forma de luz a gran
velocidad, permitiéndole recorrer grandes distancias en instantes y con una
baja atenuación en comparación con el cobre. Para hacer más fácil la
instalación, se juntan varios filamentos en el interior de un cable con diferentes
estructuras, para hacerla más resistente y duradera, acorde al medio en el
cual se va a instalar. Así, por ejemplo, la estructura mecánica que resguarda
a los filamentos de fibra óptica es lo que se llama “cable de fibra óptica”. Estos
cables se instalan conformando redes que llegan hasta muchos puntos, desde
redes LAN, MAN, WAN, y han reemplazado con el tiempo a los principales
medios de comunicación existente, como los enlaces de cobre, microondas,
satelitales, entre otros.
LA FIBRA ÓPTICA UNA VEZ FINALIZADO SU PROCESO, QUEDA CON UN RECUBRIMIENTO
PRIMARIO DE 250 MICRÓMETROS PARA PODER SER BOBINADA Y DESTINADA A LOS
FABRICANTES DE CABLES
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
17
Las primeras teorías de la luz
Para entender la física moderna es necesario entender la luz. Recuerdo que
mi primer profesor de Física en la Universidad preguntó precisamente el
primer día de clases, si sabíamos algo de física, o si podíamos darle algunos
conceptos de física. Todos los conceptos que fuimos dando los fue anotando
uno a uno en la pizarra. En ese momento, cuando finalizó el bombardeo de
conceptos de todos los presentes en la sala, comenzó a interrelacionarlos, y
luego explicó que todos se resumían en un solo concepto físico: Luz.
La luz, es un fenómeno cuántico y es necesariamente relativista. Viaja a la en
el vacío a 3 x 108
[m/s], y clásicamente se describe por una onda dada sus
propiedades de propagación observadas por los diferentes científicos que
contribuyeron a su actual definición y conocimiento de su naturaleza, pero a
su vez, tiene propiedades similares a partículas dada sus características en el
mundo cuántico.
LA LUZ Y SU DESCOMPOSICIÓN EN DISTINTAS LONGITUDES DE ONDA A PARTIR DE LA LUZ
BLANCA.
Rodolfo Veloz Pérez
18
Los antiguos griegos tuvieron concepciones de la luz muy interesantes, y
estos estaban relacionadas respecto de la observación, la visión. Empédocles
dijo que rayos de luz emanan de los ojos y devuelven información.
Empédocles, postuló que la visión se produce por el choque de los rayos de
luz que emiten nuestros ojos y los rayos de otra fuente de luz, como el sol, en
el objeto que observamos. Demócrito consideraba que la luz tenía una
naturaleza corpuscular, y que la visión estaba causada por la proyección de
las partículas que provienen de los objetos mismos y finalmente el alma
interpretaba lo que habían captado los ojos. Aristóteles planteó que la luz es
EL EXTRAÑO COMPORTAMIENTO CUÁNTICO DE LA LUZ, CAPTURADO EN UN LABORATORIO.
MUESTRA LA LUZ ATRAPADA DENTRO DE UN CABLE PLATEADO DE 40 NANÓMETROS DE
ANCHO.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
19
la actividad de lo que es transparente, proponiendo que la luz es una forma,
no una sustancia o materia.
EMPEDOCLES
Rodolfo Veloz Pérez
20
Teoría Corpuscular de la Luz
A fines de la década de 1600 dos extraordinarios científicos de la época
propusieron teorías aparentemente contrapuestas de lo que es la luz.
La luz está compuesta de
partículas. Esta teoría fue
publicada por Isaac Newton
en su obra llamada Opticks:
or, a treatise of the
reflexions, refractions,
inflexions and colours of
light (Óptica o tratado de las
reflexiones, refracciones,
inflexiones y colores de la luz).
Esta teoría lograba explicar
tanto la propagación rectilínea
de la luz como la reflexión de
la luz, aunque no explicaba
satisfactoriamente la
refracción.
En 1666, previamente a
enunciar su teoría, Newton
había realizado su
famoso experimento de
descomposición de la luz en
colores, lo cual se lograba al
hacer que un haz de luz
atravesara un prisma.
La conclusión a la que llegó
fue que la luz blanca está
compuesta por el conjunto de
los colores del arco iris, lo que en su modelo explicaba diciendo que los
corpúsculos de la luz eran diferentes en función de su color.
ÓPTICA O TRATADO DE LAS REFLEXIONES,
REFRACCIONES, INFLEXIONES Y COLORES DE LA LUZ,
EL TRATADO DE ISAAC NEWTON.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
21
Reflexión
La reflexión es el fenómeno
óptico por el cual cuando una
onda (por ejemplo, la luz)
incide oblicuamente sobre la
superficie de separación entre
dos medios, experimenta un
cambio de dirección y es
devuelta al primero junto con
una parte de la energía del
movimiento.
De esta manera, los
corpúsculos chocarían de
forma elástica con la
superficie de separación de
los dos medios, y dado que la
diferencia de masas era muy
grande, los corpúsculos
rebotarían. Así, la componente
horizontal de la cantidad de
movimiento px se mantendría
constante, mientras que la
componente normal py
invertiría su sentido.
Se cumplían así las leyes de la
reflexión, siendo el ángulo de incidencia y el de reflexión iguales.
NEWTON Y SUS EXPERIMENTOS CON LA LUZ
Rodolfo Veloz Pérez
22
Refracción
La refracción es el fenómeno que se produce cuando una onda (por ejemplo,
la luz) incide oblicuamente sobre el espacio de separación entre dos medios,
con distinto índice de refracción. Cuando esto ocurre, la onda penetra y se
transmite por el segundo de medio junto con una parte de la energía del
movimiento. La refracción tiene lugar debido a la distinta velocidad a la que
se propaga la onda en los dos medios.
Para explicar la refracción, Isaac Newton propuso que las partículas
luminosas incrementan su velocidad al pasar de un medio menos denso a otro
más denso.
De este modo, en el marco de su teoría corpuscular justificó la refracción
suponiendo una atracción más intensa de las partículas luminosas por parte
del medio con más densidad.
Sin embargo, se debe considerar que, según su teoría, en el instante en el que
una partícula luminosa procedente del aire incide sobre el agua o un vidrio,
esta debería sufrir una fuerza opuesta al componente de su velocidad
perpendicular a la superficie, lo cual conllevaría una desviación de la luz
contraria a la realmente observada.
Sin embargo, existían debilidades o fallas en la teoría corpuscular de la luz.
Se planteó que la luz viaja más rápido en los medios más densos que en los
medios menos densos, lo cual se terminó comprobando que no es así.
También, la idea de que los diferentes colores de la luz tienen relación con el
tamaño de los corpúsculos no tiene ninguna justificación. Además, Newton
pensaba que la reflexión de la luz se debía a la repulsión entre los corpúsculos
y la superficie en la que se refleja; mientras que la refracción está causada por
la atracción entre los corpúsculos y la superficie que los refracta. Sin embargo,
esta afirmación se comprobó incorrecta, ya que por ejemplo, los cristales
reflejan y refractan la luz al mismo tiempo, lo cual según la teoría corpuscular
de la luz implicaría que existiera atracción y repulsión de la luz al mismo
tiempo. Por otra parte, la teoría corpuscular no puede explicar los fenómenos
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
23
de difracción, interferencia y polarización de la luz. Así, se define la Teoría de
Newton como una teoría de la luz incompleta, pero que significo un importante
paso en el entendimiento de la verdadera naturaleza de la luz. No obstante, el
ser incompleta o errónea en ciertos puntos bajo ninguna circunstancia le resta
valor y por lo tanto la mencionamos como uno de los pilares fundamentales
sobre los que se fue construyendo el conocimiento futuro sobre la luz.
LA ÓPTICA DE NEWTON. ILUSTRACIONES EN COLOR DEL FÍSICO INGLES ISAAC NEWTON
REALIZANDO SU FAMOSO EXPERIMENTO SOBRE LA LUZ.
Rodolfo Veloz Pérez
24
Teoría Ondulatoria de la Luz
La luz es un fenómeno de onda. Esta opinión fue presentada por primera
vez por Christiaan Huygens aproximadamente al mismo tiempo que Newton.
Algunos aspectos de la luz fueron explicados por esta teoría, aunque faltaba
una teoría matemática
rigurosa.
Christiaan Huygens fue
astrónomo, físico,
matemático y científico. En
1660, demostró que las leyes
de la óptica podían
explicarse basándose en la
suposición de que la luz tenia
naturaleza ondulatoria. En
1678, Christian Huygens
formuló su teoría ondulatoria
de la luz, que
posteriormente, en 1690,
publicaría en su obra
"Treatise on light” o “Traite
de la Lumiere”.
Postuló, que la luz se
propagaba en un material de
gran elasticidad, impalpable
que todo lo invade, y le llamó
éter, que según se creía
difundía y producía la
sensación de luz al colisionar
con el ojo.
Propuso entonces, que la luz era emitida en todas las direcciones como un
conjunto de ondas que se desplazaban por el éter. Dado que las ondas no se
“TRATADO DE LA LUZ” DE CHRISTIAAN HUYGENS
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
25
ven afectadas por la gravedad,
asumió la velocidad de las
ondas se reducía cuando
entraban en un medio más
denso.
Su modelo resultó
particularmente útil para
explicar la ley de Snell-
Descartes sobre la reflexión y la
refracción. También explicaba
satisfactoriamente el fenómeno
de la difracción, fenómenos que
no eran explicados por la teoría
de Newton.
Reflexión
La reflexión es un fenómeno
óptico que tiene lugar cuando
una onda incide de forma
oblicua sobre una superficie de
separación entre dos medios y
sufre un cambio de dirección,
siendo devuelta al primer medio
junto con parte de la energía del
movimiento.
El principio de Huygens permite demostrar las leyes de la reflexión. Se
comprueba que cuando una onda alcanza la separación de los medios, cada
punto se convierte en un nuevo foco emisor emitiendo ondas secundarias. El
frente de ondas reflejado es la envolvente de las ondas secundarias. El ángulo
de este frente secundario de ondas reflejado es exactamente el mismo que el
ángulo incidente.
CHRISTIAAN HUYGENS POR CASPAR NETSCHER,
PINTOR BARROCO HOLANDES, ESPECIALIZADO
EN PINTURA DE GABINETE Y RETRATOS (1671).
Rodolfo Veloz Pérez
26
Refracción
Sin embargo, la refracción es el fenómeno que tiene lugar cuando una onda
incide oblicuamente sobre un espacio de separación entre dos medios, que
tienen índice de refracción diferente. Cuando esto sucede, la onda penetra y
se transmite por el segundo de medio junto con parte de la energía del
movimiento. La refracción sucede como consecuencia de la diferente
velocidad con la que se propagan las ondas en los distintos medios. Un
ejemplo típico del fenómeno de refracción se puede observar cuando se
introduce parcialmente un objeto en un vaso con agua.
El principio de Huygens proporcionó una explicación convincente sobre la
refracción. Los puntos en el frente de onda situados en el límite entre los dos
medios actúan como nuevas fuentes de propagación de la luz y de este modo
la dirección de propagación cambie.
Difracción
La difracción es un fenómeno físico característico de las ondas que consiste
en la desviación de las ondas cuando encuentran un obstáculo en su camino
DIFRACCIÓN DE LA LUZ
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
27
o atraviesan una rendija. La difracción se produce únicamente cuando la onda
se distorsiona por causa de un obstáculo cuyas dimensiones son
comparables a su longitud de onda.
La teoría de Huygens explica que cuando la luz incide sobre una rendija todos
los puntos de su plano se convierten en fuentes secundarias de ondas
emitiendo, como ya ha explicado anteriormente, nuevas ondas que en este
caso reciben el nombre de ondas difractadas.
El principio de Huygens dejaba una serie de preguntas sin respuesta. Su
afirmación de que cada punto de un frente de onda era a su vez una fuente
de una nueva onda, no permitía explicar por qué la luz se propaga tanto hacia
atrás como hacia adelante. Igualmente, la explicación del concepto de éter no
resultaba enteramente satisfactoria.
Pese a ser capaz de responder más interrogantes de la luz que la teoría
corpuscular de Newton, la teoría ondulatoria de Huygens no fue aceptada por
los científicos de su época, salvo contadas excepciones.
El enorme prestigio de Newton y el gran éxito que alcanzó su mecánica
junto con los problemas para entender el concepto del éter, hicieron que la
mayoría de los científicos contemporáneos a ambos se decantaran por la
teoría corpuscular del físico inglés.
En el período comprendido entre 1700 y aproximadamente 1860, hubo un
debate sobre cuál era la opinión correcta. Muchos experimentos fueron
realizados para tratar de resolver la disputa. Sin embargo, la mayoría de estos
podrían explicarse por cualquiera de las vistas (aunque a veces con algunas
consecuencias bastante extrañas).
CURSO COMPLETO FIBRA OPTICA MULTIMODO.pdf
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
29
Modelo ondulatorio de Thomas Young
No fue hasta el siglo XIX cuando se recuperó el modelo ondulatorio. Fue
fundamentalmente gracias al aporte de Thomas Young quien logró explicar
todos los fenómenos de la luz partiendo de la base de que la luz es una onda
longitudinal.
En 1801 realizó su famoso experimento de la doble rendija. Con este
experimento Young comprobó un patrón de interferencias en la luz
procedente de una fuente luminosa lejana cuando se difracta tras atravesar
dos rendijas.
Del mismo modo, Young también explicó mediante el modelo ondulatorio la
dispersión de luz blanca en los diferentes colores del arco iris. Demostró que
en cada medio cada uno de colores que componen la luz posee una
frecuencia y una longitud de onda características.
THIOMAS YOUNG
Rodolfo Veloz Pérez
30
De esta forma, gracias a este experimento demostró la naturaleza ondulatoria
de la luz.
En este experimento se deja pasar la luz por dos ranuras muy próximas entre
sí. El patrón resultante de alternar bandas claras y oscuras resulta de la
interferencia. Este experimento es extremadamente difícil (si no imposible) de
explicar con una vista de partículas de la luz. Sin embargo, Young no era un
científico influyente y, por lo tanto, su experimento no tuvo el impacto
inmediato que debería tener.
Curiosamente, con el tiempo este experimento se demostró clave para
demostrar la dualidad onda corpúsculo de la luz, una característica
fundamental de la mecánica cuántica. Este experimento ahora se realiza
fácilmente con un puntero láser y cortes apropiados. Este fue el experimento
clave para comprender la dualidad de la luz en mecánica cuántica.
EXPERIMENTO DE LA RENDIJA, QUE FUE UTILIZADO POR THOMAS YOUNG PARA
DEMOSTRAR QUE LA LUZ ES UNA ONDA. HOY, EXPLICA LOS FENÓMENOS DE LA DUALIDAD
DE LA LUZ EN MECÁNICA CUÁNTICA.
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En 1818 se hace el experimento
del punto de Poisson. La
Academia Francesa decidió
acoger un desafío, ya que los
miembros de la Academia, al
igual que los científicos de todo
el mundo, notaron en aquel
entonces que la luz cuando
viajaba de un medio a otro, se
curva en medios cristalinos
cambiando su dirección. Era
factible medir la curvatura de la
luz, pero era un misterio que
provocaba la curvatura, lo que
lógicamente estaba asociado a
su naturaleza, partículas u
ondas.
Augustin Fresnel, había estudiado los efectos de la luz, y planteó que la luz
emitía ondas perpendiculares a la dirección en la que viajaba. Su idea causó
un gran revuelo. Siméon Poisson, creía que la luz viajaba como una serie de
partículas, todas con complicadas interacciones entre sí. Poisson, Fresnel y
otros científicos se reunieron y tuvieron una entusiasta serie de debates
relacionados con la naturaleza de la luz y los efectos observables en su viaje
a través de varios medios.
Poisson quiso acabar definitivamente con la teoría de Fresnel. Razonó que si
la luz era realmente una onda, entonces cuando esta chocara contra una
esfera perfecta, las ondas de luz se curvarían a los lados del objetos. La
simetría perfecta de una esfera implicaría que todas las ondas de luz se
encontrarían en el centro exacto de la sombra que se forma detrás de ella. Allí,
la gente sería capaz de ver un punto brillante de luz. Claramente, esto era
absurdo en la teoría corpuscular. Francoise Arago, uno de los jueces de la
Academia Francesa se dio cuenta de que Poisson había descrito el
experimento perfecto para comprobar la teoría. Encontró un objeto redondo,
también la luz que permitiría hacer el experimento, y muy pronto, encontró el
EL PUNTO DE POISSON
Rodolfo Veloz Pérez
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punto, que fue justo donde Siméon Poisson dijo que sería. Aunque Francoise
Arago realizó la prueba, el pequeño punto de luz en el centro de la sombra se
llama “Punto de Poisson”
En 1849 se hacen mediciones
de la velocidad de la luz. La
primera medición terrestre fue
realizada por H. Fizeau. Fizeau
calculó que la velocidad de la luz
era de 313,300 [km/s], que
estaba dentro del 5% del valor
correcto. Fizeau publicó los
primeros resultados obtenidos
por su método para determinar
la velocidad de la luz en 1849.
Fizeau hizo la primera
sugerencia en 1864 de que la
"velocidad de una onda de luz
se usara como estándar de
longitud”, lo que hoy es una
realidad para el metro.
Previamente en el año 1676
fueron examinadas las órbita de
las lunas de Júpiter para el
cálculo de la velocidad de la luz
por O. Romer. En 1850, se hace
la medición de la velocidad de la
luz en el agua en comparación
con el aire. Como datos a considerar:
• La teoría de las ondas predice un viaje más lento a través del agua
• La teoría de las partículas predice un viaje más rápido
HYPPOLYTE FIZEAU, EL PRIMERO EN MEDIR LA
VELOCIDAD DE LA LUZ.
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El resultado demostró que la luz viajaba más lento en el agua, de alguna forma
confirmando la teoría ondulatoria de la luz.
EXPERIMENTO DE FIZEAU PARA ESTUDIAR LA VELOCIDAD DE LA LUZ. DE ACUERDO CON
LAS TEORÍAS QUE PREVALECÍAN EN ESE MOMENTO, LA LUZ QUE VIAJABA A TRAVES DE
UN MEDIO MÓVIL SERÍA ARRASTRADA POR EL MEDIO, DE MODO QUE LA VELOCIDAD
MEDIDA DE LA LUZ SERÍA UNA SUMA SIMPLE DE SU VELOCIDAD A TRAVES DEL MEDIO
MÁS LA VELOCIDAD DEL MEDIO.
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Ecuaciones de Maxwell y Ondas
Electromagnéticas
A mediados del siglo XIX, Michael Faraday realizó muchos experimentos
innovadores en el área de la electricidad y el magnetismo.
Faraday creía que había una conexión íntima entre la electricidad y el
magnetismo y sus experimentos lo corroboraban. También creía que la luz
estaba relacionada. Su experimento que muestra que la polarización de la luz
que pasa a través del cuarzo era cambiada por la presencia de un campo
magnético fuerte, hoy llamado rotación de Faraday, lo convenció de que
estaba en el camino correcto. Sin embargo, Faraday no era un teórico
experimentado y podía desarrollar una teoría para promover su convicción.
En la década de 1860, otro
científico británico, James Clerk
Maxwell, tomó la causa de
Faraday.
Maxwell fue un experimentado
teórico, reconocido como uno de
los mejores físicos de la historia, y
desarrolló la teoría matemática en
uno de los pilares de la física
moderna. La teoría de Maxwell
sobre el electromagnetismo fue
rápidamente considerada como
un gran avance en el
conocimiento humano.
En su teoría, unificó formalmente
los fenómenos eléctricos y
magnéticos y en el proceso
propuso un nuevo fenómeno, las
ondas electromagnéticas. Las
matemáticas estipularon que estas ondas viajan a una velocidad de
JAMES CLERK MAXWELL
Rodolfo Veloz Pérez
36
aproximadamente 3x108
[m/s], muy cercana al valor de la velocidad de
propagación de la luz en el vacío. Supuso que esta nueva entidad era en
realidad luz. Su idea fue verificada experimentalmente unos 20 años después.
La teoría de Maxwell unificó no solo los fenómenos eléctricos y magnéticos,
sino también la óptica. Más tarde se entendió que otros fenómenos, ondas de
radio, rayos X, rayos gamma, microondas, radiación infrarroja y ultravioleta
eran ondas electromagnéticas.
El trabajo de Maxwell fue
inmediatamente aclamado
como un éxito y ha resistido la
prueba del tiempo al no ser
modificado en los 150 años de
su existencia. En su teoría, los
elementos en ciernes de la
relatividad especial fueron
incorporados, es decir, la teoría
de Maxwell es una teoría
relativista especial de la
radiación electromagnética.
Aunque la teoría cuántica
posterior cambiaría la vista de la
luz, las ecuaciones de Maxwell
siguen siendo válidas dentro de
ella.
Ahora es el momento de discutir de la manera más simple posible lo que dice
la teoría de Maxwell.
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Comprendiendo las Ecuaciones de Maxwell
Las relaciones centrales en la teoría electromagnética de Maxwell son sus
cuatro ecuaciones de Maxwell. No explicaremos su forma matemática, sino
que simplemente describiremos con palabras lo que significan. Estas
ecuaciones eran en su mayoría conocidas antes de Maxwell, pero él las
combinó en una sola teoría.
Ley de Gauss. Esta fórmula esencialmente le dice cómo encontrar el campo
eléctrico en una región donde hay una carga eléctrica neta, “Las cargas
eléctricas producen campos eléctricos”.
No hay monopolos magnéticos. Esto es idéntico al anterior, pero con campos
magnéticos y la relación es igual a cero, “No hay fuentes puntuales de campos
magnéticos, es decir, no hay cargas magnéticas”.
Ley de Faraday. El trabajo anterior de Faraday había encontrado que un
campo magnético que cambia el tiempo puede crear un campo eléctrico.
Esto significa que la inducción electromagnética, no necesariamente necesita
cargas eléctricas puntuales para crear un campo eléctrico.
Ley de Ampere. Hay dos partes en esta ecuación. La primera parte es un
análogo de la ley de Gauss y establece que un campo magnético es creado
por corrientes eléctricas, vale decir, cargas eléctricas en movimiento. Lo que
Maxwell agregó, basado en la simetría, es otro término que establece que un
campo eléctrico cambiante puede crear un campo magnético, al igual que
la ley de Faraday.
El descubrimiento importante que hizo Maxwell involucró la combinación de
las dos últimas ecuaciones cuando no hay cargas eléctricas o corrientes
presentes, vale decir, no estamos en presencia de una fuente. Vio que había
un posible fenómeno de autosuficiencia que se deriva de un proceso básico
y perpétuo: Cambio del campo eléctrico implica un Cambio del campo
magnético.
Rodolfo Veloz Pérez
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Además, la relación matemática que surge de la combinación de las leyes
de Faraday y Ampere toma la forma de un fenómeno de onda.
Maxwell reconoció esto y llamó a
esta entidad “onda
electromagnética”. A partir de la
ecuación de onda matemática,
pudo determinar qué tan rápido
viajaría tal onda. Resultó estar
muy cerca de la velocidad de la
luz.
Aunque su descubrimiento no
tuvo una verificación experimental
inmediata, la belleza de la idea
condujo a su rápida aceptación
por parte de la comunidad
científica. Tomó otros veinte años
para la confirmación
experimental de Heinrich Hertz.
HEINRICH HERTZ, QUIEN CONFIRMA
EXPERIMENTALMENTE LA EXISTENCIA DE LAS
ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS PREDICHAS
POR MAXWELL.
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Efecto Fotoeléctrico, Mecánica Cuántica y la
masa de la luz
A fines de la década de 1800, Thomas Alba Edison anotó en su cuaderno de
laboratorio que un tipo particular de metal cuando se expone a luz ultravioleta
emite electrones. En 1902, este efecto se examinó cuidadosamente y se
observó que la teoría de Maxwell no podía explicar algunas de sus
características clave.
Una de las características, es que, si se emiten electrones, lo harán
inmediatamente después de que se encienda la luz. La energía de los
electrones que emanan es directamente proporcional a la longitud de onda de
la luz. El problema es que, si se usa una fuente de luz débil, la onda de luz se
EFECTO FOTOELECTRICO. (UNIVERSIDAD TECNICA DE VIENA)
Rodolfo Veloz Pérez
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propaga en todas direcciones, es decir, la energía de la luz se distribuye sobre
una esfera grande en constante crecimiento. Si la placa de metal es bastante
pequeña, la cantidad de luz que llega será una porción muy pequeña de toda
la onda esférica. Por lo tanto, poca energía será entregada a la placa. Sin
embargo, se puede observar en ocasiones que casi inmediatamente después
de encender la luz se emite un electrón. La teoría de Maxwell no puede
entregar una cantidad suficiente de energía a la placa para patear al electrón
en este caso.
Otra de las características, es que si se usa una luz de longitud de onda larga,
no se emiten electrones sin importar cuán intensa sea la fuente. En la teoría
de Maxwell, la potencia emitida por la onda de luz es proporcional a la
amplitud o intensidad de la onda. Por lo tanto, para entregar energía suficiente
al electrón, todo lo que uno haría es aumentar la intensidad. Sin embargo, el
experimento revela que la intensidad no tiene en cuenta el problema, sino que
es la longitud de onda o frecuencia lo que importa. Sin embargo, una fuente
de rayos X muy débil, con baja amplitud, expulsará electrones. La teoría de
Maxwell no puede explicar estos resultados.
LA FRECUENCIA DE LA LUZ ROJA (IZQUIERDA) ES MENOR QUE LA FRECUENCIA DE UMBRAL
DE ESTE METAL, POR LO QUE NO SE EXPULSAN ELECTRONES. LA LUZ VERDE (CENTRO) Y LA
LUZ AZUL (DERECHA) TIENEN FRECUENCIA MAYOR, POR LO QUE AMBOS PROVOCAN LA
FOTOEMISIÓN. LA LUZ AZUL DE MAYOR ENERGÍA EXPULSA ELECTRONES CON MAYOR
ENERGÍA CINETICA EN COMPARACIÓN CON LA LUZ VERDE.
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Einstein y el Efecto Fotoeléctrico
En 1905, Einstein propuso que,
para explicar los resultados del
efecto fotoeléctrico, se debe
pensar que la luz está compuesta
de partículas.
Sobre la base de la teoría de la
radiación de cuerpos negros de
Max Planck, Einstein propuso que
la energía de radiación no se
distribuye de forma continua
sobre el frente de onda, sino que
se localiza en pequeños haces,
que más tarde serían llamados
fotones. La energía del fotón
estaría asociada con su
frecuencia, a través de una
constante de proporcionalidad
conocida como constante de
Planck, o alternativamente,
utilizando la longitud de onda y la velocidad de la luz.
ALBERT EINSTEIN
Rodolfo Veloz Pérez
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Aparece, en la definición de la partícula, el concepto del “Fotón”. Con esta
propuesta de Einstein, se pueden explicar todas las propiedades del efecto
fotoeléctrico. Por este resultado, Einstein ganó el Premio Nobel en 1922.
Einstein, vuelve a los inicios propuestos por la teoría corpuscular de la luz de
Newton, que lo experimenta desde su visión de mecánica clásica, pero lo
vuelve basado en la Mecánica cuántica. ¿Cómo puede ser esto?
Un experimento en 1909 por G.I. Taylor hizo evidente esta extraña naturaleza.
Esencialmente realizó un experimento de doble rendija, pero envió solo un
fotón a la vez. ¿Qué es lo que vio? El patrón de interferencia familiar, los
resultados de interferencia discutidos anteriormente y que fueron explicados
por Thomas Young. El experimento de la doble rendija, no se puede explicar
mediante una vista de partículas de la luz, sino que necesitamos poder
abarcar ambas vistas para explicar este experimento, una vista de onda para
EINSTEIN RECIBE EL PREMIO NOBEL POR SU DESCUBRIMIENTO EN EL EFECTO
FOTOELECTRICO.
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obtener el patrón de interferencia y también una vista de partículas para
explicar la apariencia de los electrones.
RESULTADO DEL EXPERIMENTO DE LA DOBLE RENDIJA: MÚLTIPLES PATRONES DE ONDA
Rodolfo Veloz Pérez
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Mecánica Cuántica como respuesta a la dualidad de la luz
Muchas partículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en
algunos experimentos mientras aparecen como partículas compactas y
localizadas en otros experimentos. Este comportamiento dual, es típico de la
observación en la mecánica
cuántica, donde algunas
partículas pueden presentar
interacciones muy localizadas y
como ondas exhiben el
fenómeno de la interferencia.
De acuerdo con la física clásica
existen diferencias claras entre
onda y partícula. Una partícula
tiene una posición definida en el
espacio y tiene masa mientras
que una onda se extiende en el
espacio caracterizándose por
tener una velocidad definida y
masa nula. Esto, provocó
durante todos los años de
estudio de la luz, la
imposibilidad de definir su real
naturaleza.
El concepto de dualidad onda-
partícula fue introducido por Louis de Broglie, en 1924 en su tesis doctoral,
donde presentaba por primera vez la dualidad onda corpúsculo característica
de la mecánica cuántica. Su trabajo se basaba en los trabajos de Einstein y
Planck, y propuso la existencia de ondas de materia, es decir, que toda
materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria, fundada en
la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, Einstein
reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, De Broglie recibió
el Nobel en Física por su trabajo.
LOUIS DE BROGLIE
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Entonces, la luz puede explicarse por su doble naturaleza:
• Corpuscular, en su interacción con la materia, donde apreciaremos
fenómenos de absorción o de esparcimiento, típicos fenómenos presentes
en la comunicación por fibra óptica.
• Ondulatoria, en su propagación electromagnética. Aquí, fenómenos
asociados, por ejemplo, a dispersiones por guía de ondas, o por modo de
polarización están vinculadas a este fenómeno.
Según el célebre físico Stephen Hawking, se considera que la
dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica
cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales
entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse
como ondas y viceversa”.
Rodolfo Veloz Pérez
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Camino a la invención de la Fibra Óptica
Las primeras técnicas de comunicación a larga distancia, como las "señales
de humo", desarrolladas por nativos norteamericanos eran de hecho, enlaces
de comunicación óptica.
Una versión a gran escala de esta técnica de comunicación óptica fue el
"telégrafo óptico" desplegado en Francia y en otros lugares a fines del siglo
XVIII. El "telégrafo óptico" era una serie de altas torres que transmitían
mensajes a una velocidad de unas pocas palabras por minuto por medio de
grandes semáforos que podían manipularse para deletrear palabras.
Sin embargo, el desarrollo de la comunicación por fibra óptica esperaba el
descubrimiento de la Reflexión total interna o “TIR” (Total Internal Reflection)
y una serie de innovaciones electrónicas y ópticas adicionales.
EL TELÉGRAFO ÓPTICO UN ALFABETO SENCILLO (ARRIBA, CENTRO), LA IDEA ERA QUE CADA
20-25 KM HUBIESE UN “REPETIDOR” ÓPTICO PARA TRANSMITIR EL MENSAJE. PESE A SU
BURDO MECANISMO –FUE CRITICADO POR DIBUJANTES COMO RODOLPHE TÖPFFER (1831,
ARRIBA A LA DERECHA)– SE INSTALÓ DURANTE DECADAS, Y FUNCIONABA
Rodolfo Veloz Pérez
48
Confinamiento de la luz
En en 1841, Jean-Daniel
Colladon, un profesor suizo
de 38 años en la Universidad
de Ginebra, demostró por
primera la reflexión total
interna. Quería mostrar el
flujo de fluido a través de
varios orificios de un tanque
y la ruptura de los chorros de
agua. . Sin embargo, en la
sala de conferencias el
público no podía ver el agua
que fluía. Resolvió el
problema al recolectar y
pasar la luz del sol a través
de un tubo a la mesa de
conferencias. La luz se
enfocó a través del tanque
de agua y se hizo que
incidiera en el borde del
chorro en un ángulo de
mirada. El TIR atrapó la luz
en el líquido y la obligó a
seguir la trayectoria curva
hasta que se rompió el chorro de agua. En lugar de viajar en línea recta, la luz
siguió la curvatura del flujo de agua.
Colladon demostró una guía de luz en chorros de agua a través de una serie
de actuaciones públicas en la inteligencia urbana de París. Auguste de la Rive,
otro físico de Ginebra, duplicó el experimento de Colladon utilizando luz de
arco eléctrico. Colladon diseñó un dispositivo espectacular con luz de arco
para el Conservatorio de Artes y Ciencias de París en 1841, octubre.
JEAN-DANIEL COLLADON
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Colladon envió un documento a su amigo Francois Arago, quién dirigió la
Academia Francesa. Arago recordó que Jacques Babinet, un especialista
francés en Óptica había hecho demostraciones similares en París. Enfocó la
luz de las velas en el fondo de una botella de vidrio mientras vertía un chorro
fino de agua desde la parte superior, guiando la luz a lo largo del chorro. Arago
le pidió a Babinet que escribiera su trabajo, pero Babinet no creía que el
trabajo fuera muy importante. Sin embargo, hizo un comentario de que "la
idea también funciona muy bien con un vástago de vidrio curvado de cualquier
manera y había indicado que podría usarse para iluminar el interior de la boca.
EXPERIMENTO DE COLLADON
Rodolfo Veloz Pérez
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JACQUES BABINET
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Transmisión guiada de la luz
En 1870, John Tyndall, utilizando
un chorro de agua que fluía de un
recipiente a otro y un rayo de luz,
demostró que la luz usaba la
reflexión interna para seguir un
camino específico. A medida que
el agua se derramaba a través del
pico del primer recipiente, Tyndall
dirigió un rayo de luz solar a la
trayectoria del agua. La luz, tal
como la vio la audiencia, siguió un
camino en zigzag dentro del
camino curvo del agua. Este
sencillo experimento, marcó la
primera investigación sobre la
transmisión guiada de la luz.
Luz de tuberías
William Wheeling, en 1880, patentó un método de transferencia de luz llamado
"luz de tuberías". Wheeling creía que al usar tubos revestidos con un
revestimiento altamente reflectante que se ramificaban desde una única
fuente de iluminación, que en este caso era un arco eléctrico, podía enviar la
luz a muchas habitaciones diferentes en de la misma manera que el agua, a
través de tuberías, se transporta a través de los edificios de hoy. Debido a la
ineficacia de la idea de Wheeling y a la introducción concurrente de la exitosa
ampolleta incandescente de Edison, el concepto de luz de tuberías nunca tuvo
éxito.
JOHN TYNDALL
Rodolfo Veloz Pérez
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Fotófono
En 1880, Alexander Graham Bell inventó su “Fotófono” que transmitía una
señal de voz en un haz de luz. El experimento consistió en enfocar la luz del
sol con un espejo y luego hablar sobre un mecanismo que hacía vibrar el
espejo. En el extremo receptor, un detector captó el haz vibrante y lo
decodificó en una voz de la misma manera que un teléfono hizo con las
señales eléctricas. Sin embargo, muchas cosas, un día nublado, por ejemplo,
podrían interferir con el fotófono, haciendo que Bell deje de investigar más
con esta invención. Es quizás, la idea precursora del Li-Fi.
En 1888, el equipo médico de Roth y Reuss de Viena usó varillas de vidrio
dobladas para iluminar las cavidades del cuerpo. En 1895, el ingeniero francés
Henry Saint-Rene diseñó un sistema de varillas de vidrio dobladas para guiar
las imágenes de luz en un intento de transmisión de televisión. En 1898, el
estadounidense David Smith solicitó una patente sobre un dispositivo de
varilla de vidrio doblado para usar como lámpara quirúrgica. En la década de
EL FOTÓFONO DE GRAHAM BELL
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1920 el inglés John Logie Baird y el estadounidense Clarence W. Hansell
patentaron la idea de utilizar matrices de barras transparentes para transmitir
imágenes para televisión y fax, respectivamente. En 1930, Heinrich Lamm fue
la primera persona en ensamblar un paquete de fibras ópticas para llevar una
imagen. El objetivo de Lamm era mirar dentro de las partes inaccesibles del
cuerpo. Durante sus experimentos, informó que transmitía la imagen de una
bombilla. Sin embargo, la imagen era de mala calidad. Su esfuerzo por
presentar una patente fue denegado debido a la patente británica de Hansell.
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Invención de la Fibra Óptica
En el año 1954, Narinder Singh Kapany inventó la Fibra Óptica. Cursó
estudios de Ciencias Físicas en la Universidad de Agra, y realizó su doctorado
en el Imperial College de Londres, donde obtuvo el título de Doctor en el año
1955.
Durante la elaboración de su tesis doctoral, Kapany trabajó con el profesor
Harold Hopkins, que se había doctorado en 1947 con una tesis enfocada en
el campo de la óptica. Kapany comenzó a trabajar en experimentos que se
basaban en los trabajos del físico irlandés John Tyndall y demostraban que la
luz podía viajar dentro de un material que podría llegar a curvarse
aprovechando las reflexiones internas de éste. En 1954 publicó junto a Harold
Hopkins un artículo en la revista Nature llamado “A flexible fibrescope, using
static scanning” y que supuso el gran impulso para el desarrollo de la fibra
óptica. Ahí describieron que habían sido capaces de conducir un haz de luz a
NARINDER SING KAPANY, EL PADRE DE LA FIBRA OPTICA
Rodolfo Veloz Pérez
56
través de un conjunto de múltiples fibras de 75 centímetros de largo con bajas
pérdidas, dando el gran salto que, hasta esa fecha, había frustrado todos los
intentos de conducción de luz bajo un soporte físico que pudiese ser curvado.
El “abstract” plantea lo siguiente:
“Se ha ideado una unidad óptica que transmitirá imágenes ópticas a lo largo de un
eje flexible. La unidad comprende un paquete de fibras de vidrio u otro material
transparente, y por lo tanto parece apropiado introducir el término "fibroscopio" para
denotarlo. Un uso obvio de la unidad es reemplazar el tren de lentes empleado en los
endoscopios convencionales. Los instrumentos existentes de este tipo, por ejemplo,
cistoscopios, gastroscopios y broncoscopios, etc., consisten en un tren de copiado
de lentes y lentes de campo intermedio. Son rígidos o tienen una flexibilidad limitada.
Además, la calidad de imagen de estos sistemas es deficiente, ya que consisten solo
en lentes positivos que dan lugar a una gran curvatura de campo. En los gastroscopios
existentes, el número total de lentes empleadas puede ser de hasta cincuenta, y en
consecuencia la transmisión de luz es deficiente, debido a la trayectoria total del vidrio
y al número de superficies de aire y vidrio. Aún más importante a este respecto, sin
embargo, es la necesidad de usar pequeñas aberturas relativas para tales
instrumentos, lo que es necesario si se desea obtener una definición aceptable con
una curvatura de campo tan grande.”
Gracias a este artículo, otros investigadores como Basil Hirschowitz , Wilbur
C. Peters, y Lawrence E. Curtiss de la Universidad de Michigan pudieron
fabricar, en 1965, la primera fibra óptica semiflexible que se usaría para
fabricar un gastroscopio o el primer ensayo de transmisión de datos digitales
llevado a cabo por Manfred Böhner en los laboratorios de investigación de
Telefunken en Ulm (Alemania). La explosión de investigaciones en este campo
llevó a Narinder Singh Kapany a publicar en 1967 un libro que, hoy en día,
sigue siendo una referencia en este campo "Fibras Ópticas. Principios y
Aplicaciones" y que es una de sus obras más conocidas entre los cientos de
publicaciones que ha escrito a lo largo de su vida académica.
También en 1954, el científico holandés Abraham Van Heel y el Harold
Hopkins escriben por separado artículos sobre paquetes de
imágenes. Hopkins - quien trabajó con Kapany - informó sobre los haces de
imágenes de fibras sin revestimiento, mientras que Van Heel informó sobre los
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57
paquetes simples de fibras revestidas. Cubrió una fibra desnuda con un
revestimiento transparente de un índice de refracción más bajo. Esto protegió
la superficie de reflexión de la fibra de la distorsión exterior y redujo en gran
medida la interferencia entre las fibras. En ese momento, el mayor obstáculo
para un uso viable de la fibra óptica era lograr la menor pérdida de señal.
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59
Desarrollo de la Fibra Óptica para
Comunicaciones
Formado en electrónica de microondas, Charles Kao desarrolló su propuesta
para comunicaciones de fibra óptica mientras trabajaba en los Laboratorios
de Telecomunicaciones Estándar, conocido por las siglas “STL” en Harlow,
Inglaterra. Su objetivo inicial era desarrollar una nueva tecnología para enlaces
de aproximadamente 10 km entre las centrales telefónicas locales, un nicho
de mercado importante en Gran Bretaña.
Charles Kao calculó que requeriría fibras de vidrio con una atenuación de unos
20 [dB] / km, mucho más clara que el vidrio óptico comercial. Cuando Kao
preguntó cómo se podía hacer un vidrio transparente, Harold Rawson, de la
Universidad de Sheffield, le dijo que la purificación debería reducir las
pérdidas por debajo de 20 dB. Eso llevó al artículo histórico que Charles Kao
escribió con George Hockham, al proponer que la transmisión a través de fibra
CHARLES KAO
Rodolfo Veloz Pérez
60
monomodo debería alcanzar 1 [GHz] de ancho de banda y se publicó en
1966. Laser Focus World informó el trabajo de Kao en abril de 1966.
Las fibras ópticas revestidas se habían inventado una década antes, y sus
usos principales eran en paquetes para imágenes médicas y militares lo
suficientemente cortas como para permitir la atenuación de un [dB] por
metro. Las telecomunicaciones requerían una gran mejora. Kao primero
obtuvo muestras del vidrio más puro disponible, sílice fundida, que se hizo
quemando vapor de tetracloruro de silicio en una llama de oxihidrógeno. La
pérdida fue tan baja que le resultó difícil de medir, pero finalmente obtuvo un
valor extraordinariamente bajo entre 5 y 0 [dB] / km en 1969. En ese
momento, solo STL, la oficina de correos británica y Corning, que había
inventado la sílice fundida en la década de 1930, estaba investigando las
comunicaciones por fibra. Kao viajó por el mundo animando a otros
laboratorios a entrar en el campo.
MAURER, KECK Y SCHULTZ, EQUIPO DE INVESTIGADORES DE CORNING GLASS
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
61
En el año 1970, un equipo de investigadores de Corning Glass, Robert Maurer,
Donald Keck y Peter Schultz, comenzaron a experimentar con sílice fundido,
un material capaz de lograr una pureza extrema con un alto punto de fusión y
un bajo índice de refracción. Los investigadores patentaron la "Fibras de guía
de onda óptica”, patente n. ° 3.711.262, capaces de transportar 65,000 veces
más información que el cable de cobre. Este nuevo conductor, permitió que
la información transportada por un patrón de ondas de luz se decodificara en
un destino a miles de kilómetros de distancia. El equipo había resuelto los
problemas presentados por el Dr. Kao.
Charles Kao, recibió el Premio Nobel de Física 2009 "por sus logros
innovadores en cuanto a la transmisión de luz en fibras para
comunicación óptica”. Fallece el 23 de septiembre de 2018 en Hong
Kong. Su trabajo transformó la industria láser y óptica, y al hacer posibles las
telecomunicaciones de banda ancha, también transformó el mundo.
CHARLES KAO Y SU GUIA DE ONDA
Rodolfo Veloz Pérez
62
Primeras Instalaciones
La fibra óptica comenzó a
desarrollarse durante la década
de 1970 en laboratorios de
investigación y desarrollo en
todo el mundo, como Corning,
Laboratorios Bell, ITT
(International Telephone and
Telegraph) del Reino Unido.
En 1975, el gobierno de los
Estados Unidos decidió
conectar las computadoras en la
sede de NORAD en Cheyenne
Mountain utilizando fibra óptica
para reducir la interferencia.
En 1976, en Dorset, Inglaterra fue instalada comercialmente por SCT
(Standard Telephones and Cables).
En 1977, el primer sistema de comunicación telefónica óptica se instaló en
Chicago, Illinois en Estados Unidos por AT&T. Cada fibra óptica llevaba el
equivalente a 672 canales de voz.
A principios de la década de 1980, las redes de comunicaciones con fibra
conectaban las principales ciudades en cada costa.
A finales de siglo XX, más del 80% del tráfico de larga distancia del mundo se
realizaba a través de cables de fibra óptica y 25 millones de kilómetros del
cable.
LOGO DE LOS AÑOS 70´ DE LA EMPRESA AT&T
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LOGO DE LA ENTONCES STC DE INGLATERRA.
Rodolfo Veloz Pérez
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Principios Básicos de la Luz
Teoría Básica de las Ondas
Electromagnéticas
Como se explicó en la breve historia de la luz, ésta está hecha de paquetes
discretos de energía llamados fotones. Los fotones son “partículas” que no
tienen masa y viajan a la velocidad de la luz. Toda la luz tiene propiedades
similares a las partículas y las ondas. Un instrumento que transforma la luz en
un espectro para su análisis es un ejemplo de observación de la propiedad de
la luz, similar a una onda. La naturaleza luminosa similar a las partículas se
observa mediante detectores utilizados en cámaras digitales: los fotones
individuales liberan electrones que se utilizan para la detección y el
almacenamiento de los datos de imagen.
REPRESENTACIÓN DE UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA
Rodolfo Veloz Pérez
66
Polarización de la luz
Una de las propiedades físicas de la luz es que puede ser polarizada. Las
ondas de luz no suelen estar polarizadas, de forma que la vibración
electromagnética se produce en todos los planos. La luz que vibra en un solo
plano se llama luz polarizada. La polarización es una medida de la alineación
del campo electromagnético.
Frecuencia de la luz
El número de peaks que pasan un punto dado en un segundo se describe
como la frecuencia de la onda. Una onda o ciclo por segundo se llama Hertz,
cuya nomenclatura de unidad de medida es [Hz]. La unidad de medida se le
otorga después de que Heinrich Hertz logró demostrar la existencia de las
ondas electromagnéticas.
POLARIZACIÓN DE LA LUZ
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
67
Longitud de onda de la luz
Las ondas electromagnéticas tienen crestas y valles. La distancia entre cada
Peak de amplitud o distancia entre las crestas es la longitud de onda. Las
longitudes de onda más cortas son solo fracciones del tamaño de un átomo,
mientras que las longitudes de onda más largas que los científicos estudian
actualmente pueden ser más grandes que el diámetro de nuestro planeta.
La longitud de onda es la distancia entre dos peaks positivos de amplitud más
cercanos. La amplitud aumenta de 0 a un Peak positivo, pasa por 0, pasa al
Peak negativo, luego regresa a 0. Este es un ciclo completo y la distancia que
recorre la luz durante este ciclo se denomina longitud de onda y generalmente
se representa con el símbolo λ.
La Longitud de onda de la luz visible va desde los 400 [nm] a los 700 [nm], y
ese espectro es solo una parte de las ondas electromagnéticas. Es el
“Espectro visible”. Para efectos de fibra óptica, trabajamos en longitudes de
onda de rangos entre 650 [nm] a 1650 [nm], lo que pertenece a la región de
los infrarrojos.
LONGITUDES DE ONDA Y EL ESPECTRO VISIBLE DE LA LUZ
Rodolfo Veloz Pérez
68
Energía de la luz
Una onda electromagnética también se puede describir en términos de su
energía, en unidades de medida llamadas electronvolt, representado por
[eV]. Un electronvolt es la cantidad de energía cinética necesaria para mover
un electrón a través de un potencial de un volt [V]. Moviéndose a lo largo del
espectro de longitudes de onda largas a cortas, la energía aumenta a medida
que la longitud de onda se acorta.
Principales parámetros de las ondas electromagnéticas
Al igual que cualquier fenómeno de onda, las ondas electromagnéticas tienen
parámetros que permiten identificar sus características. Así, tenemos:
• Amplitud (A): Es la longitud máxima respecto a la posición de equilibrio que
alcanza la onda en su desplazamiento.
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69
• Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos
sucesivos por un punto fijo en el espacio. Medido en unidad de tiempo,
ejemplo, en segundos.
• Frecuencia (ν): Número de oscilaciones del campo por unidad de tiempo;
es una cantidad inversa al periodo. Medido en Hertz.
• Longitud de onda (λ): Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes
de ondas sucesivas. Medido en metros.
• Velocidad de propagación (v): Es la distancia que recorre la onda en una
unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el
vacío, se representa con la letra c.
La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionadas
por la ecuación:
𝑐 = 𝜆 ⋅ 𝜈 =
𝜆
𝑇
En el vacío, todas las formas de radiación electromagnética ya sean
microondas, luz visible o rayos gamma, viajan a la velocidad de la luz “c”, que
es la velocidad con la que todas las formas de radiación electromagnética
viajan en el vacío, una constante física fundamental. con un valor de
c = 2.99792458 × 108
[m/s]
la cual se aproxima a
c = 3 × 108
[m/s]
Esto es aproximadamente un millón de veces más rápido que la velocidad del
sonido.
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71
Refracción y Ley de Snell
Nombrada en honor al astrónomo y matemático holandés Willerbrord
Snellius, la ley de Snell establece que la proporción de los senos de los
ángulos de incidencia θ1 y refracción θ2 es equivalente a la relación de
velocidad de la luz en los dos medios materiales.
Cuando la luz se propaga de un medio homogéneo transparente a otro, su
dirección de propagación generalmente cambiará. Este fenómeno se
llama refracción. Es el resultado de las condiciones de contorno que la onda
entrante y la transmitida deben cumplir en el límite entre los dos
medios. Esencialmente, las componentes tangenciales de los vectores de
UN EJEMPLO DEL FENÓMENO DE LA REFRACCIÓN.
Rodolfo Veloz Pérez
72
onda deben ser idénticas, ya que de lo contrario la diferencia de fase entre las
ondas en el límite dependería de la posición y los frentes de onda no podrían
ser continuos. Como la magnitud del vector de onda depende del índice de
refracción del medio, dicha condición solo se puede cumplir en general con
diferentes direcciones de propagación. Una excepción es, por supuesto, el
caso de incidencia normal, donde los vectores de onda no tienen
componentes a lo largo de la superficie.
De las consideraciones anteriores, uno puede derivar fácilmente la ley de Snell
para los ángulos:
𝑠𝑖𝑛𝜃+
𝑠𝑖𝑛𝜃,
=
𝑣+
𝑣,
=
𝑛,
𝑛+
𝑛+𝑠𝑖𝑛𝜃+ = 𝑛,𝑠𝑖𝑛𝜃,
donde n1 y n2 son los índices de refracción de los dos medios. El ángulo
mayor con respecto a la dirección normal debe ocurrir en el medio con
el índice de refracción más pequeño.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
73
Los frentes de onda no se interrumpen en la interfaz, sino que solo se
modifican en la dirección. Esto solo es posible con un ángulo de propagación
modificado.
Si el haz incidente proviene del medio con el índice de refracción más alto y
su ángulo de incidencia es grande, puede que no sea posible cumplir la ley de
Snell con ningún ángulo de salida, ya que el seno del ángulo de salida puede
ser como máximo 1. In En ese caso, la refracción no es posible, por lo que
se produce una reflexión total interna, que es lo que se busca en la Fibra
Óptica.
REFRACCIÓN AL PASAR DE UN MEDIO MATERIAL, COMO EL AIRE, A OTRO MEDIO
MATERIAL, QUE ES EL VIDRIO.
Rodolfo Veloz Pérez
74
Índice de Refracción
El índice de refracción de un medio óptico transparente, también
llamado índice de refracción es el factor por el cual la velocidad de
fase vph disminuye en relación con la velocidad de la luz en el vacío:
𝑣./ =
𝑐
𝑛
Aquí, se supone una propagación lineal de ondas planas. A través de la
velocidad de fase, el índice de refracción también determina fenómenos como
la refracción, la reflexión y la difracción en las interfaces ópticas.
La longitud de onda de la luz en el medio es n veces más pequeña que la
longitud de onda de vacío.
El índice de refracción de un material1
depende de la longitud de onda. Esta
dependencia da origen a la dispersión material, y consecuentemente a la
dispersión cromática. Los valores de índice de refracción típicos para vidrios
1
La figura muestra el Índice de refracción de un material, en este caso el Silicio (líneas
continuas) e índice de grupo (líneas de puntos) en función de la longitud de onda a
temperaturas de 0 ° C (azul), 100 ° C (negro) y 200 ° C (rojo). Los gráficos se basan en datos
de M. Medhat et al., J. Opt. A: Pure Appl. Optar. 4, 174 (2002)
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75
y cristales en la región espectral visible están en el rago de 1.4 a 2.8, y
típicamente el índice de refracción aumenta para longitudes de onda más
cortas. El índice de refracción generalmente también depende de la
temperatura del material. En muchos casos, aumenta a medida que aumenta
la temperatura, pero en particular para los vidrios, a menudo ocurre lo
contrario, esencialmente porque la densidad disminuye con la temperatura.
Otras modificaciones del índice de refracción pueden ocurrir a través de la
tensión mecánica, llamado “efecto fotoelástico”. El cambiar la composición
química, dopando un material con algunas impurezas también puede afectar
el índice de refracción, usado para modificar el indice de refracción del núcleo
de la fibra óptica.
Existe otro tipo de índice de refracción, que es el índice de grupo o índice
modal, que cuantifica la reducción en la velocidad del grupo. El índice de
grupo determina el índice de refracción que experimenta un modo de
propagación en razón a su velocidad de grupo. La constante de propagación
𝛽 de un modo que se propaga por una guía de ondas es el índice efectivo
𝑛122 por el número de onda del vacío 𝑘4:
𝛽 = 𝑛122𝑘4 = 𝑛122
2𝜋
𝜆4
Nótese que el índice efectivo no depende sólo de la longitud de onda sino
también de la constante de propagación de la luz. Es por esta razón que
también es llamado índice modal. No debe confundirse con una medida o
promedio de la cantidad de luz confinada en el núcleo de la guía de onda. Esta
falsa impresión resulta de observar que los modos fundamentales en una fibra
óptica tienen un índice modal más cercano al índice de refracción del núcleo.
Rodolfo Veloz Pérez
76
Reflexión Total Interna
Cuando aumenta el ángulo de incidencia θ1, θ2 también aumenta. Cuando θ1
aumenta a un ángulo θc, θ2 = 90 ° (sinθ2 = 1), la onda refractada roza la interfaz.
Este ángulo θc se denomina ángulo crítico:
𝜃7 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 :
𝑛,
𝑛+
;
donde n1 son los índices de refracción del medio del que proviene el haz de
luz, y n2 el índice de refracción del otro medio.
Cuando el ángulo de incidencia θ1 es mayor que el ángulo crítico θc, la ley de
Snell indica que la refracción no puede tener lugar:
𝜃+ > 𝜃7
Más allá de ese ángulo, la ley de Snell para el cálculo del ángulo de salida no
se pudo cumplir para ningún ángulo de salida real. Esencialmente, la
componente del vector de onda a lo largo de la interfaz, que tendría que ser
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
77
idéntica para el haz entrante y el transmitido, es tan grande para el haz
entrante que no puede ser igualada por un haz transmitido incluso con un
ángulo de salida de 90 ° .
La luz no puede salir del medio material del rayo incidente, si el ángulo de
incidencia excede el ángulo crítico. Lo que sucede es que todos los rayos de
luz se reflejan de nuevo en el medio de incidencia, y este fenómeno se
denomina Reflexión Total Interna.
La reflexión total interna significa que la luz se refleja completamente en la
interfaz entre dos medios transparentes si el ángulo de incidencia del rayo
incidente, es decir, la desviación angular de la incidencia perpendicular es
mayor que el llamado ángulo crítico.
REFLEXION TOTAL INTERNA
Rodolfo Veloz Pérez
78
Ángulo de Aceptación
El ángulo de aceptación de una fibra óptica se define basándose en una
consideración puramente geométrica (óptica de rayos), como el ángulo
máximo de un modo contra el eje de la fibra, que golpea el núcleo de la fibra
permitiendo que el modo incidente sea guiado por el núcleo. El seno de ese
ángulo aceptable se llama apertura numérica y está esencialmente
determinado por el contraste del índice de refracción entre el núcleo y el
revestimiento de la fibra, suponiendo que el haz incidente proviene del aire o
del vacío:
𝜃=7 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 :
1
𝑛4
?𝑛@
, − 𝑛B
,;
Aquí, nn y nr son los índices de refracción de núcleo y el revestimiento,
respectivamente, y n0 es el índice de refracción del medio alrededor de la
fibra, que es un valor cercano a 1 en el caso de aire.
El concepto de óptica de rayos no es completamente apropiado para describir
los detalles de operación de las fibras ópticas, porque los aspectos de onda
son importantes, en particular para las fibras con núcleo pequeño, como las
fibras monomodo (recordemos que los modos no son solo “rayos”). Un rayo
de luz real (por ejemplo, un rayo láser) no se parece bien a un rayo, ya que
inevitablemente tiene tanto un radio de haz finito como una divergencia de
haz finito. Por lo tanto, en realidad no hay una transición bien definida entre
guía y no guía, cuando se varía el ángulo del haz. Sin embargo, el ángulo de
aceptación proporciona al menos una estimación de cuán grande puede
ser un ángulo de incidencia para lanzar los modos de manera eficiente.
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79
Apertura Numérica
El término apertura numérica (NA) se usa con dos significados diferentes,
dependiendo del contexto, que puede ser fibra óptica u óptica de imagen.
Apertura numérica de una fibra óptica o guía de onda
Se puede considerar un haz de luz que se propaga en el aire y golpea
el núcleo de una fibra de índice escalonado o salto de índice con un área de
modo grande.
La apertura numérica (NA) de la fibra es el seno del ángulo máximo de un rayo
incidente con respecto al eje de la fibra, de modo que el haz transmitido se
guía en el núcleo. La NA está determinada por la diferencia del índice de
refracción entre el núcleo y el revestimiento, más precisamente por la relación
𝑁𝐴 =
1
𝑛4
?𝑛@
, − 𝑛B
,
que puede derivarse del requisito de que el haz de luz transmitido en la interfaz
núcleo revestimiento se propague con el ángulo crítico para la reflexión total
interna. Aquí, n0 es el índice de refracción del medio alrededor de la fibra, que
es un valor cercano a 1 en el caso de aire.
De manera similar, la NA también se puede definir para otros tipos
de guías de onda.
La limitación del ángulo de propagación por la apertura numérica se traduce
en una frecuencia espacial transversal máxima de la luz, que es la apertura
numérica dividida por la longitud de onda del vacío. Para las fibras
monomodo donde la propagación de onda detallada debe tenerse en cuenta,
Rodolfo Veloz Pérez
80
esa regla solo da una estimación aproximada, mientras que es bastante
precisa para fibras altamente multimodo.
Para áreas de núcleo pequeño, por ejemplo, para fibras monomodo, la
naturaleza de onda de los haces se vuelve esencial, y la imagen del rayo se
vuelve inválida. (La divergencia del haz ya no se puede ignorar). La ecuación
anterior todavía se puede usar para definir el NA a través de los índices de
refracción. El concepto se vuelve cuestionable para perfiles de índice de
refracción sin salto de índice.
Una NA alta generalmente se relaciona con una gran divergencia de haz para
el modo fundamental que sale del extremo de la fibra, pero esta divergencia
de haz también depende del diámetro del núcleo. Para las fibras distintas de
salto de índice o índice escalonado, se puede definir una apertura numérica
efectiva basada en un perfil de salto de índice equivalente, lo que conduce a
propiedades de modo similares. Alternativamente, uno puede calcular una NA
a partir del índice de refracción máximo en el núcleo.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
81
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83
Potencia y Pérdida Óptica
En los primeros tiempos de la fibra óptica, la potencia de salida de la fuente
se medía generalmente en [mW], una escala lineal, y la pérdida se medía en
dB, una escala logarítmica. Con el paso del tiempo, todas las medidas
cambiaron a dB por motivos de conveniencia. Esto, simplifica los cálculos de
presupuesto óptico, pero normalmente genera confusiones entre las
diferencias de los conceptos de potencia óptica y pérdida óptica.
La potencia óptica es aquella que referiremos a los equipos de transmisión y
recepción. Basta con que en la práctica tomemos un datasheet de un
transceptor, por ejemplo, un SFP y observemos que los valores de su potencia
están expresados en [dBm]. La salida de un transmisor o la entrada a un
receptor son mediciones de potencia óptica "absolutas", es decir, se mide el
valor real de la potencia. Entonces, la potencia óptica se mide en [dBm].
Rodolfo Veloz Pérez
84
La forma de calcular la potencia en dBm es de la siguiente forma:
𝑃[𝑑𝐵𝑚] = 10 ⋅ 𝑙𝑜𝑔+4 :
𝑃O1PQP=
1[𝑚𝑊]
;
Las mediciones de la potencia óptica, como la salida de un transmisor o
entrada a un receptor se expresarán entonces en unidades de [dBm]. La "m"
en [dBm] se refiere a una potencia de referencia de 1 [mW]. Por lo tanto, una
fuente con un nivel de potencia de 0 [dBm] tiene una potencia de 1 [mW], NO
“0” en potencia, o ausencia de potencia. Asimismo, -10 [dBm] representa 0,1
[mW], lo que nos lleva a explicar de forma simple que “potencias negativas”
en [dBm] son en realidad potencias decimales de [mW], NO negativas.
La pérdida es una medición de potencia "relativa", la diferencia entre la
potencia acoplada a un componente como un cable, empalme o un conector
y la potencia que se transmite a través de ella. Esta diferencia en el nivel de
potencia antes y después del componente es lo que llamamos pérdida óptica
y define el rendimiento de un cable, conector, empalme u otro componente.
La pérdida óptica se mide en [dB]. Las mediciones de pérdida se miden en
dB, dado que el dB es una relación entre dos niveles de potencia, uno de
los cuales se considera el valor de referencia. El dB es una escala logarítmica,
en la cual cada 10 dB representa una proporción de 10 veces el valor. La
ecuación real utilizada para calcular la pérdida en dB es
𝑃[𝑑𝐵] = 10 ⋅ 𝑙𝑜𝑔+4 S
𝑃O1PQP=
𝑃B121B1@7Q=
T
Entonces, 10 [dB] es una proporción de 10 veces el valor, 20 [dB] es una
proporción de 100, 30 [dB] es una proporción de 1000, etc. Cuando las dos
potencias ópticas comparadas son iguales, entonces la pérdida en [dB] es
igual a 0.
La pérdida es un número negativo, por ejemplo, -3 [dB]. Las mediciones en
[dB] a veces pueden ser confusas. Si la potencia medida es más alta que la
potencia de referencia, el [dB] será un número positivo, pero si es más baja
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
85
que la potencia de referencia será un número negativo. Por lo tanto, las
mediciones de pérdida generalmente se expresan como un número
negativo. Existe la convención de expresar la pérdida como un número
positivo. Por lo tanto, cuando se tiene, por ejemplo, -3 [dB], decimos que la
pérdida es de 3 [dB].
Rodolfo Veloz Pérez
86
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
87
Óptica y Construcción de la
Fibra Óptica
Rodolfo Veloz Pérez
88
Estructura de la Fibra Óptica
Núcleo
Sección por donde se transmite la luz en la guía de ondas. Formado por silicio,
posee un índice de refracción mayor que el revestimiento. Según el tipo de
filamento, se tienen núcleos de 9 [um], 62,5 [um] o 50 [um].
Revestimiento
Envoltura del núcleo, que al ser de silicio y de un índice de refracción menor
al núcleo, permite el comportamiento de guía de ondas de la fibra óptica.
Mantiene confinado a los modos en el interior del núcleo. En conjunto con el
núcleo, son una unidad indivisible, vale decir, cuando se realiza el proceso de
preparación del cable, lo que queda desnudo es la estructura núcleo -
revestimiento. El valor del diámetro del revestimiento es de 125 [um]
Recubrimiento primario
La fibra de sílice tiene una elevada resistencia mecánica intrínseca, que se
reduce cuando se producen defectos en su superficie. Por esta razón, una vez
estirada la fibra, hay que aplicarle inmediatamente un recubrimiento primario
para ajustarla a sus dimensiones.
Para preparar los empalmes hay que retirar el recubrimiento primario sin dañar
la fibra y sin utilizar materiales o métodos que se consideren aleatorios o
peligrosos.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
89
La composición del recubrimiento primario puede llevar colores.
El recubrimiento primario tiene un diámetro nominal de 250 μm.
Las fibras provistas con un recubrimiento primario se prueban previo a ser
entregadas al mercado con una deformación equivalente de, por lo menos, un
0,5% durante un segundo. El método de prueba debe ser conforme a la
publicación 793-1 de la CEI. Para probar los cables destinados a las
instalaciones aéreas, puede necesitarse una deformación mayor,
considerando los grandes cambios térmicos y los fuertes vientos.
El recubrimiento primario lo veremos presente en los cables del tipo “Loose
Tube”, ya que el resto de las protecciones mecánicas necesarias por el
filamento, serán otorgadas por la estructura holgada del cable, y por el relleno
con gel de los tubos donde se encuentra protegida la fibra óptica.
Recubrimiento secundario
Debe preverse una protección secundaria de la fibra dentro del cable.
Hay que tener presente que el tipo de cable que contiene filamentos con
recubrimiento secundario es el “Tight Buffer”, ya que requiere mayor
manipulación del cable y no tiene gel en su interior, dada su estructura
ajustada y sus requerimientos ambientales de instalación. Para limitar los
esfuerzos axiales de la fibra, conviene minimizar el acoplamiento mecánico
entre la fibra y el cable.
Rodolfo Veloz Pérez
90
Modos
Para guías de onda con grandes extensiones, la óptica de rayos se usa a
menudo para describir la propagación de la luz inyectada. Sin embargo, dicha
descripción se vuelve inválida cuando se producen efectos de interferencia, y
este es particularmente el caso de dimensiones de guía de onda muy
pequeñas. En ese caso, se requiere una descripción de onda de la luz,
normalmente sobre la base de las ecuaciones de Maxwell, a menudo
simplificada con supuestos aproximados.
Es común considerar la distribución de campo para una frecuencia óptica y
polarización en un plano perpendicular a la dirección de propagación. Son de
especial interés aquellas distribuciones que no cambian durante la
propagación, aparte de un cambio de fase común. Tales distribuciones de
campo están asociadas con los llamados “modos de guía de onda”.
Entre los modos que se pueden propagar en fibras ópticas, existen
• “Modos TE”: campo eléctrico transversal a la dirección de propagación
• “Modos TM”: campo magnético transversal a la dirección de propagación
• “Modos híbridos HEmn y Ehmn”: Modos Eléctricos y magnéticos a lo largo de
la dirección de propagación
La diferencia de índice de refracción entre núcleo n1 y revestimiento n2 es tan
pequeña (~ 0.002-0.008) que la mayoría de los modos TE, TM e híbridos están
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
91
degenerados y es suficiente utilizar una única notación para todos estos
modos: la notación LP.
La intensidad de distribución de campo eléctrico es como se vería el modo a
la salida del transmisor, y corresponde al patrón de onda electromagnética
que viaja por ella fibra óptica.
Modo Linealmente
Polarizado
Modos Híbridos
Distribución de
Campo
Intensidad de
Distribución de
Campo Eléctrico
LP01 HE11
LP11
TE01
TM01
HE21
LP21
EH11
HE31
Un modo LP se denomina LPim, donde los subíndices i y m están relacionados
con el número de ceros radiales y azimutales de un modo particular.
El modo fundamental es el modo LP01 y es el único modo que puede
propagarse en una fibra monomodo.
Rodolfo Veloz Pérez
92
La correspondencia de los modos LP con los modos TE, TM y HE se muestran
en la siguiente tabla:
Modos LP Modos Exactos
LP01 HE11
LP11 HE21, TE01, TM01
LP21 HE31, EH11
LP02 HE12
LP31 HE41, EH21
LP12 HE22, TE02, TM02
LPim HE2m, TE0m, TM0m
LPim (i diferente de 0 o 1) HEi+1, m ; EHi-1,m
Vistos de otra forma, para ejemplificar los modos LP01, LP11 y LP21 se
pueden apreciar de la siguiente forma: .
Pero intentemos explicarlo de forma más sencilla...
Modos vistos desde un perfil de campo
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
93
Si considera que un
rayo de luz es un
"modo" y por ejemplo,
el sol emite luz en todas
las direcciones,
entonces la emisión del
sol es del tipo
"multimodo". No es la
mejor aplicación del
término, pero sirve para
una primera explicación
básica. Un láser, por
otra parte, puede
considerarse un haz de
luz único: un rayo, un
modo, “monomodo”. Monomodo significa que el núcleo de la fibra es tan
pequeño y el modo viaja tan ajustado en el núcleo que hay poco espacio para
que rebote. Un modo, un camino. Una fibra óptica Monomodo, es una guía
de onda con una extensión espacial transversal pequeña y/o una pequeña
diferencia de índice de refracción (apertura numérica pequeña) que puede ser
capaz de guiar solo un modo transversal único, para una frecuencia óptica y
polarización dadas, y no modos de orden superior.
Cuando decimos multimodo en fibra óptica, significa que hay múltiples
patrones de onda electromagnética y múltiples caminos que los modos
pueden tomar dentro de la fibra. El núcleo de una fibra multimodo es lo
suficientemente grande como para permitir múltiples caminos. Una fibra
óptica Multimodo es una guía de onda que soporta varios modos guiados.
En multimodo, al tomar múltiples caminos y con diferentes ángulos dentro del
núcleo significa que algunos modos toman un camino más largo a través de
la fibra y algunos. como los que van en su mayoría directamente por el centro,
toman caminos más cortos. Esta diferencia en la distancia recorrida hace que
los pulsos de luz, que comenzaron y terminaron en momentos específicos en
el tiempo, lleguen antes que otros, y lo que comenzó como un pulso con una
determinada forma, ancho y amplitud ahora se solapa y puede interferir con
LOS MULTIPLES RAYOS DEL SOL HACEN QUE PUEDA
CONSIDERARSE UNA EMISIÓN “MULTIMODO”.
Rodolfo Veloz Pérez
94
el siguiente pulso en el receptor, generando la “dispersión modal”. Por lo
tanto, la transmisión multimodo es más simple y más económica, pero está
limitada en velocidad y distancia debido a la dispersión del pulso causada por
todos los modos que viajan a diferentes distancias. La transmisión
monomodo es de costo más alto, no está limitada por la dispersión modal,
puede llevar tasas de pulsos mucho más altas y, en última instancia, termina
siendo una red de alta velocidad menos costosa.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
95
Monomodo vs Multimodo
Cuando definimos que hace que una fibra óptica sea considerada monomodo
o multimodo, para simplificar la comprensión, se dice que aquella que es
capaz de conducir varios modos por el núcleo, es llamada “multimodo”, y
aquella que conduce un solo modo (un solo patrón de onda electomagnética)
es llamada “monomodo”. Sin embargo, la fotónica define esto con una mayor
precisión, y lo dejamos enunciado para aquellos que quieren profundizar un
poco más en el “por qué” de las cosas o el realmente que hace que un núcleo,
sea capaz de conducir un modo o varios modos. Esto, está dado por una
característica que asociaremos a la longitud de onda, la apertura numérica y
lógicamente, al radio del núcleo de la fibra óptica en la que transmitiremos
uno o varios modos.
Número V
El número V es un parámetro adimensional que se usa a menudo en el
contexto de las fibras de índice escalonado o salto de índice. Se define como
𝑉 =
2𝜋
𝜆
⋅ 𝑎 ⋅ 𝑁𝐴 =
2𝜋
𝜆
⋅ 𝑎 ⋅ ?𝑛@
, − 𝑛B
,
donde:
λ : Longitud de onda de vacío
a : Radio del núcleo de la fibra
NA : Apertura numérica
nn : índice de refracción del núcleo
nr : índice de refracción del revestimiento
El número V no debe confundirse con velocidad v, como, por ejemplo,
la velocidad de propagación de la luz en un determinado medio material.
Rodolfo Veloz Pérez
96
Para valores de V inferiores a 2.405, una fibra admite solo un modo por
dirección de polarización: estamos en presencia de fibras monomodo.
Las fibras multimodo pueden tener números V mucho más altos. Para valores
grandes, el número de modos admitidos de una fibra de índice de pasos se
puede calcular aproximadamente como
𝑀 ≈
𝑉,
2
El número V determina la fracción de la potencia óptica en un cierto modo que
se limita al núcleo de la fibra . Para las fibras monomodo, esa fracción es baja
para valores bajos de V (por ejemplo, por debajo de 1), y alcanza un 90%
LAS CURVAS DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN EFECTIVO, VS EL NÚMERO V PARA UNA FIBRA
ÓPTICA CON REVESTIMIENTO Y NÚCLEO DE ÍNDICES ENTRE 1.4537 Y 1.000,
RESPECTIVAMENTE. Β REPRESENTA LA CONSTANTE DE PROPAGACIÓN. LA LÍNEA VERTICAL
INDICA LA SEPARACIÓN ENTRE MONOMODO Y MULTIMODO EN LA FIBRA ÓPTICA (V = 2.405)
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
97
cerca del corte de monomodo en V = 2.405. En índice gradual, el valor
debe ser menor a 3,4 para ser considerado monomodo.
Un valor bajo de número V hace que una fibra sea sensible a las pérdidas por
microcurvatura y a las pérdidas por absorción en el revestimiento. Sin
embargo, un número alto de V puede aumentar las pérdidas de dispersión en
el núcleo o en la interfaz de revestimiento del núcleo.
Ahora tengamos un análisis cuantitativo de la operación de modo único en
una fibra óptica considerando algunos valores ilustrativos como se muestra a
continuación. Para que una fibra sea monomodo:
𝑉 ≤ 2,4
Si sustituimos la expresión por el número V en la ecuación
Supongamos que el valor de la cantidad ?𝑛@
, − 𝑛B
, es igual a 0,1. Entonces,
tenemos:
2𝜋𝑎
𝜆
⋅ 0,1 ≤ 2,4
0,2𝜋𝑎
𝜆
≤ 2,4
0,2 ⋅ 3,14 ⋅ 𝑎
𝜆
≤ 2,4
2𝜋
𝜆
⋅ 𝑎 ⋅ ?𝑛@
, − 𝑛B
, ≤ 2,4
HE11
,
]
⋅ 𝑎 ⋅ ?𝑛@
, − 𝑛B
, ≤ 2,4
Rodolfo Veloz Pérez
98
0,628 ⋅ 𝑎
𝜆
≤ 2,4
𝑎
𝜆
≤
2,4
0,628
𝑎
𝜆
≤ 3,8
𝑎
𝜆
≈ 4
𝑎 ≈ 4 ⋅ 𝜆
Así vemos que, para una fibra que tiene una apertura numérica igual a 0,1 el
radio “a” debe ser menos de 4 veces la longitud de onda. Por lo tanto:
4 x 850 [nm] = 3,4 [μm]. La fibra óptica sería monomodo si su radio es inferior
a 3,4 [μm]
Si se hace esta prueba, para la segunda y la tercera ventana, estos valores
serían aproximadamente 5 [μm] y 6 [μm] respectivamente. Este valor de un
radio es prácticamente muy pequeño y, por lo tanto, las fibras ópticas
monomodo requieren un tipo de fuente Laser especial que tenga un haz de
luz altamente colimado, vale decir, que sus haces de rayos sean paralelos y
muy estrechos.
Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica
99
Modos de Orden Inferior
El modo HE11 es el modo de orden más bajo que se propaga inevitablemente
dentro de una fibra óptica. Como se muestra en la figura, el modo HE11 tiene
un campo eléctrico que siempre se dirige hacia arriba con una amplitud
máxima en el eje y disminuye a medida que nos movemos radialmente hacia
afuera. Los modos TE01 y TM01 tienen campos eléctricos circularmente
simétricos. Estos campos tienen un campo eléctrico máximo en el centro y
disminuye a medida que nos movemos radialmente hacia afuera.
Rodolfo Veloz Pérez
100
Modos de Orden Superior
Los modos con el perfil de intensidad más simple se denominan modos
fundamentales, y todos los demás son modos transversales de orden
superior. El modo fundamental de una guía de onda es el que tiene
el índice de refracción efectivo más alto.
No todas las guías de onda admiten modos de orden superior, estas que no
admiten estos modos de orden superior se denominan guías de onda
monomodo.
La oscilación del láser en los modos de orden superior, así como la
transmisión de luces en los modos superiores de la guía de ondas, están
asociados con la disminución de la calidad del haz.
PATRONES DE MODO TRANSVERSAL LAGUERRE-GAUSSIANO.
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  • 1. MANUAL PARA EL CURSO REDES Y ENLACES DE FIBRA ÓPTICA Guía de Estudios Técnicos RODOLFO VELOZ PÉREZ 1era Versión - 2019
  • 2. Rodolfo Veloz Pérez 2 © Rodolfo Veloz Pérez, 2019. ISBN: Basado en ISBN 978-956-398-485-9 Registro de la Cámara Chilena del Libro Reservados todos los derechos. No se permite la reproducción total o parcial de esta obra, ni su incorporación a un sistema informático, ni su transmisión en cualquier forma o por cualquier medio (electrónico, mecánico, fotocopia, grabación u otros) sin autorización previa y por escrito del titular del copyright. La infracción de dichos derechos puede constituir un delito contra la propiedad intelectual. Título original: MANUAL PARA EL CURSO REDES Y ENLACES DE FIBRA ÓPTICA. Guía de Estudios Técnicos (Extracto parcial del Libro “Comunicaciones en Fibra Óptica” bajo autorización del autor) Esta publicación está financiada por Brainamics Tipografía utilizada: Helvética Neue
  • 3. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 3 INDICE DE CONTENIDOS Introducción .................................................................................................... 9 Acerca del Autor............................................................................................ 11 Renuncia de Responsabilidad....................................................................... 13 Historia de la Fibra Óptica............................................................................. 15 Las primeras teorías de la luz.................................................................... 17 Teoría Corpuscular de la Luz..................................................................... 20 Teoría Ondulatoria de la Luz...................................................................... 24 Modelo ondulatorio de Thomas Young ..................................................... 29 Ecuaciones de Maxwell y Ondas Electromagnéticas................................ 35 Efecto Fotoeléctrico, Mecánica Cuántica y la masa de la luz................... 39 Camino a la invención de la Fibra Óptica.................................................. 47 Confinamiento de la luz ............................................................................. 48 Transmisión guiada de la luz ..................................................................... 51 Invención de la Fibra Óptica...................................................................... 55 Desarrollo de la Fibra Óptica para Comunicaciones................................. 59 Primeras Instalaciones............................................................................... 62 Principios Básicos de la Luz ......................................................................... 65 Teoría Básica de las Ondas Electromagnéticas........................................ 65 Refracción y Ley de Snell .......................................................................... 71 Potencia y Pérdida Óptica ............................................................................ 83 Óptica y Construcción de la Fibra Óptica..................................................... 87 Modos ........................................................................................................... 90 Monomodo vs Multimodo.......................................................................... 95 Perfil de Índices en Fibra Óptica ............................................................. 101
  • 4. Rodolfo Veloz Pérez 4 Características de la Fibra Óptica ............................................................... 105 Dispersión de Rayleigh......................................................................... 110 Dispersión Modal.................................................................................. 112 Dispersión Material............................................................................... 113 Dispersión por guía de onda ................................................................ 115 Dispersión cromática............................................................................ 116 Dispersión por modo de polarización .................................................. 118 Combinación de diferentes tipos de filamentos ...................................... 120 Causas de la Atenuación en Fibra Óptica................................................ 127 Designación de las Fibras Ópticas en ISO/IEC11801.............................. 135 Designación de las Fibras Ópticas en TIA-568........................................ 139 Designación de las Fibras Ópticas en la UIT-T........................................ 145 Cables de Fibra Óptica................................................................................ 167 Resistencia a la tracción .......................................................................... 168 Resistencia al Aplastamiento y al Impacto .............................................. 169 Torsión de los cables ............................................................................... 169 Condiciones ambientales......................................................................... 170 Chaqueta del Cable ................................................................................. 174 Armadura.................................................................................................. 175 Gel Hidrófobo........................................................................................... 176 Tight Buffer............................................................................................... 177 Loose Tube .............................................................................................. 179 Tipos de Cables y Características ........................................................... 181 Estándar de Código de Colores TIA-598................................................. 195 Empalmes por Fusión en Fibra Óptica ........................................................ 202 Errores Comunes en Empalmes por Fusión ............................................ 214
  • 5. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 5 Cortador de Precisión: Su influencia en la fusión.................................... 224 Tecnologías de Empalmes por Fusión .................................................... 226 Conectorización en Fibra Óptica................................................................. 230 Anatomía de un conector: Componentes básicos .................................. 231 Tipos de Conectores ............................................................................... 232 Rendimiento de Conectores según TIA 568 3-D y TIA 758..................... 239 Valores máximos de reflectancia y pérdida por inserción según UIT-T G.671 ....................................................................................................... 240 Telcordia GR-326: Parámetros clave de para un contacto óptimo de fibra ................................................................................................................. 241 Tipos de Pulido........................................................................................ 245 Conectores Epóxico Pulido ..................................................................... 247 Conectores Prepulidos ............................................................................ 249 Código de colores para los conectores .................................................. 250 Inspección de conectores IEC 61300-3-35............................................. 251 Transmisión y Recepción en Fibra Óptica .................................................. 259 Conversor de Medios .............................................................................. 259 Transmisor............................................................................................... 263 Receptor .................................................................................................. 269 Instalación de Fibra Óptica ......................................................................... 273 Tipos de Instalación de cable de fibra óptica.......................................... 273 Topologías de fibra óptica....................................................................... 277 Cables reconocidos en Planta Interna por TIA-568.3-D.......................... 280 Inflamabilidad - Calificación de cables.................................................... 283 Tipos de Fibra y Clasificación.................................................................. 285
  • 6. Rodolfo Veloz Pérez 6 Uniones y Puesta a Tierra ........................................................................ 287 Recepción de cableado y equipo de fibra óptica en el sitio.................... 289 Manipulación de cables de fibra óptica................................................... 291 Seguridad................................................................................................. 293 Hardware Utilizado en la Instalación........................................................ 298 Montajes de conductos según NEC ........................................................ 304 Canalizaciones de Fibra Óptica ............................................................... 308 Limpieza................................................................................................... 310 Pautas de instalación............................................................................... 312 Tensión del Cable .................................................................................... 313 Radio de Curvatura .................................................................................. 316 Evitar el torcimiento del cable.................................................................. 317 Uso de amarras en los cables.................................................................. 318 Equipos de Prueba y Enlace en Fibra Óptica.............................................. 319 VISUAL FAULT LOCATOR....................................................................... 321 MICROSCOPIO........................................................................................ 323 LSPM........................................................................................................ 329 OLTS ........................................................................................................ 331 OTDR........................................................................................................ 347 Ventajas de los Sistemas de Fibra Óptica................................................... 358 Abundancia de Materia Prima.................................................................. 358 Inmunidad al Ruido .................................................................................. 359 Capacidad en Distancia........................................................................... 359 Ancho de Banda ...................................................................................... 360 Relación tamaño y peso........................................................................... 361
  • 7. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 7 Confiabilidad y Seguridad de la Red ....................................................... 363 Escalabilidad Tecnológica....................................................................... 363 Desventajas de la fibra óptica ................................................................. 364
  • 9. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 9 Introducción ¡Hola estimado alumno! Si estás leyendo este Manual, es porque ya te has matriculado en nuestro curso conducente a la Certificación de Fibra Óptica “CERTIFIED FIBER OPTIC INSTALLER”, Certificado por Electronic Technician Association International de Estados Unidos. Con nuestros colegas especialistas, con quienes llevamos años impartiendo cursos de formación para Técnicos e Ingenieros que se desempeñan en el campo de las Telecomunicaciones, hemos entendido el como realizar de manera exitosa la formación que pueda encaminarte a una Certificación Internacional que, de un impulso a tu carrera, y ya estás matriculado en este modelo. Este, espero, sea el paso que esperabas, y que no tan solo te ayude a obtener la distinción que quizás esperabas dada tu experiencia en el campo, sino que además puedas actualizarte y aprender algo más con nosotros. La tecnología de fibra óptica es tremendamente interesante. Desarrollada en los años 60 para las comunicaciones ópticas, recién en el cono sur se están haciendo los despliegues de fibra óptica hasta la casa (FTTH/FTTB), donde la penetración de internet de banda ancha por ejemplo en Chile, no supera el 10%, y hasta hace unos años, incluso no superaba el 5%. Según información del FTTH Council de febrero de 2018, los países que están más avanzados, como Emiratos Árabes Unidos, Qatar, Singapur, ya están superando el 90%. Me ha tocado ver que la formación de los técnicos e Ingenieros aún está en su etapa temprana, y eso representa una dificultad de crecimiento país, porque no permite grandes despliegues de redes a la velocidad que la tecnología lo necesita. Sin embargo, representa una tremenda oportunidad para quienes ya están iniciando sus procesos de formación y actualización en el mundo de la Fibra Óptica a través de la capacitación o certificación. Los altos costos de los instrumentos, herramientas y la falta de especialistas hace que incluso Institutos y Universidades no puedan tener las herramientas suficientes para formar profesionales y técnicos, y nos deja al debe con la tecnología y el conocimiento. La Subsecretaría de Telecomunicaciones lo
  • 10. Rodolfo Veloz Pérez 10 descubrió hace un tiempo cuando desplegó la promoción de su proyecto “Fibra Óptica Austral” en Chile, y coincidió con lo que me ha tocado experimentar en los años que llevo realizando formación a académicos de Institutos y Universidades. Hoy, los primeros que lleguen bien formados, actualizados, tendrán muy buenas oportunidades laborales al menos por los próximos 20 años. La presente guía que tienes en tus manos, ha sido desarrollada sobre la base de mi Libro que fue desarrollado durante todo el año 2018, luego de la experiencia de impartir cursos de formación en Fibra Óptica para más de 1200 alumnos, con el fin de entregar material de apoyo a los programas de formación que he ido desarrollando durante mi carrera, los cuales se encuentran sustentados por Certificaciones Internacionales de carácter neutral. Así, el presente Manual es un extracto orientado a apoyar con la lectura las presentaciones del curso, esperando ayudarte a encaminar tu ruta hacia la certificación, y esperando por supuesto que quieras continuar con nosotros, Brainamics Instituto de Tecnología Aplicada, estudiando las Certificaciones Internacionales de Fibra Óptica que le darán un impulso a tu carrera, certificaciones que antes eran impartidas en idioma inglés por organizaciones profesionales de Estados Unidos, y hoy ya las tienes disponibles en idioma español para el mercado latinoamericano de nuestra mano, a tu alcance. Espero que este Manual sea de apoyo en tu formación, y te sirva de consulta a futuro. Y por supuesto, espero que puedas tener pronto mi libro “Comunicaciones de Fibra Óptica – Guía de Estudios Técnicos” en tus manos. Ing. Rodolfo Veloz. Santiago de Chile, Mayo 2019.
  • 11. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 11 Acerca del Autor Rodolfo Veloz es Ingeniero Electrónico con mención en Telecomunicaciones, Diplomado en Administración de Empresas y Magister en Administración de Empresas. Está certificado como Instructor en Fibra Óptica y Tecnologías de la Información por Electronic Technician Association International de Estados Unidos, bajo la denominación de Certification Administrator, e Instructor de Tecnologías de Fibra Óptica por The Fiber Optic Association de Estados Unidos con la Certificación “Certified Fiber Optic Specialist - Instructor” CFOS/I, contando además con las calificaciones de CFOT, CPCT y QUAL/H (para el FTTH). Además, cuenta con las certificaciones CCTT con el nivel de Instructor por Fluke Networks Academy y UCT - Ubiquiti Certified Trainer de Ubiquiti Networks Academy. Recibió entrenamiento en fibra óptica en China, en las ciudades de Beijing y Wuhan, en China, donde se encuentra el Optics Valley. Es actualmente CEO de Brainamics y Fundador del Instituto de Tecnología Aplicada, y en su trayectoria profesional se ha desempeñado en el mercado técnico y tecnológico como Product Manager, Jefe de Ventas, Gerente
  • 12. Rodolfo Veloz Pérez 12 Comercial y Gerente General, donde para mejorar el rendimiento tanto del personal comercial, técnico, y las brechas tecnológicas de los productos y sus principales usuarios e integradores, desarrolló programas de formación. De esta forma, conformó junto a sus colaboradores un Centro de Entrenamiento Tecnológico donde formó profesionales de Chile y países como Perú, Bolivia, Colombia, Panamá y Venezuela. Rodolfo Veloz estandarizó los programas a los niveles de los principales cursos de certificación de habla inglesa, y así desarrolló todos los programas de formación académica junto a sus contenidos teóricos y prácticos. Hoy, el Instituto de Tecnología Aplicada cuenta con los estándares internacionales habiéndose obtenido las acreditaciones de Instituciones internacionales y sus respectivas certificaciones, lo que permite que sus alumnos obtengan certificaciones neutrales - no vinculantes a marcas, sino con foco en la tecnología y sus estándares - de validez internacional de alto prestigio. De manera incansable, Rodolfo Veloz también formó parte como expositor del primer Seminario de Fibra Óptica en Chile organizado por la Subsecretaría de Telecomunicaciones del Gobierno de Chile, siendo invitado como parte del panel de expertos donde se expuso la tecnología de fibra óptica a raíz del proyecto de Fibra Óptica Austral.
  • 13. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 13 Renuncia de Responsabilidad La información presentada en este Manual está destinada a usarse como pautas básicas para los cursos impartidos por nuestro Instituto, o para apoyar clases o formación de quienes consideren nuestro material formativo apropiado para ello, y de ninguna manera debe considerarse como información completa o exhaustiva. Estas pautas básicas son estrictamente opiniones y recopilaciones de material de estudio de consideración del autor y se espera que el lector las utilice como una base para el aprendizaje, como referencia, y que a partir de allí cree su propia documentación, especificaciones para sus proyectos, pautas de instalación, entre otros. Se debe recordar que el uso de fibra óptica en laboratorio o en campo requiere medidas de seguridad, por lo que es estricta responsabilidad del profesor o instructor a cargo establecer las normas de seguridad y exigir que se cumplan cuidadosamente, así como de quien utilice el libro de forma autodidacta. Brainamics y el autor no asumen ninguna responsabilidad por el uso inapropiado de este material de estudio.
  • 15. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 15 Historia de la Fibra Óptica La fibra óptica es un filamento de vidrio que se construye a partir de una barra llamada preformado, que se lleva a hornos de 2400ºC y que se va formando por gravedad, y de manera controlada se logra su composición óptica geométrica. Cada filamento de fibra óptica está compuesto por un núcleo, un revestimiento, y un recubrimiento, uno adentro del otro. El núcleo y el revestimiento son de silicio y de diferente índice de refracción, lo que permite que la luz que se transmite, sea guiada por el núcleo a través de sucesivas reflexiones totales internas. La fibra óptica en algunos casos puede ser de RODOLFO VELOZ EN EL OPTICS VALLEY, CHINA, FRENTE AL EL HORNO DONDE EL REFORMADO COMIENZA SU PROCESO DE TRANSFORMACIÓN AL FILAMENTO DE FIBRA ÓPTICA
  • 16. Rodolfo Veloz Pérez 16 plástico. Estos filamentos, si bien son flexibles, son frágiles, y se pueden cortar con solo doblarlos. A través de la fibra óptica viajan todo tipo de datos en forma de luz a gran velocidad, permitiéndole recorrer grandes distancias en instantes y con una baja atenuación en comparación con el cobre. Para hacer más fácil la instalación, se juntan varios filamentos en el interior de un cable con diferentes estructuras, para hacerla más resistente y duradera, acorde al medio en el cual se va a instalar. Así, por ejemplo, la estructura mecánica que resguarda a los filamentos de fibra óptica es lo que se llama “cable de fibra óptica”. Estos cables se instalan conformando redes que llegan hasta muchos puntos, desde redes LAN, MAN, WAN, y han reemplazado con el tiempo a los principales medios de comunicación existente, como los enlaces de cobre, microondas, satelitales, entre otros. LA FIBRA ÓPTICA UNA VEZ FINALIZADO SU PROCESO, QUEDA CON UN RECUBRIMIENTO PRIMARIO DE 250 MICRÓMETROS PARA PODER SER BOBINADA Y DESTINADA A LOS FABRICANTES DE CABLES
  • 17. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 17 Las primeras teorías de la luz Para entender la física moderna es necesario entender la luz. Recuerdo que mi primer profesor de Física en la Universidad preguntó precisamente el primer día de clases, si sabíamos algo de física, o si podíamos darle algunos conceptos de física. Todos los conceptos que fuimos dando los fue anotando uno a uno en la pizarra. En ese momento, cuando finalizó el bombardeo de conceptos de todos los presentes en la sala, comenzó a interrelacionarlos, y luego explicó que todos se resumían en un solo concepto físico: Luz. La luz, es un fenómeno cuántico y es necesariamente relativista. Viaja a la en el vacío a 3 x 108 [m/s], y clásicamente se describe por una onda dada sus propiedades de propagación observadas por los diferentes científicos que contribuyeron a su actual definición y conocimiento de su naturaleza, pero a su vez, tiene propiedades similares a partículas dada sus características en el mundo cuántico. LA LUZ Y SU DESCOMPOSICIÓN EN DISTINTAS LONGITUDES DE ONDA A PARTIR DE LA LUZ BLANCA.
  • 18. Rodolfo Veloz Pérez 18 Los antiguos griegos tuvieron concepciones de la luz muy interesantes, y estos estaban relacionadas respecto de la observación, la visión. Empédocles dijo que rayos de luz emanan de los ojos y devuelven información. Empédocles, postuló que la visión se produce por el choque de los rayos de luz que emiten nuestros ojos y los rayos de otra fuente de luz, como el sol, en el objeto que observamos. Demócrito consideraba que la luz tenía una naturaleza corpuscular, y que la visión estaba causada por la proyección de las partículas que provienen de los objetos mismos y finalmente el alma interpretaba lo que habían captado los ojos. Aristóteles planteó que la luz es EL EXTRAÑO COMPORTAMIENTO CUÁNTICO DE LA LUZ, CAPTURADO EN UN LABORATORIO. MUESTRA LA LUZ ATRAPADA DENTRO DE UN CABLE PLATEADO DE 40 NANÓMETROS DE ANCHO.
  • 19. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 19 la actividad de lo que es transparente, proponiendo que la luz es una forma, no una sustancia o materia. EMPEDOCLES
  • 20. Rodolfo Veloz Pérez 20 Teoría Corpuscular de la Luz A fines de la década de 1600 dos extraordinarios científicos de la época propusieron teorías aparentemente contrapuestas de lo que es la luz. La luz está compuesta de partículas. Esta teoría fue publicada por Isaac Newton en su obra llamada Opticks: or, a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light (Óptica o tratado de las reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de la luz). Esta teoría lograba explicar tanto la propagación rectilínea de la luz como la reflexión de la luz, aunque no explicaba satisfactoriamente la refracción. En 1666, previamente a enunciar su teoría, Newton había realizado su famoso experimento de descomposición de la luz en colores, lo cual se lograba al hacer que un haz de luz atravesara un prisma. La conclusión a la que llegó fue que la luz blanca está compuesta por el conjunto de los colores del arco iris, lo que en su modelo explicaba diciendo que los corpúsculos de la luz eran diferentes en función de su color. ÓPTICA O TRATADO DE LAS REFLEXIONES, REFRACCIONES, INFLEXIONES Y COLORES DE LA LUZ, EL TRATADO DE ISAAC NEWTON.
  • 21. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 21 Reflexión La reflexión es el fenómeno óptico por el cual cuando una onda (por ejemplo, la luz) incide oblicuamente sobre la superficie de separación entre dos medios, experimenta un cambio de dirección y es devuelta al primero junto con una parte de la energía del movimiento. De esta manera, los corpúsculos chocarían de forma elástica con la superficie de separación de los dos medios, y dado que la diferencia de masas era muy grande, los corpúsculos rebotarían. Así, la componente horizontal de la cantidad de movimiento px se mantendría constante, mientras que la componente normal py invertiría su sentido. Se cumplían así las leyes de la reflexión, siendo el ángulo de incidencia y el de reflexión iguales. NEWTON Y SUS EXPERIMENTOS CON LA LUZ
  • 22. Rodolfo Veloz Pérez 22 Refracción La refracción es el fenómeno que se produce cuando una onda (por ejemplo, la luz) incide oblicuamente sobre el espacio de separación entre dos medios, con distinto índice de refracción. Cuando esto ocurre, la onda penetra y se transmite por el segundo de medio junto con una parte de la energía del movimiento. La refracción tiene lugar debido a la distinta velocidad a la que se propaga la onda en los dos medios. Para explicar la refracción, Isaac Newton propuso que las partículas luminosas incrementan su velocidad al pasar de un medio menos denso a otro más denso. De este modo, en el marco de su teoría corpuscular justificó la refracción suponiendo una atracción más intensa de las partículas luminosas por parte del medio con más densidad. Sin embargo, se debe considerar que, según su teoría, en el instante en el que una partícula luminosa procedente del aire incide sobre el agua o un vidrio, esta debería sufrir una fuerza opuesta al componente de su velocidad perpendicular a la superficie, lo cual conllevaría una desviación de la luz contraria a la realmente observada. Sin embargo, existían debilidades o fallas en la teoría corpuscular de la luz. Se planteó que la luz viaja más rápido en los medios más densos que en los medios menos densos, lo cual se terminó comprobando que no es así. También, la idea de que los diferentes colores de la luz tienen relación con el tamaño de los corpúsculos no tiene ninguna justificación. Además, Newton pensaba que la reflexión de la luz se debía a la repulsión entre los corpúsculos y la superficie en la que se refleja; mientras que la refracción está causada por la atracción entre los corpúsculos y la superficie que los refracta. Sin embargo, esta afirmación se comprobó incorrecta, ya que por ejemplo, los cristales reflejan y refractan la luz al mismo tiempo, lo cual según la teoría corpuscular de la luz implicaría que existiera atracción y repulsión de la luz al mismo tiempo. Por otra parte, la teoría corpuscular no puede explicar los fenómenos
  • 23. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 23 de difracción, interferencia y polarización de la luz. Así, se define la Teoría de Newton como una teoría de la luz incompleta, pero que significo un importante paso en el entendimiento de la verdadera naturaleza de la luz. No obstante, el ser incompleta o errónea en ciertos puntos bajo ninguna circunstancia le resta valor y por lo tanto la mencionamos como uno de los pilares fundamentales sobre los que se fue construyendo el conocimiento futuro sobre la luz. LA ÓPTICA DE NEWTON. ILUSTRACIONES EN COLOR DEL FÍSICO INGLES ISAAC NEWTON REALIZANDO SU FAMOSO EXPERIMENTO SOBRE LA LUZ.
  • 24. Rodolfo Veloz Pérez 24 Teoría Ondulatoria de la Luz La luz es un fenómeno de onda. Esta opinión fue presentada por primera vez por Christiaan Huygens aproximadamente al mismo tiempo que Newton. Algunos aspectos de la luz fueron explicados por esta teoría, aunque faltaba una teoría matemática rigurosa. Christiaan Huygens fue astrónomo, físico, matemático y científico. En 1660, demostró que las leyes de la óptica podían explicarse basándose en la suposición de que la luz tenia naturaleza ondulatoria. En 1678, Christian Huygens formuló su teoría ondulatoria de la luz, que posteriormente, en 1690, publicaría en su obra "Treatise on light” o “Traite de la Lumiere”. Postuló, que la luz se propagaba en un material de gran elasticidad, impalpable que todo lo invade, y le llamó éter, que según se creía difundía y producía la sensación de luz al colisionar con el ojo. Propuso entonces, que la luz era emitida en todas las direcciones como un conjunto de ondas que se desplazaban por el éter. Dado que las ondas no se “TRATADO DE LA LUZ” DE CHRISTIAAN HUYGENS
  • 25. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 25 ven afectadas por la gravedad, asumió la velocidad de las ondas se reducía cuando entraban en un medio más denso. Su modelo resultó particularmente útil para explicar la ley de Snell- Descartes sobre la reflexión y la refracción. También explicaba satisfactoriamente el fenómeno de la difracción, fenómenos que no eran explicados por la teoría de Newton. Reflexión La reflexión es un fenómeno óptico que tiene lugar cuando una onda incide de forma oblicua sobre una superficie de separación entre dos medios y sufre un cambio de dirección, siendo devuelta al primer medio junto con parte de la energía del movimiento. El principio de Huygens permite demostrar las leyes de la reflexión. Se comprueba que cuando una onda alcanza la separación de los medios, cada punto se convierte en un nuevo foco emisor emitiendo ondas secundarias. El frente de ondas reflejado es la envolvente de las ondas secundarias. El ángulo de este frente secundario de ondas reflejado es exactamente el mismo que el ángulo incidente. CHRISTIAAN HUYGENS POR CASPAR NETSCHER, PINTOR BARROCO HOLANDES, ESPECIALIZADO EN PINTURA DE GABINETE Y RETRATOS (1671).
  • 26. Rodolfo Veloz Pérez 26 Refracción Sin embargo, la refracción es el fenómeno que tiene lugar cuando una onda incide oblicuamente sobre un espacio de separación entre dos medios, que tienen índice de refracción diferente. Cuando esto sucede, la onda penetra y se transmite por el segundo de medio junto con parte de la energía del movimiento. La refracción sucede como consecuencia de la diferente velocidad con la que se propagan las ondas en los distintos medios. Un ejemplo típico del fenómeno de refracción se puede observar cuando se introduce parcialmente un objeto en un vaso con agua. El principio de Huygens proporcionó una explicación convincente sobre la refracción. Los puntos en el frente de onda situados en el límite entre los dos medios actúan como nuevas fuentes de propagación de la luz y de este modo la dirección de propagación cambie. Difracción La difracción es un fenómeno físico característico de las ondas que consiste en la desviación de las ondas cuando encuentran un obstáculo en su camino DIFRACCIÓN DE LA LUZ
  • 27. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 27 o atraviesan una rendija. La difracción se produce únicamente cuando la onda se distorsiona por causa de un obstáculo cuyas dimensiones son comparables a su longitud de onda. La teoría de Huygens explica que cuando la luz incide sobre una rendija todos los puntos de su plano se convierten en fuentes secundarias de ondas emitiendo, como ya ha explicado anteriormente, nuevas ondas que en este caso reciben el nombre de ondas difractadas. El principio de Huygens dejaba una serie de preguntas sin respuesta. Su afirmación de que cada punto de un frente de onda era a su vez una fuente de una nueva onda, no permitía explicar por qué la luz se propaga tanto hacia atrás como hacia adelante. Igualmente, la explicación del concepto de éter no resultaba enteramente satisfactoria. Pese a ser capaz de responder más interrogantes de la luz que la teoría corpuscular de Newton, la teoría ondulatoria de Huygens no fue aceptada por los científicos de su época, salvo contadas excepciones. El enorme prestigio de Newton y el gran éxito que alcanzó su mecánica junto con los problemas para entender el concepto del éter, hicieron que la mayoría de los científicos contemporáneos a ambos se decantaran por la teoría corpuscular del físico inglés. En el período comprendido entre 1700 y aproximadamente 1860, hubo un debate sobre cuál era la opinión correcta. Muchos experimentos fueron realizados para tratar de resolver la disputa. Sin embargo, la mayoría de estos podrían explicarse por cualquiera de las vistas (aunque a veces con algunas consecuencias bastante extrañas).
  • 29. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 29 Modelo ondulatorio de Thomas Young No fue hasta el siglo XIX cuando se recuperó el modelo ondulatorio. Fue fundamentalmente gracias al aporte de Thomas Young quien logró explicar todos los fenómenos de la luz partiendo de la base de que la luz es una onda longitudinal. En 1801 realizó su famoso experimento de la doble rendija. Con este experimento Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente luminosa lejana cuando se difracta tras atravesar dos rendijas. Del mismo modo, Young también explicó mediante el modelo ondulatorio la dispersión de luz blanca en los diferentes colores del arco iris. Demostró que en cada medio cada uno de colores que componen la luz posee una frecuencia y una longitud de onda características. THIOMAS YOUNG
  • 30. Rodolfo Veloz Pérez 30 De esta forma, gracias a este experimento demostró la naturaleza ondulatoria de la luz. En este experimento se deja pasar la luz por dos ranuras muy próximas entre sí. El patrón resultante de alternar bandas claras y oscuras resulta de la interferencia. Este experimento es extremadamente difícil (si no imposible) de explicar con una vista de partículas de la luz. Sin embargo, Young no era un científico influyente y, por lo tanto, su experimento no tuvo el impacto inmediato que debería tener. Curiosamente, con el tiempo este experimento se demostró clave para demostrar la dualidad onda corpúsculo de la luz, una característica fundamental de la mecánica cuántica. Este experimento ahora se realiza fácilmente con un puntero láser y cortes apropiados. Este fue el experimento clave para comprender la dualidad de la luz en mecánica cuántica. EXPERIMENTO DE LA RENDIJA, QUE FUE UTILIZADO POR THOMAS YOUNG PARA DEMOSTRAR QUE LA LUZ ES UNA ONDA. HOY, EXPLICA LOS FENÓMENOS DE LA DUALIDAD DE LA LUZ EN MECÁNICA CUÁNTICA.
  • 31. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 31 En 1818 se hace el experimento del punto de Poisson. La Academia Francesa decidió acoger un desafío, ya que los miembros de la Academia, al igual que los científicos de todo el mundo, notaron en aquel entonces que la luz cuando viajaba de un medio a otro, se curva en medios cristalinos cambiando su dirección. Era factible medir la curvatura de la luz, pero era un misterio que provocaba la curvatura, lo que lógicamente estaba asociado a su naturaleza, partículas u ondas. Augustin Fresnel, había estudiado los efectos de la luz, y planteó que la luz emitía ondas perpendiculares a la dirección en la que viajaba. Su idea causó un gran revuelo. Siméon Poisson, creía que la luz viajaba como una serie de partículas, todas con complicadas interacciones entre sí. Poisson, Fresnel y otros científicos se reunieron y tuvieron una entusiasta serie de debates relacionados con la naturaleza de la luz y los efectos observables en su viaje a través de varios medios. Poisson quiso acabar definitivamente con la teoría de Fresnel. Razonó que si la luz era realmente una onda, entonces cuando esta chocara contra una esfera perfecta, las ondas de luz se curvarían a los lados del objetos. La simetría perfecta de una esfera implicaría que todas las ondas de luz se encontrarían en el centro exacto de la sombra que se forma detrás de ella. Allí, la gente sería capaz de ver un punto brillante de luz. Claramente, esto era absurdo en la teoría corpuscular. Francoise Arago, uno de los jueces de la Academia Francesa se dio cuenta de que Poisson había descrito el experimento perfecto para comprobar la teoría. Encontró un objeto redondo, también la luz que permitiría hacer el experimento, y muy pronto, encontró el EL PUNTO DE POISSON
  • 32. Rodolfo Veloz Pérez 32 punto, que fue justo donde Siméon Poisson dijo que sería. Aunque Francoise Arago realizó la prueba, el pequeño punto de luz en el centro de la sombra se llama “Punto de Poisson” En 1849 se hacen mediciones de la velocidad de la luz. La primera medición terrestre fue realizada por H. Fizeau. Fizeau calculó que la velocidad de la luz era de 313,300 [km/s], que estaba dentro del 5% del valor correcto. Fizeau publicó los primeros resultados obtenidos por su método para determinar la velocidad de la luz en 1849. Fizeau hizo la primera sugerencia en 1864 de que la "velocidad de una onda de luz se usara como estándar de longitud”, lo que hoy es una realidad para el metro. Previamente en el año 1676 fueron examinadas las órbita de las lunas de Júpiter para el cálculo de la velocidad de la luz por O. Romer. En 1850, se hace la medición de la velocidad de la luz en el agua en comparación con el aire. Como datos a considerar: • La teoría de las ondas predice un viaje más lento a través del agua • La teoría de las partículas predice un viaje más rápido HYPPOLYTE FIZEAU, EL PRIMERO EN MEDIR LA VELOCIDAD DE LA LUZ.
  • 33. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 33 El resultado demostró que la luz viajaba más lento en el agua, de alguna forma confirmando la teoría ondulatoria de la luz. EXPERIMENTO DE FIZEAU PARA ESTUDIAR LA VELOCIDAD DE LA LUZ. DE ACUERDO CON LAS TEORÍAS QUE PREVALECÍAN EN ESE MOMENTO, LA LUZ QUE VIAJABA A TRAVES DE UN MEDIO MÓVIL SERÍA ARRASTRADA POR EL MEDIO, DE MODO QUE LA VELOCIDAD MEDIDA DE LA LUZ SERÍA UNA SUMA SIMPLE DE SU VELOCIDAD A TRAVES DEL MEDIO MÁS LA VELOCIDAD DEL MEDIO.
  • 35. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 35 Ecuaciones de Maxwell y Ondas Electromagnéticas A mediados del siglo XIX, Michael Faraday realizó muchos experimentos innovadores en el área de la electricidad y el magnetismo. Faraday creía que había una conexión íntima entre la electricidad y el magnetismo y sus experimentos lo corroboraban. También creía que la luz estaba relacionada. Su experimento que muestra que la polarización de la luz que pasa a través del cuarzo era cambiada por la presencia de un campo magnético fuerte, hoy llamado rotación de Faraday, lo convenció de que estaba en el camino correcto. Sin embargo, Faraday no era un teórico experimentado y podía desarrollar una teoría para promover su convicción. En la década de 1860, otro científico británico, James Clerk Maxwell, tomó la causa de Faraday. Maxwell fue un experimentado teórico, reconocido como uno de los mejores físicos de la historia, y desarrolló la teoría matemática en uno de los pilares de la física moderna. La teoría de Maxwell sobre el electromagnetismo fue rápidamente considerada como un gran avance en el conocimiento humano. En su teoría, unificó formalmente los fenómenos eléctricos y magnéticos y en el proceso propuso un nuevo fenómeno, las ondas electromagnéticas. Las matemáticas estipularon que estas ondas viajan a una velocidad de JAMES CLERK MAXWELL
  • 36. Rodolfo Veloz Pérez 36 aproximadamente 3x108 [m/s], muy cercana al valor de la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Supuso que esta nueva entidad era en realidad luz. Su idea fue verificada experimentalmente unos 20 años después. La teoría de Maxwell unificó no solo los fenómenos eléctricos y magnéticos, sino también la óptica. Más tarde se entendió que otros fenómenos, ondas de radio, rayos X, rayos gamma, microondas, radiación infrarroja y ultravioleta eran ondas electromagnéticas. El trabajo de Maxwell fue inmediatamente aclamado como un éxito y ha resistido la prueba del tiempo al no ser modificado en los 150 años de su existencia. En su teoría, los elementos en ciernes de la relatividad especial fueron incorporados, es decir, la teoría de Maxwell es una teoría relativista especial de la radiación electromagnética. Aunque la teoría cuántica posterior cambiaría la vista de la luz, las ecuaciones de Maxwell siguen siendo válidas dentro de ella. Ahora es el momento de discutir de la manera más simple posible lo que dice la teoría de Maxwell.
  • 37. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 37 Comprendiendo las Ecuaciones de Maxwell Las relaciones centrales en la teoría electromagnética de Maxwell son sus cuatro ecuaciones de Maxwell. No explicaremos su forma matemática, sino que simplemente describiremos con palabras lo que significan. Estas ecuaciones eran en su mayoría conocidas antes de Maxwell, pero él las combinó en una sola teoría. Ley de Gauss. Esta fórmula esencialmente le dice cómo encontrar el campo eléctrico en una región donde hay una carga eléctrica neta, “Las cargas eléctricas producen campos eléctricos”. No hay monopolos magnéticos. Esto es idéntico al anterior, pero con campos magnéticos y la relación es igual a cero, “No hay fuentes puntuales de campos magnéticos, es decir, no hay cargas magnéticas”. Ley de Faraday. El trabajo anterior de Faraday había encontrado que un campo magnético que cambia el tiempo puede crear un campo eléctrico. Esto significa que la inducción electromagnética, no necesariamente necesita cargas eléctricas puntuales para crear un campo eléctrico. Ley de Ampere. Hay dos partes en esta ecuación. La primera parte es un análogo de la ley de Gauss y establece que un campo magnético es creado por corrientes eléctricas, vale decir, cargas eléctricas en movimiento. Lo que Maxwell agregó, basado en la simetría, es otro término que establece que un campo eléctrico cambiante puede crear un campo magnético, al igual que la ley de Faraday. El descubrimiento importante que hizo Maxwell involucró la combinación de las dos últimas ecuaciones cuando no hay cargas eléctricas o corrientes presentes, vale decir, no estamos en presencia de una fuente. Vio que había un posible fenómeno de autosuficiencia que se deriva de un proceso básico y perpétuo: Cambio del campo eléctrico implica un Cambio del campo magnético.
  • 38. Rodolfo Veloz Pérez 38 Además, la relación matemática que surge de la combinación de las leyes de Faraday y Ampere toma la forma de un fenómeno de onda. Maxwell reconoció esto y llamó a esta entidad “onda electromagnética”. A partir de la ecuación de onda matemática, pudo determinar qué tan rápido viajaría tal onda. Resultó estar muy cerca de la velocidad de la luz. Aunque su descubrimiento no tuvo una verificación experimental inmediata, la belleza de la idea condujo a su rápida aceptación por parte de la comunidad científica. Tomó otros veinte años para la confirmación experimental de Heinrich Hertz. HEINRICH HERTZ, QUIEN CONFIRMA EXPERIMENTALMENTE LA EXISTENCIA DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS PREDICHAS POR MAXWELL.
  • 39. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 39 Efecto Fotoeléctrico, Mecánica Cuántica y la masa de la luz A fines de la década de 1800, Thomas Alba Edison anotó en su cuaderno de laboratorio que un tipo particular de metal cuando se expone a luz ultravioleta emite electrones. En 1902, este efecto se examinó cuidadosamente y se observó que la teoría de Maxwell no podía explicar algunas de sus características clave. Una de las características, es que, si se emiten electrones, lo harán inmediatamente después de que se encienda la luz. La energía de los electrones que emanan es directamente proporcional a la longitud de onda de la luz. El problema es que, si se usa una fuente de luz débil, la onda de luz se EFECTO FOTOELECTRICO. (UNIVERSIDAD TECNICA DE VIENA)
  • 40. Rodolfo Veloz Pérez 40 propaga en todas direcciones, es decir, la energía de la luz se distribuye sobre una esfera grande en constante crecimiento. Si la placa de metal es bastante pequeña, la cantidad de luz que llega será una porción muy pequeña de toda la onda esférica. Por lo tanto, poca energía será entregada a la placa. Sin embargo, se puede observar en ocasiones que casi inmediatamente después de encender la luz se emite un electrón. La teoría de Maxwell no puede entregar una cantidad suficiente de energía a la placa para patear al electrón en este caso. Otra de las características, es que si se usa una luz de longitud de onda larga, no se emiten electrones sin importar cuán intensa sea la fuente. En la teoría de Maxwell, la potencia emitida por la onda de luz es proporcional a la amplitud o intensidad de la onda. Por lo tanto, para entregar energía suficiente al electrón, todo lo que uno haría es aumentar la intensidad. Sin embargo, el experimento revela que la intensidad no tiene en cuenta el problema, sino que es la longitud de onda o frecuencia lo que importa. Sin embargo, una fuente de rayos X muy débil, con baja amplitud, expulsará electrones. La teoría de Maxwell no puede explicar estos resultados. LA FRECUENCIA DE LA LUZ ROJA (IZQUIERDA) ES MENOR QUE LA FRECUENCIA DE UMBRAL DE ESTE METAL, POR LO QUE NO SE EXPULSAN ELECTRONES. LA LUZ VERDE (CENTRO) Y LA LUZ AZUL (DERECHA) TIENEN FRECUENCIA MAYOR, POR LO QUE AMBOS PROVOCAN LA FOTOEMISIÓN. LA LUZ AZUL DE MAYOR ENERGÍA EXPULSA ELECTRONES CON MAYOR ENERGÍA CINETICA EN COMPARACIÓN CON LA LUZ VERDE.
  • 41. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 41 Einstein y el Efecto Fotoeléctrico En 1905, Einstein propuso que, para explicar los resultados del efecto fotoeléctrico, se debe pensar que la luz está compuesta de partículas. Sobre la base de la teoría de la radiación de cuerpos negros de Max Planck, Einstein propuso que la energía de radiación no se distribuye de forma continua sobre el frente de onda, sino que se localiza en pequeños haces, que más tarde serían llamados fotones. La energía del fotón estaría asociada con su frecuencia, a través de una constante de proporcionalidad conocida como constante de Planck, o alternativamente, utilizando la longitud de onda y la velocidad de la luz. ALBERT EINSTEIN
  • 42. Rodolfo Veloz Pérez 42 Aparece, en la definición de la partícula, el concepto del “Fotón”. Con esta propuesta de Einstein, se pueden explicar todas las propiedades del efecto fotoeléctrico. Por este resultado, Einstein ganó el Premio Nobel en 1922. Einstein, vuelve a los inicios propuestos por la teoría corpuscular de la luz de Newton, que lo experimenta desde su visión de mecánica clásica, pero lo vuelve basado en la Mecánica cuántica. ¿Cómo puede ser esto? Un experimento en 1909 por G.I. Taylor hizo evidente esta extraña naturaleza. Esencialmente realizó un experimento de doble rendija, pero envió solo un fotón a la vez. ¿Qué es lo que vio? El patrón de interferencia familiar, los resultados de interferencia discutidos anteriormente y que fueron explicados por Thomas Young. El experimento de la doble rendija, no se puede explicar mediante una vista de partículas de la luz, sino que necesitamos poder abarcar ambas vistas para explicar este experimento, una vista de onda para EINSTEIN RECIBE EL PREMIO NOBEL POR SU DESCUBRIMIENTO EN EL EFECTO FOTOELECTRICO.
  • 43. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 43 obtener el patrón de interferencia y también una vista de partículas para explicar la apariencia de los electrones. RESULTADO DEL EXPERIMENTO DE LA DOBLE RENDIJA: MÚLTIPLES PATRONES DE ONDA
  • 44. Rodolfo Veloz Pérez 44 Mecánica Cuántica como respuesta a la dualidad de la luz Muchas partículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en algunos experimentos mientras aparecen como partículas compactas y localizadas en otros experimentos. Este comportamiento dual, es típico de la observación en la mecánica cuántica, donde algunas partículas pueden presentar interacciones muy localizadas y como ondas exhiben el fenómeno de la interferencia. De acuerdo con la física clásica existen diferencias claras entre onda y partícula. Una partícula tiene una posición definida en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula. Esto, provocó durante todos los años de estudio de la luz, la imposibilidad de definir su real naturaleza. El concepto de dualidad onda- partícula fue introducido por Louis de Broglie, en 1924 en su tesis doctoral, donde presentaba por primera vez la dualidad onda corpúsculo característica de la mecánica cuántica. Su trabajo se basaba en los trabajos de Einstein y Planck, y propuso la existencia de ondas de materia, es decir, que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, De Broglie recibió el Nobel en Física por su trabajo. LOUIS DE BROGLIE
  • 45. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 45 Entonces, la luz puede explicarse por su doble naturaleza: • Corpuscular, en su interacción con la materia, donde apreciaremos fenómenos de absorción o de esparcimiento, típicos fenómenos presentes en la comunicación por fibra óptica. • Ondulatoria, en su propagación electromagnética. Aquí, fenómenos asociados, por ejemplo, a dispersiones por guía de ondas, o por modo de polarización están vinculadas a este fenómeno. Según el célebre físico Stephen Hawking, se considera que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”.
  • 47. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 47 Camino a la invención de la Fibra Óptica Las primeras técnicas de comunicación a larga distancia, como las "señales de humo", desarrolladas por nativos norteamericanos eran de hecho, enlaces de comunicación óptica. Una versión a gran escala de esta técnica de comunicación óptica fue el "telégrafo óptico" desplegado en Francia y en otros lugares a fines del siglo XVIII. El "telégrafo óptico" era una serie de altas torres que transmitían mensajes a una velocidad de unas pocas palabras por minuto por medio de grandes semáforos que podían manipularse para deletrear palabras. Sin embargo, el desarrollo de la comunicación por fibra óptica esperaba el descubrimiento de la Reflexión total interna o “TIR” (Total Internal Reflection) y una serie de innovaciones electrónicas y ópticas adicionales. EL TELÉGRAFO ÓPTICO UN ALFABETO SENCILLO (ARRIBA, CENTRO), LA IDEA ERA QUE CADA 20-25 KM HUBIESE UN “REPETIDOR” ÓPTICO PARA TRANSMITIR EL MENSAJE. PESE A SU BURDO MECANISMO –FUE CRITICADO POR DIBUJANTES COMO RODOLPHE TÖPFFER (1831, ARRIBA A LA DERECHA)– SE INSTALÓ DURANTE DECADAS, Y FUNCIONABA
  • 48. Rodolfo Veloz Pérez 48 Confinamiento de la luz En en 1841, Jean-Daniel Colladon, un profesor suizo de 38 años en la Universidad de Ginebra, demostró por primera la reflexión total interna. Quería mostrar el flujo de fluido a través de varios orificios de un tanque y la ruptura de los chorros de agua. . Sin embargo, en la sala de conferencias el público no podía ver el agua que fluía. Resolvió el problema al recolectar y pasar la luz del sol a través de un tubo a la mesa de conferencias. La luz se enfocó a través del tanque de agua y se hizo que incidiera en el borde del chorro en un ángulo de mirada. El TIR atrapó la luz en el líquido y la obligó a seguir la trayectoria curva hasta que se rompió el chorro de agua. En lugar de viajar en línea recta, la luz siguió la curvatura del flujo de agua. Colladon demostró una guía de luz en chorros de agua a través de una serie de actuaciones públicas en la inteligencia urbana de París. Auguste de la Rive, otro físico de Ginebra, duplicó el experimento de Colladon utilizando luz de arco eléctrico. Colladon diseñó un dispositivo espectacular con luz de arco para el Conservatorio de Artes y Ciencias de París en 1841, octubre. JEAN-DANIEL COLLADON
  • 49. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 49 Colladon envió un documento a su amigo Francois Arago, quién dirigió la Academia Francesa. Arago recordó que Jacques Babinet, un especialista francés en Óptica había hecho demostraciones similares en París. Enfocó la luz de las velas en el fondo de una botella de vidrio mientras vertía un chorro fino de agua desde la parte superior, guiando la luz a lo largo del chorro. Arago le pidió a Babinet que escribiera su trabajo, pero Babinet no creía que el trabajo fuera muy importante. Sin embargo, hizo un comentario de que "la idea también funciona muy bien con un vástago de vidrio curvado de cualquier manera y había indicado que podría usarse para iluminar el interior de la boca. EXPERIMENTO DE COLLADON
  • 51. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 51 Transmisión guiada de la luz En 1870, John Tyndall, utilizando un chorro de agua que fluía de un recipiente a otro y un rayo de luz, demostró que la luz usaba la reflexión interna para seguir un camino específico. A medida que el agua se derramaba a través del pico del primer recipiente, Tyndall dirigió un rayo de luz solar a la trayectoria del agua. La luz, tal como la vio la audiencia, siguió un camino en zigzag dentro del camino curvo del agua. Este sencillo experimento, marcó la primera investigación sobre la transmisión guiada de la luz. Luz de tuberías William Wheeling, en 1880, patentó un método de transferencia de luz llamado "luz de tuberías". Wheeling creía que al usar tubos revestidos con un revestimiento altamente reflectante que se ramificaban desde una única fuente de iluminación, que en este caso era un arco eléctrico, podía enviar la luz a muchas habitaciones diferentes en de la misma manera que el agua, a través de tuberías, se transporta a través de los edificios de hoy. Debido a la ineficacia de la idea de Wheeling y a la introducción concurrente de la exitosa ampolleta incandescente de Edison, el concepto de luz de tuberías nunca tuvo éxito. JOHN TYNDALL
  • 52. Rodolfo Veloz Pérez 52 Fotófono En 1880, Alexander Graham Bell inventó su “Fotófono” que transmitía una señal de voz en un haz de luz. El experimento consistió en enfocar la luz del sol con un espejo y luego hablar sobre un mecanismo que hacía vibrar el espejo. En el extremo receptor, un detector captó el haz vibrante y lo decodificó en una voz de la misma manera que un teléfono hizo con las señales eléctricas. Sin embargo, muchas cosas, un día nublado, por ejemplo, podrían interferir con el fotófono, haciendo que Bell deje de investigar más con esta invención. Es quizás, la idea precursora del Li-Fi. En 1888, el equipo médico de Roth y Reuss de Viena usó varillas de vidrio dobladas para iluminar las cavidades del cuerpo. En 1895, el ingeniero francés Henry Saint-Rene diseñó un sistema de varillas de vidrio dobladas para guiar las imágenes de luz en un intento de transmisión de televisión. En 1898, el estadounidense David Smith solicitó una patente sobre un dispositivo de varilla de vidrio doblado para usar como lámpara quirúrgica. En la década de EL FOTÓFONO DE GRAHAM BELL
  • 53. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 53 1920 el inglés John Logie Baird y el estadounidense Clarence W. Hansell patentaron la idea de utilizar matrices de barras transparentes para transmitir imágenes para televisión y fax, respectivamente. En 1930, Heinrich Lamm fue la primera persona en ensamblar un paquete de fibras ópticas para llevar una imagen. El objetivo de Lamm era mirar dentro de las partes inaccesibles del cuerpo. Durante sus experimentos, informó que transmitía la imagen de una bombilla. Sin embargo, la imagen era de mala calidad. Su esfuerzo por presentar una patente fue denegado debido a la patente británica de Hansell.
  • 55. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 55 Invención de la Fibra Óptica En el año 1954, Narinder Singh Kapany inventó la Fibra Óptica. Cursó estudios de Ciencias Físicas en la Universidad de Agra, y realizó su doctorado en el Imperial College de Londres, donde obtuvo el título de Doctor en el año 1955. Durante la elaboración de su tesis doctoral, Kapany trabajó con el profesor Harold Hopkins, que se había doctorado en 1947 con una tesis enfocada en el campo de la óptica. Kapany comenzó a trabajar en experimentos que se basaban en los trabajos del físico irlandés John Tyndall y demostraban que la luz podía viajar dentro de un material que podría llegar a curvarse aprovechando las reflexiones internas de éste. En 1954 publicó junto a Harold Hopkins un artículo en la revista Nature llamado “A flexible fibrescope, using static scanning” y que supuso el gran impulso para el desarrollo de la fibra óptica. Ahí describieron que habían sido capaces de conducir un haz de luz a NARINDER SING KAPANY, EL PADRE DE LA FIBRA OPTICA
  • 56. Rodolfo Veloz Pérez 56 través de un conjunto de múltiples fibras de 75 centímetros de largo con bajas pérdidas, dando el gran salto que, hasta esa fecha, había frustrado todos los intentos de conducción de luz bajo un soporte físico que pudiese ser curvado. El “abstract” plantea lo siguiente: “Se ha ideado una unidad óptica que transmitirá imágenes ópticas a lo largo de un eje flexible. La unidad comprende un paquete de fibras de vidrio u otro material transparente, y por lo tanto parece apropiado introducir el término "fibroscopio" para denotarlo. Un uso obvio de la unidad es reemplazar el tren de lentes empleado en los endoscopios convencionales. Los instrumentos existentes de este tipo, por ejemplo, cistoscopios, gastroscopios y broncoscopios, etc., consisten en un tren de copiado de lentes y lentes de campo intermedio. Son rígidos o tienen una flexibilidad limitada. Además, la calidad de imagen de estos sistemas es deficiente, ya que consisten solo en lentes positivos que dan lugar a una gran curvatura de campo. En los gastroscopios existentes, el número total de lentes empleadas puede ser de hasta cincuenta, y en consecuencia la transmisión de luz es deficiente, debido a la trayectoria total del vidrio y al número de superficies de aire y vidrio. Aún más importante a este respecto, sin embargo, es la necesidad de usar pequeñas aberturas relativas para tales instrumentos, lo que es necesario si se desea obtener una definición aceptable con una curvatura de campo tan grande.” Gracias a este artículo, otros investigadores como Basil Hirschowitz , Wilbur C. Peters, y Lawrence E. Curtiss de la Universidad de Michigan pudieron fabricar, en 1965, la primera fibra óptica semiflexible que se usaría para fabricar un gastroscopio o el primer ensayo de transmisión de datos digitales llevado a cabo por Manfred Böhner en los laboratorios de investigación de Telefunken en Ulm (Alemania). La explosión de investigaciones en este campo llevó a Narinder Singh Kapany a publicar en 1967 un libro que, hoy en día, sigue siendo una referencia en este campo "Fibras Ópticas. Principios y Aplicaciones" y que es una de sus obras más conocidas entre los cientos de publicaciones que ha escrito a lo largo de su vida académica. También en 1954, el científico holandés Abraham Van Heel y el Harold Hopkins escriben por separado artículos sobre paquetes de imágenes. Hopkins - quien trabajó con Kapany - informó sobre los haces de imágenes de fibras sin revestimiento, mientras que Van Heel informó sobre los
  • 57. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 57 paquetes simples de fibras revestidas. Cubrió una fibra desnuda con un revestimiento transparente de un índice de refracción más bajo. Esto protegió la superficie de reflexión de la fibra de la distorsión exterior y redujo en gran medida la interferencia entre las fibras. En ese momento, el mayor obstáculo para un uso viable de la fibra óptica era lograr la menor pérdida de señal.
  • 59. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 59 Desarrollo de la Fibra Óptica para Comunicaciones Formado en electrónica de microondas, Charles Kao desarrolló su propuesta para comunicaciones de fibra óptica mientras trabajaba en los Laboratorios de Telecomunicaciones Estándar, conocido por las siglas “STL” en Harlow, Inglaterra. Su objetivo inicial era desarrollar una nueva tecnología para enlaces de aproximadamente 10 km entre las centrales telefónicas locales, un nicho de mercado importante en Gran Bretaña. Charles Kao calculó que requeriría fibras de vidrio con una atenuación de unos 20 [dB] / km, mucho más clara que el vidrio óptico comercial. Cuando Kao preguntó cómo se podía hacer un vidrio transparente, Harold Rawson, de la Universidad de Sheffield, le dijo que la purificación debería reducir las pérdidas por debajo de 20 dB. Eso llevó al artículo histórico que Charles Kao escribió con George Hockham, al proponer que la transmisión a través de fibra CHARLES KAO
  • 60. Rodolfo Veloz Pérez 60 monomodo debería alcanzar 1 [GHz] de ancho de banda y se publicó en 1966. Laser Focus World informó el trabajo de Kao en abril de 1966. Las fibras ópticas revestidas se habían inventado una década antes, y sus usos principales eran en paquetes para imágenes médicas y militares lo suficientemente cortas como para permitir la atenuación de un [dB] por metro. Las telecomunicaciones requerían una gran mejora. Kao primero obtuvo muestras del vidrio más puro disponible, sílice fundida, que se hizo quemando vapor de tetracloruro de silicio en una llama de oxihidrógeno. La pérdida fue tan baja que le resultó difícil de medir, pero finalmente obtuvo un valor extraordinariamente bajo entre 5 y 0 [dB] / km en 1969. En ese momento, solo STL, la oficina de correos británica y Corning, que había inventado la sílice fundida en la década de 1930, estaba investigando las comunicaciones por fibra. Kao viajó por el mundo animando a otros laboratorios a entrar en el campo. MAURER, KECK Y SCHULTZ, EQUIPO DE INVESTIGADORES DE CORNING GLASS
  • 61. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 61 En el año 1970, un equipo de investigadores de Corning Glass, Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz, comenzaron a experimentar con sílice fundido, un material capaz de lograr una pureza extrema con un alto punto de fusión y un bajo índice de refracción. Los investigadores patentaron la "Fibras de guía de onda óptica”, patente n. ° 3.711.262, capaces de transportar 65,000 veces más información que el cable de cobre. Este nuevo conductor, permitió que la información transportada por un patrón de ondas de luz se decodificara en un destino a miles de kilómetros de distancia. El equipo había resuelto los problemas presentados por el Dr. Kao. Charles Kao, recibió el Premio Nobel de Física 2009 "por sus logros innovadores en cuanto a la transmisión de luz en fibras para comunicación óptica”. Fallece el 23 de septiembre de 2018 en Hong Kong. Su trabajo transformó la industria láser y óptica, y al hacer posibles las telecomunicaciones de banda ancha, también transformó el mundo. CHARLES KAO Y SU GUIA DE ONDA
  • 62. Rodolfo Veloz Pérez 62 Primeras Instalaciones La fibra óptica comenzó a desarrollarse durante la década de 1970 en laboratorios de investigación y desarrollo en todo el mundo, como Corning, Laboratorios Bell, ITT (International Telephone and Telegraph) del Reino Unido. En 1975, el gobierno de los Estados Unidos decidió conectar las computadoras en la sede de NORAD en Cheyenne Mountain utilizando fibra óptica para reducir la interferencia. En 1976, en Dorset, Inglaterra fue instalada comercialmente por SCT (Standard Telephones and Cables). En 1977, el primer sistema de comunicación telefónica óptica se instaló en Chicago, Illinois en Estados Unidos por AT&T. Cada fibra óptica llevaba el equivalente a 672 canales de voz. A principios de la década de 1980, las redes de comunicaciones con fibra conectaban las principales ciudades en cada costa. A finales de siglo XX, más del 80% del tráfico de larga distancia del mundo se realizaba a través de cables de fibra óptica y 25 millones de kilómetros del cable. LOGO DE LOS AÑOS 70´ DE LA EMPRESA AT&T
  • 63. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 63 LOGO DE LA ENTONCES STC DE INGLATERRA.
  • 65. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 65 Principios Básicos de la Luz Teoría Básica de las Ondas Electromagnéticas Como se explicó en la breve historia de la luz, ésta está hecha de paquetes discretos de energía llamados fotones. Los fotones son “partículas” que no tienen masa y viajan a la velocidad de la luz. Toda la luz tiene propiedades similares a las partículas y las ondas. Un instrumento que transforma la luz en un espectro para su análisis es un ejemplo de observación de la propiedad de la luz, similar a una onda. La naturaleza luminosa similar a las partículas se observa mediante detectores utilizados en cámaras digitales: los fotones individuales liberan electrones que se utilizan para la detección y el almacenamiento de los datos de imagen. REPRESENTACIÓN DE UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA
  • 66. Rodolfo Veloz Pérez 66 Polarización de la luz Una de las propiedades físicas de la luz es que puede ser polarizada. Las ondas de luz no suelen estar polarizadas, de forma que la vibración electromagnética se produce en todos los planos. La luz que vibra en un solo plano se llama luz polarizada. La polarización es una medida de la alineación del campo electromagnético. Frecuencia de la luz El número de peaks que pasan un punto dado en un segundo se describe como la frecuencia de la onda. Una onda o ciclo por segundo se llama Hertz, cuya nomenclatura de unidad de medida es [Hz]. La unidad de medida se le otorga después de que Heinrich Hertz logró demostrar la existencia de las ondas electromagnéticas. POLARIZACIÓN DE LA LUZ
  • 67. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 67 Longitud de onda de la luz Las ondas electromagnéticas tienen crestas y valles. La distancia entre cada Peak de amplitud o distancia entre las crestas es la longitud de onda. Las longitudes de onda más cortas son solo fracciones del tamaño de un átomo, mientras que las longitudes de onda más largas que los científicos estudian actualmente pueden ser más grandes que el diámetro de nuestro planeta. La longitud de onda es la distancia entre dos peaks positivos de amplitud más cercanos. La amplitud aumenta de 0 a un Peak positivo, pasa por 0, pasa al Peak negativo, luego regresa a 0. Este es un ciclo completo y la distancia que recorre la luz durante este ciclo se denomina longitud de onda y generalmente se representa con el símbolo λ. La Longitud de onda de la luz visible va desde los 400 [nm] a los 700 [nm], y ese espectro es solo una parte de las ondas electromagnéticas. Es el “Espectro visible”. Para efectos de fibra óptica, trabajamos en longitudes de onda de rangos entre 650 [nm] a 1650 [nm], lo que pertenece a la región de los infrarrojos. LONGITUDES DE ONDA Y EL ESPECTRO VISIBLE DE LA LUZ
  • 68. Rodolfo Veloz Pérez 68 Energía de la luz Una onda electromagnética también se puede describir en términos de su energía, en unidades de medida llamadas electronvolt, representado por [eV]. Un electronvolt es la cantidad de energía cinética necesaria para mover un electrón a través de un potencial de un volt [V]. Moviéndose a lo largo del espectro de longitudes de onda largas a cortas, la energía aumenta a medida que la longitud de onda se acorta. Principales parámetros de las ondas electromagnéticas Al igual que cualquier fenómeno de onda, las ondas electromagnéticas tienen parámetros que permiten identificar sus características. Así, tenemos: • Amplitud (A): Es la longitud máxima respecto a la posición de equilibrio que alcanza la onda en su desplazamiento.
  • 69. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 69 • Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por un punto fijo en el espacio. Medido en unidad de tiempo, ejemplo, en segundos. • Frecuencia (ν): Número de oscilaciones del campo por unidad de tiempo; es una cantidad inversa al periodo. Medido en Hertz. • Longitud de onda (λ): Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas. Medido en metros. • Velocidad de propagación (v): Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. En el caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c. La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionadas por la ecuación: 𝑐 = 𝜆 ⋅ 𝜈 = 𝜆 𝑇 En el vacío, todas las formas de radiación electromagnética ya sean microondas, luz visible o rayos gamma, viajan a la velocidad de la luz “c”, que es la velocidad con la que todas las formas de radiación electromagnética viajan en el vacío, una constante física fundamental. con un valor de c = 2.99792458 × 108 [m/s] la cual se aproxima a c = 3 × 108 [m/s] Esto es aproximadamente un millón de veces más rápido que la velocidad del sonido.
  • 71. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 71 Refracción y Ley de Snell Nombrada en honor al astrónomo y matemático holandés Willerbrord Snellius, la ley de Snell establece que la proporción de los senos de los ángulos de incidencia θ1 y refracción θ2 es equivalente a la relación de velocidad de la luz en los dos medios materiales. Cuando la luz se propaga de un medio homogéneo transparente a otro, su dirección de propagación generalmente cambiará. Este fenómeno se llama refracción. Es el resultado de las condiciones de contorno que la onda entrante y la transmitida deben cumplir en el límite entre los dos medios. Esencialmente, las componentes tangenciales de los vectores de UN EJEMPLO DEL FENÓMENO DE LA REFRACCIÓN.
  • 72. Rodolfo Veloz Pérez 72 onda deben ser idénticas, ya que de lo contrario la diferencia de fase entre las ondas en el límite dependería de la posición y los frentes de onda no podrían ser continuos. Como la magnitud del vector de onda depende del índice de refracción del medio, dicha condición solo se puede cumplir en general con diferentes direcciones de propagación. Una excepción es, por supuesto, el caso de incidencia normal, donde los vectores de onda no tienen componentes a lo largo de la superficie. De las consideraciones anteriores, uno puede derivar fácilmente la ley de Snell para los ángulos: 𝑠𝑖𝑛𝜃+ 𝑠𝑖𝑛𝜃, = 𝑣+ 𝑣, = 𝑛, 𝑛+ 𝑛+𝑠𝑖𝑛𝜃+ = 𝑛,𝑠𝑖𝑛𝜃, donde n1 y n2 son los índices de refracción de los dos medios. El ángulo mayor con respecto a la dirección normal debe ocurrir en el medio con el índice de refracción más pequeño.
  • 73. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 73 Los frentes de onda no se interrumpen en la interfaz, sino que solo se modifican en la dirección. Esto solo es posible con un ángulo de propagación modificado. Si el haz incidente proviene del medio con el índice de refracción más alto y su ángulo de incidencia es grande, puede que no sea posible cumplir la ley de Snell con ningún ángulo de salida, ya que el seno del ángulo de salida puede ser como máximo 1. In En ese caso, la refracción no es posible, por lo que se produce una reflexión total interna, que es lo que se busca en la Fibra Óptica. REFRACCIÓN AL PASAR DE UN MEDIO MATERIAL, COMO EL AIRE, A OTRO MEDIO MATERIAL, QUE ES EL VIDRIO.
  • 74. Rodolfo Veloz Pérez 74 Índice de Refracción El índice de refracción de un medio óptico transparente, también llamado índice de refracción es el factor por el cual la velocidad de fase vph disminuye en relación con la velocidad de la luz en el vacío: 𝑣./ = 𝑐 𝑛 Aquí, se supone una propagación lineal de ondas planas. A través de la velocidad de fase, el índice de refracción también determina fenómenos como la refracción, la reflexión y la difracción en las interfaces ópticas. La longitud de onda de la luz en el medio es n veces más pequeña que la longitud de onda de vacío. El índice de refracción de un material1 depende de la longitud de onda. Esta dependencia da origen a la dispersión material, y consecuentemente a la dispersión cromática. Los valores de índice de refracción típicos para vidrios 1 La figura muestra el Índice de refracción de un material, en este caso el Silicio (líneas continuas) e índice de grupo (líneas de puntos) en función de la longitud de onda a temperaturas de 0 ° C (azul), 100 ° C (negro) y 200 ° C (rojo). Los gráficos se basan en datos de M. Medhat et al., J. Opt. A: Pure Appl. Optar. 4, 174 (2002)
  • 75. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 75 y cristales en la región espectral visible están en el rago de 1.4 a 2.8, y típicamente el índice de refracción aumenta para longitudes de onda más cortas. El índice de refracción generalmente también depende de la temperatura del material. En muchos casos, aumenta a medida que aumenta la temperatura, pero en particular para los vidrios, a menudo ocurre lo contrario, esencialmente porque la densidad disminuye con la temperatura. Otras modificaciones del índice de refracción pueden ocurrir a través de la tensión mecánica, llamado “efecto fotoelástico”. El cambiar la composición química, dopando un material con algunas impurezas también puede afectar el índice de refracción, usado para modificar el indice de refracción del núcleo de la fibra óptica. Existe otro tipo de índice de refracción, que es el índice de grupo o índice modal, que cuantifica la reducción en la velocidad del grupo. El índice de grupo determina el índice de refracción que experimenta un modo de propagación en razón a su velocidad de grupo. La constante de propagación 𝛽 de un modo que se propaga por una guía de ondas es el índice efectivo 𝑛122 por el número de onda del vacío 𝑘4: 𝛽 = 𝑛122𝑘4 = 𝑛122 2𝜋 𝜆4 Nótese que el índice efectivo no depende sólo de la longitud de onda sino también de la constante de propagación de la luz. Es por esta razón que también es llamado índice modal. No debe confundirse con una medida o promedio de la cantidad de luz confinada en el núcleo de la guía de onda. Esta falsa impresión resulta de observar que los modos fundamentales en una fibra óptica tienen un índice modal más cercano al índice de refracción del núcleo.
  • 76. Rodolfo Veloz Pérez 76 Reflexión Total Interna Cuando aumenta el ángulo de incidencia θ1, θ2 también aumenta. Cuando θ1 aumenta a un ángulo θc, θ2 = 90 ° (sinθ2 = 1), la onda refractada roza la interfaz. Este ángulo θc se denomina ángulo crítico: 𝜃7 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 : 𝑛, 𝑛+ ; donde n1 son los índices de refracción del medio del que proviene el haz de luz, y n2 el índice de refracción del otro medio. Cuando el ángulo de incidencia θ1 es mayor que el ángulo crítico θc, la ley de Snell indica que la refracción no puede tener lugar: 𝜃+ > 𝜃7 Más allá de ese ángulo, la ley de Snell para el cálculo del ángulo de salida no se pudo cumplir para ningún ángulo de salida real. Esencialmente, la componente del vector de onda a lo largo de la interfaz, que tendría que ser
  • 77. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 77 idéntica para el haz entrante y el transmitido, es tan grande para el haz entrante que no puede ser igualada por un haz transmitido incluso con un ángulo de salida de 90 ° . La luz no puede salir del medio material del rayo incidente, si el ángulo de incidencia excede el ángulo crítico. Lo que sucede es que todos los rayos de luz se reflejan de nuevo en el medio de incidencia, y este fenómeno se denomina Reflexión Total Interna. La reflexión total interna significa que la luz se refleja completamente en la interfaz entre dos medios transparentes si el ángulo de incidencia del rayo incidente, es decir, la desviación angular de la incidencia perpendicular es mayor que el llamado ángulo crítico. REFLEXION TOTAL INTERNA
  • 78. Rodolfo Veloz Pérez 78 Ángulo de Aceptación El ángulo de aceptación de una fibra óptica se define basándose en una consideración puramente geométrica (óptica de rayos), como el ángulo máximo de un modo contra el eje de la fibra, que golpea el núcleo de la fibra permitiendo que el modo incidente sea guiado por el núcleo. El seno de ese ángulo aceptable se llama apertura numérica y está esencialmente determinado por el contraste del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento de la fibra, suponiendo que el haz incidente proviene del aire o del vacío: 𝜃=7 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 : 1 𝑛4 ?𝑛@ , − 𝑛B ,; Aquí, nn y nr son los índices de refracción de núcleo y el revestimiento, respectivamente, y n0 es el índice de refracción del medio alrededor de la fibra, que es un valor cercano a 1 en el caso de aire. El concepto de óptica de rayos no es completamente apropiado para describir los detalles de operación de las fibras ópticas, porque los aspectos de onda son importantes, en particular para las fibras con núcleo pequeño, como las fibras monomodo (recordemos que los modos no son solo “rayos”). Un rayo de luz real (por ejemplo, un rayo láser) no se parece bien a un rayo, ya que inevitablemente tiene tanto un radio de haz finito como una divergencia de haz finito. Por lo tanto, en realidad no hay una transición bien definida entre guía y no guía, cuando se varía el ángulo del haz. Sin embargo, el ángulo de aceptación proporciona al menos una estimación de cuán grande puede ser un ángulo de incidencia para lanzar los modos de manera eficiente.
  • 79. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 79 Apertura Numérica El término apertura numérica (NA) se usa con dos significados diferentes, dependiendo del contexto, que puede ser fibra óptica u óptica de imagen. Apertura numérica de una fibra óptica o guía de onda Se puede considerar un haz de luz que se propaga en el aire y golpea el núcleo de una fibra de índice escalonado o salto de índice con un área de modo grande. La apertura numérica (NA) de la fibra es el seno del ángulo máximo de un rayo incidente con respecto al eje de la fibra, de modo que el haz transmitido se guía en el núcleo. La NA está determinada por la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento, más precisamente por la relación 𝑁𝐴 = 1 𝑛4 ?𝑛@ , − 𝑛B , que puede derivarse del requisito de que el haz de luz transmitido en la interfaz núcleo revestimiento se propague con el ángulo crítico para la reflexión total interna. Aquí, n0 es el índice de refracción del medio alrededor de la fibra, que es un valor cercano a 1 en el caso de aire. De manera similar, la NA también se puede definir para otros tipos de guías de onda. La limitación del ángulo de propagación por la apertura numérica se traduce en una frecuencia espacial transversal máxima de la luz, que es la apertura numérica dividida por la longitud de onda del vacío. Para las fibras monomodo donde la propagación de onda detallada debe tenerse en cuenta,
  • 80. Rodolfo Veloz Pérez 80 esa regla solo da una estimación aproximada, mientras que es bastante precisa para fibras altamente multimodo. Para áreas de núcleo pequeño, por ejemplo, para fibras monomodo, la naturaleza de onda de los haces se vuelve esencial, y la imagen del rayo se vuelve inválida. (La divergencia del haz ya no se puede ignorar). La ecuación anterior todavía se puede usar para definir el NA a través de los índices de refracción. El concepto se vuelve cuestionable para perfiles de índice de refracción sin salto de índice. Una NA alta generalmente se relaciona con una gran divergencia de haz para el modo fundamental que sale del extremo de la fibra, pero esta divergencia de haz también depende del diámetro del núcleo. Para las fibras distintas de salto de índice o índice escalonado, se puede definir una apertura numérica efectiva basada en un perfil de salto de índice equivalente, lo que conduce a propiedades de modo similares. Alternativamente, uno puede calcular una NA a partir del índice de refracción máximo en el núcleo.
  • 81. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 81
  • 83. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 83 Potencia y Pérdida Óptica En los primeros tiempos de la fibra óptica, la potencia de salida de la fuente se medía generalmente en [mW], una escala lineal, y la pérdida se medía en dB, una escala logarítmica. Con el paso del tiempo, todas las medidas cambiaron a dB por motivos de conveniencia. Esto, simplifica los cálculos de presupuesto óptico, pero normalmente genera confusiones entre las diferencias de los conceptos de potencia óptica y pérdida óptica. La potencia óptica es aquella que referiremos a los equipos de transmisión y recepción. Basta con que en la práctica tomemos un datasheet de un transceptor, por ejemplo, un SFP y observemos que los valores de su potencia están expresados en [dBm]. La salida de un transmisor o la entrada a un receptor son mediciones de potencia óptica "absolutas", es decir, se mide el valor real de la potencia. Entonces, la potencia óptica se mide en [dBm].
  • 84. Rodolfo Veloz Pérez 84 La forma de calcular la potencia en dBm es de la siguiente forma: 𝑃[𝑑𝐵𝑚] = 10 ⋅ 𝑙𝑜𝑔+4 : 𝑃O1PQP= 1[𝑚𝑊] ; Las mediciones de la potencia óptica, como la salida de un transmisor o entrada a un receptor se expresarán entonces en unidades de [dBm]. La "m" en [dBm] se refiere a una potencia de referencia de 1 [mW]. Por lo tanto, una fuente con un nivel de potencia de 0 [dBm] tiene una potencia de 1 [mW], NO “0” en potencia, o ausencia de potencia. Asimismo, -10 [dBm] representa 0,1 [mW], lo que nos lleva a explicar de forma simple que “potencias negativas” en [dBm] son en realidad potencias decimales de [mW], NO negativas. La pérdida es una medición de potencia "relativa", la diferencia entre la potencia acoplada a un componente como un cable, empalme o un conector y la potencia que se transmite a través de ella. Esta diferencia en el nivel de potencia antes y después del componente es lo que llamamos pérdida óptica y define el rendimiento de un cable, conector, empalme u otro componente. La pérdida óptica se mide en [dB]. Las mediciones de pérdida se miden en dB, dado que el dB es una relación entre dos niveles de potencia, uno de los cuales se considera el valor de referencia. El dB es una escala logarítmica, en la cual cada 10 dB representa una proporción de 10 veces el valor. La ecuación real utilizada para calcular la pérdida en dB es 𝑃[𝑑𝐵] = 10 ⋅ 𝑙𝑜𝑔+4 S 𝑃O1PQP= 𝑃B121B1@7Q= T Entonces, 10 [dB] es una proporción de 10 veces el valor, 20 [dB] es una proporción de 100, 30 [dB] es una proporción de 1000, etc. Cuando las dos potencias ópticas comparadas son iguales, entonces la pérdida en [dB] es igual a 0. La pérdida es un número negativo, por ejemplo, -3 [dB]. Las mediciones en [dB] a veces pueden ser confusas. Si la potencia medida es más alta que la potencia de referencia, el [dB] será un número positivo, pero si es más baja
  • 85. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 85 que la potencia de referencia será un número negativo. Por lo tanto, las mediciones de pérdida generalmente se expresan como un número negativo. Existe la convención de expresar la pérdida como un número positivo. Por lo tanto, cuando se tiene, por ejemplo, -3 [dB], decimos que la pérdida es de 3 [dB].
  • 87. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 87 Óptica y Construcción de la Fibra Óptica
  • 88. Rodolfo Veloz Pérez 88 Estructura de la Fibra Óptica Núcleo Sección por donde se transmite la luz en la guía de ondas. Formado por silicio, posee un índice de refracción mayor que el revestimiento. Según el tipo de filamento, se tienen núcleos de 9 [um], 62,5 [um] o 50 [um]. Revestimiento Envoltura del núcleo, que al ser de silicio y de un índice de refracción menor al núcleo, permite el comportamiento de guía de ondas de la fibra óptica. Mantiene confinado a los modos en el interior del núcleo. En conjunto con el núcleo, son una unidad indivisible, vale decir, cuando se realiza el proceso de preparación del cable, lo que queda desnudo es la estructura núcleo - revestimiento. El valor del diámetro del revestimiento es de 125 [um] Recubrimiento primario La fibra de sílice tiene una elevada resistencia mecánica intrínseca, que se reduce cuando se producen defectos en su superficie. Por esta razón, una vez estirada la fibra, hay que aplicarle inmediatamente un recubrimiento primario para ajustarla a sus dimensiones. Para preparar los empalmes hay que retirar el recubrimiento primario sin dañar la fibra y sin utilizar materiales o métodos que se consideren aleatorios o peligrosos.
  • 89. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 89 La composición del recubrimiento primario puede llevar colores. El recubrimiento primario tiene un diámetro nominal de 250 μm. Las fibras provistas con un recubrimiento primario se prueban previo a ser entregadas al mercado con una deformación equivalente de, por lo menos, un 0,5% durante un segundo. El método de prueba debe ser conforme a la publicación 793-1 de la CEI. Para probar los cables destinados a las instalaciones aéreas, puede necesitarse una deformación mayor, considerando los grandes cambios térmicos y los fuertes vientos. El recubrimiento primario lo veremos presente en los cables del tipo “Loose Tube”, ya que el resto de las protecciones mecánicas necesarias por el filamento, serán otorgadas por la estructura holgada del cable, y por el relleno con gel de los tubos donde se encuentra protegida la fibra óptica. Recubrimiento secundario Debe preverse una protección secundaria de la fibra dentro del cable. Hay que tener presente que el tipo de cable que contiene filamentos con recubrimiento secundario es el “Tight Buffer”, ya que requiere mayor manipulación del cable y no tiene gel en su interior, dada su estructura ajustada y sus requerimientos ambientales de instalación. Para limitar los esfuerzos axiales de la fibra, conviene minimizar el acoplamiento mecánico entre la fibra y el cable.
  • 90. Rodolfo Veloz Pérez 90 Modos Para guías de onda con grandes extensiones, la óptica de rayos se usa a menudo para describir la propagación de la luz inyectada. Sin embargo, dicha descripción se vuelve inválida cuando se producen efectos de interferencia, y este es particularmente el caso de dimensiones de guía de onda muy pequeñas. En ese caso, se requiere una descripción de onda de la luz, normalmente sobre la base de las ecuaciones de Maxwell, a menudo simplificada con supuestos aproximados. Es común considerar la distribución de campo para una frecuencia óptica y polarización en un plano perpendicular a la dirección de propagación. Son de especial interés aquellas distribuciones que no cambian durante la propagación, aparte de un cambio de fase común. Tales distribuciones de campo están asociadas con los llamados “modos de guía de onda”. Entre los modos que se pueden propagar en fibras ópticas, existen • “Modos TE”: campo eléctrico transversal a la dirección de propagación • “Modos TM”: campo magnético transversal a la dirección de propagación • “Modos híbridos HEmn y Ehmn”: Modos Eléctricos y magnéticos a lo largo de la dirección de propagación La diferencia de índice de refracción entre núcleo n1 y revestimiento n2 es tan pequeña (~ 0.002-0.008) que la mayoría de los modos TE, TM e híbridos están
  • 91. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 91 degenerados y es suficiente utilizar una única notación para todos estos modos: la notación LP. La intensidad de distribución de campo eléctrico es como se vería el modo a la salida del transmisor, y corresponde al patrón de onda electromagnética que viaja por ella fibra óptica. Modo Linealmente Polarizado Modos Híbridos Distribución de Campo Intensidad de Distribución de Campo Eléctrico LP01 HE11 LP11 TE01 TM01 HE21 LP21 EH11 HE31 Un modo LP se denomina LPim, donde los subíndices i y m están relacionados con el número de ceros radiales y azimutales de un modo particular. El modo fundamental es el modo LP01 y es el único modo que puede propagarse en una fibra monomodo.
  • 92. Rodolfo Veloz Pérez 92 La correspondencia de los modos LP con los modos TE, TM y HE se muestran en la siguiente tabla: Modos LP Modos Exactos LP01 HE11 LP11 HE21, TE01, TM01 LP21 HE31, EH11 LP02 HE12 LP31 HE41, EH21 LP12 HE22, TE02, TM02 LPim HE2m, TE0m, TM0m LPim (i diferente de 0 o 1) HEi+1, m ; EHi-1,m Vistos de otra forma, para ejemplificar los modos LP01, LP11 y LP21 se pueden apreciar de la siguiente forma: . Pero intentemos explicarlo de forma más sencilla... Modos vistos desde un perfil de campo
  • 93. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 93 Si considera que un rayo de luz es un "modo" y por ejemplo, el sol emite luz en todas las direcciones, entonces la emisión del sol es del tipo "multimodo". No es la mejor aplicación del término, pero sirve para una primera explicación básica. Un láser, por otra parte, puede considerarse un haz de luz único: un rayo, un modo, “monomodo”. Monomodo significa que el núcleo de la fibra es tan pequeño y el modo viaja tan ajustado en el núcleo que hay poco espacio para que rebote. Un modo, un camino. Una fibra óptica Monomodo, es una guía de onda con una extensión espacial transversal pequeña y/o una pequeña diferencia de índice de refracción (apertura numérica pequeña) que puede ser capaz de guiar solo un modo transversal único, para una frecuencia óptica y polarización dadas, y no modos de orden superior. Cuando decimos multimodo en fibra óptica, significa que hay múltiples patrones de onda electromagnética y múltiples caminos que los modos pueden tomar dentro de la fibra. El núcleo de una fibra multimodo es lo suficientemente grande como para permitir múltiples caminos. Una fibra óptica Multimodo es una guía de onda que soporta varios modos guiados. En multimodo, al tomar múltiples caminos y con diferentes ángulos dentro del núcleo significa que algunos modos toman un camino más largo a través de la fibra y algunos. como los que van en su mayoría directamente por el centro, toman caminos más cortos. Esta diferencia en la distancia recorrida hace que los pulsos de luz, que comenzaron y terminaron en momentos específicos en el tiempo, lleguen antes que otros, y lo que comenzó como un pulso con una determinada forma, ancho y amplitud ahora se solapa y puede interferir con LOS MULTIPLES RAYOS DEL SOL HACEN QUE PUEDA CONSIDERARSE UNA EMISIÓN “MULTIMODO”.
  • 94. Rodolfo Veloz Pérez 94 el siguiente pulso en el receptor, generando la “dispersión modal”. Por lo tanto, la transmisión multimodo es más simple y más económica, pero está limitada en velocidad y distancia debido a la dispersión del pulso causada por todos los modos que viajan a diferentes distancias. La transmisión monomodo es de costo más alto, no está limitada por la dispersión modal, puede llevar tasas de pulsos mucho más altas y, en última instancia, termina siendo una red de alta velocidad menos costosa.
  • 95. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 95 Monomodo vs Multimodo Cuando definimos que hace que una fibra óptica sea considerada monomodo o multimodo, para simplificar la comprensión, se dice que aquella que es capaz de conducir varios modos por el núcleo, es llamada “multimodo”, y aquella que conduce un solo modo (un solo patrón de onda electomagnética) es llamada “monomodo”. Sin embargo, la fotónica define esto con una mayor precisión, y lo dejamos enunciado para aquellos que quieren profundizar un poco más en el “por qué” de las cosas o el realmente que hace que un núcleo, sea capaz de conducir un modo o varios modos. Esto, está dado por una característica que asociaremos a la longitud de onda, la apertura numérica y lógicamente, al radio del núcleo de la fibra óptica en la que transmitiremos uno o varios modos. Número V El número V es un parámetro adimensional que se usa a menudo en el contexto de las fibras de índice escalonado o salto de índice. Se define como 𝑉 = 2𝜋 𝜆 ⋅ 𝑎 ⋅ 𝑁𝐴 = 2𝜋 𝜆 ⋅ 𝑎 ⋅ ?𝑛@ , − 𝑛B , donde: λ : Longitud de onda de vacío a : Radio del núcleo de la fibra NA : Apertura numérica nn : índice de refracción del núcleo nr : índice de refracción del revestimiento El número V no debe confundirse con velocidad v, como, por ejemplo, la velocidad de propagación de la luz en un determinado medio material.
  • 96. Rodolfo Veloz Pérez 96 Para valores de V inferiores a 2.405, una fibra admite solo un modo por dirección de polarización: estamos en presencia de fibras monomodo. Las fibras multimodo pueden tener números V mucho más altos. Para valores grandes, el número de modos admitidos de una fibra de índice de pasos se puede calcular aproximadamente como 𝑀 ≈ 𝑉, 2 El número V determina la fracción de la potencia óptica en un cierto modo que se limita al núcleo de la fibra . Para las fibras monomodo, esa fracción es baja para valores bajos de V (por ejemplo, por debajo de 1), y alcanza un 90% LAS CURVAS DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN EFECTIVO, VS EL NÚMERO V PARA UNA FIBRA ÓPTICA CON REVESTIMIENTO Y NÚCLEO DE ÍNDICES ENTRE 1.4537 Y 1.000, RESPECTIVAMENTE. Β REPRESENTA LA CONSTANTE DE PROPAGACIÓN. LA LÍNEA VERTICAL INDICA LA SEPARACIÓN ENTRE MONOMODO Y MULTIMODO EN LA FIBRA ÓPTICA (V = 2.405)
  • 97. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 97 cerca del corte de monomodo en V = 2.405. En índice gradual, el valor debe ser menor a 3,4 para ser considerado monomodo. Un valor bajo de número V hace que una fibra sea sensible a las pérdidas por microcurvatura y a las pérdidas por absorción en el revestimiento. Sin embargo, un número alto de V puede aumentar las pérdidas de dispersión en el núcleo o en la interfaz de revestimiento del núcleo. Ahora tengamos un análisis cuantitativo de la operación de modo único en una fibra óptica considerando algunos valores ilustrativos como se muestra a continuación. Para que una fibra sea monomodo: 𝑉 ≤ 2,4 Si sustituimos la expresión por el número V en la ecuación Supongamos que el valor de la cantidad ?𝑛@ , − 𝑛B , es igual a 0,1. Entonces, tenemos: 2𝜋𝑎 𝜆 ⋅ 0,1 ≤ 2,4 0,2𝜋𝑎 𝜆 ≤ 2,4 0,2 ⋅ 3,14 ⋅ 𝑎 𝜆 ≤ 2,4 2𝜋 𝜆 ⋅ 𝑎 ⋅ ?𝑛@ , − 𝑛B , ≤ 2,4 HE11 , ] ⋅ 𝑎 ⋅ ?𝑛@ , − 𝑛B , ≤ 2,4
  • 98. Rodolfo Veloz Pérez 98 0,628 ⋅ 𝑎 𝜆 ≤ 2,4 𝑎 𝜆 ≤ 2,4 0,628 𝑎 𝜆 ≤ 3,8 𝑎 𝜆 ≈ 4 𝑎 ≈ 4 ⋅ 𝜆 Así vemos que, para una fibra que tiene una apertura numérica igual a 0,1 el radio “a” debe ser menos de 4 veces la longitud de onda. Por lo tanto: 4 x 850 [nm] = 3,4 [μm]. La fibra óptica sería monomodo si su radio es inferior a 3,4 [μm] Si se hace esta prueba, para la segunda y la tercera ventana, estos valores serían aproximadamente 5 [μm] y 6 [μm] respectivamente. Este valor de un radio es prácticamente muy pequeño y, por lo tanto, las fibras ópticas monomodo requieren un tipo de fuente Laser especial que tenga un haz de luz altamente colimado, vale decir, que sus haces de rayos sean paralelos y muy estrechos.
  • 99. Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica 99 Modos de Orden Inferior El modo HE11 es el modo de orden más bajo que se propaga inevitablemente dentro de una fibra óptica. Como se muestra en la figura, el modo HE11 tiene un campo eléctrico que siempre se dirige hacia arriba con una amplitud máxima en el eje y disminuye a medida que nos movemos radialmente hacia afuera. Los modos TE01 y TM01 tienen campos eléctricos circularmente simétricos. Estos campos tienen un campo eléctrico máximo en el centro y disminuye a medida que nos movemos radialmente hacia afuera.
  • 100. Rodolfo Veloz Pérez 100 Modos de Orden Superior Los modos con el perfil de intensidad más simple se denominan modos fundamentales, y todos los demás son modos transversales de orden superior. El modo fundamental de una guía de onda es el que tiene el índice de refracción efectivo más alto. No todas las guías de onda admiten modos de orden superior, estas que no admiten estos modos de orden superior se denominan guías de onda monomodo. La oscilación del láser en los modos de orden superior, así como la transmisión de luces en los modos superiores de la guía de ondas, están asociados con la disminución de la calidad del haz. PATRONES DE MODO TRANSVERSAL LAGUERRE-GAUSSIANO.