Introducción a las telecomunicaciones - Tema 5: Medios físicos de transmisión. Fibras ópticas: Una única onda monocromática, no puede transmitir información, porque no se pueden marcar en ella puntos de referencia. En una fibra óptica, la información se transmite mediante pulsos de luz. Un pulso de luz, es un paquete de ondas. Introducción: Una onda electromagnética es una onda transversal, o sea que la perturvación de los campos eléctrico y magnético es perpendicular a la dirección de propagación. Si llamamos “s” a la dirección de propagación, “E” al vector campo eléctrico, y “H” al vector de campo magnético, entonces al plano E-s se le denomina plano de vibración, y al plano H-s plano de polarización. Si se superponen ondas de distintas frecuencias, con la misma dirección de propagación, se forman lo que se denomina grupos de ondas, que son la resultande de las interferencias de todas las ondas que forman el grupo. Página 1 de 19
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Fibra óptica: - Revista online iutirla | Just another … · Web viewLa longitud de un pulso, depende de su composición espectral (espectro de frecuencias de las ondas que forman
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Introducción a las telecomunicaciones - Tema 5: Medios físicos de transmisión.
Fibras ópticas:
Una única onda monocromática, no puede transmitir información, porque no se
pueden marcar en ella puntos de referencia. En una fibra óptica, la información se transmite
mediante pulsos de luz. Un pulso de luz, es un paquete de ondas.
Introducción: Una onda electromagnética es una onda transversal, o sea que la
perturvación de los campos eléctrico y magnético es perpendicular a la dirección de
propagación. Si llamamos “s” a la dirección de propagación, “E” al vector campo eléctrico, y
“H” al vector de campo magnético, entonces al plano E-s se le denomina plano de vibración,
y al plano H-s plano de polarización.
Si se superponen ondas de distintas frecuencias, con la misma dirección de
propagación, se forman lo que se denomina grupos de ondas, que son la resultande de las
interferencias de todas las ondas que forman el grupo.
Paquetes de ondas: Un paquete de ondas, es un grupo de ondas en el que la
distribución de las frecuencias de las ondas que lo forman es de tipo gausiano, centrado en
una frecuencia central cuya amplitud es máxima, y que las amplitudes relativas de las ondas
que forman el paquete disminuyen muy rápidamente a medida que la frecuencia se aleja de
la frecuencia central.
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Un paquete de ondas, define un único pulso, que constituye una señal óptica. La longitud de
un pulso, depende de su composición espectral (espectro de frecuencias de las ondas que
forman el pulso): Un espectro con pocas frecuencias, dará un pulso ancho, y uno con
muchas frecuencias (espectros continuos) dará un pulso estrecho y bien definido.
Se llama longitud de coherencia (L0) a la longitud del pulso, y tiempo de coherencia
(t0=c / L0) al tiempo que tarda el pulso en pasar por un punto. En función de estos
parámetros, la anchura espectral de un pulso viene dada por la expresión ( = 1/ t0).
Conceptos básicos de óptica: Longitud de onda: Es la distancia entre dos puntos consecutivos de una onda
electromagnética, que en un instante dado tienen la misma fase.
Frecuencia: Es la cantidad de longitudes de onda que pasan por un punto dado en un
segundo.
Indice de refracción de un medio es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y
la velocidad de la luz en dicho medio.
Dispersión cromática: Variación del índice de refracción de un mismo medio de
propagación para ondas con diferentes longitudes de onda.
Ángulo de incidencia: Es el ángulo que forman la trayectoria de un rayo de luz y la
perpendicular a la superficie de separación entre dos medios con diferente índice de
refracción.
Refraccion: Desviación que sufre un rayo de luz en su trayectoria al atravesar la
superficie separadora de dos medios con índices de refracción diferentes.
Ángulo límite: Es el ángulo de incidencia para el cuál el rayo refractado sale con una
trayectoria paralela a la superficie separadora de los dos medios.
Reflexión total: Cuando el ángulo de incidencia de un rayo es mayor que el ángulo límite,
toda la energía del rayo se refleja en la superficie separadora de los dos medios.
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Camino óptico: Es el producto de la longitud recorrida por un rayo en un medio, por el
índice de refracción de dicho medio, o puede definirse de manera equivalente como el
producto de la velocidad de la luz en el vacío, por el tiempo que tarda el rayo en recorrer
la verdadera trayectoria.
Frente de ondas: Superficie virtual perpendicular a las trayectorias de los rayosde luz.
Diferencia de fase: Diferencia entre los estados angulares de dos ondas en un punto o
instante dado.
Interferencia: Cuando en una región del espacio se superponen dos o más ondas de
igual intensidad con sus vectores eléctricos paralelos (trayectorias iguales), la intensidad
de la onda manifestada en dicha región, depende de la diferencia de fase entre las
ondas, pudiendo darse cualquier valor entre cero (si las ondas tienen una diferencia de
fase de radianes) y la suma de sus amplituses respectivas (si la diferencia de fase es
cero, o sea, que “están en fase”).
Propagación de un paquete de ondas en un medio dispersivo: Todos los medios
materiales son en mayor o menor medida dispersivos. El único medio no dispersivo es el
vacío. De todas las ondas de diferentes frecuencias que forman un paquete de ondas, cada
una se propaga con diferente velocidad de fase en un medio dispersivo. Entonces, no hay en
el tiempo ni en el espacio, otro punto distinto del de partida, en el que todas las ondas que
forman el paquete se encuentren en fase, lo que provoca que el grupo se deforme al
propagarse. Únicamente si el intervalo de frecuencias de las ondas que forman el grupo es
muy estrecho, se obtiene una velocidad de grupo constante.
Pérdidas de energía (absorción y difusión): Cuando una onda electromagnética
atraviesa la materia, su campo eléctrico E actúa sobre las cargas (átomos) que la forman. La
energía que se pierde es debido al movimiento que induce la onda en las partículas, y se
pierde en forma de “rozamiento”, que provoca calor en
el medio. A este fenómeno se le denomina
absorción, y es el responsable de la atenuación que sufre la señal al propagarse. Además, puede
que la onda induzca movimientos oscilatorios en
las cargas, que entonces radiarán con la misma
frecuencia que la luz incidente, a costa de su
energía, pero en todas las direcciones. A este
fenómeno se le denomina difusión, y es el
causante de la distorsión de la señal que se
propaga, ya que es selectiva respecto a la frecuencia de la onda.
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Guías de ondas: Una guía de ondas, es un dispositivo mediante el cual, la luz se ve
obligada a seguir trayectorias determinadas sin la necesidad de lentes. La acción
constriyente, la realizan las paredes de las guías en el caso de las fibras ópticas.
En la figura se aprecia como los frentes de onda P-Q y L-H son frentes paralelos,
pero que han seguido trayectorias diferentes hasta alcanzar su posición, por lo que sus
caminos ópticos son diferentes (han tardado diferente tiempo en llegar), por lo que entre ellos
existe un determinado desfase. La onda que ha realizado más reflexiones, llega con retraso
con respecto a la que llega directamente. Además, en cada reflexión en la pared de la fibra,
la onda realiza un salto de fase de radianes, por lo que la diferencia de fase total entre las
dos ondas, será la suma de ambos desfases.
Dentro de la fibra, se producen infinidad de reflexiones, que producen la
superposición de infinitas ondas, que darán una resultante interferencial. A lo largo de la guía
(fibra) sólo se pueden
propagar los pulsos por
reflexiones totales sucesivas,
aquellas ondas cuyo ángulo
de incidencia en las
reflexiones sea mayor que el
ángulo límite, y que además,
la resultante interferencial no se anule, o sea, que los diferentes frentes de onda estén
desfasados en un número entero de vueltas (una vuelta son 2 radianes), o sea = m·2, m
= 0, 1, 2, ...
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Modos de propagación: Por lo tanto sólo un número discreto de ondas (no continuo)
podrán propagarse indefinidamente a lo largo de la fibra, sin desaparecer. Son estas ondas
que son capaces de propagarse indefinidamente las llamadas modos de propagación.
Además, la condición de interferencia constructiva = m·2, no se puede cumplir
simultáneamente para las componentes eléctrica y magnética de una onda dada, ya que si
se cumple para una, no puede cumplirse para la otra (que se anulará), por lo que sólo puede
propagarse uno de los dos modos: Modos transversales eléctricos (TE), o modos transversales magnéticos (TM).
Fibras monomodo y multimodo: Dependiendo del espesor de la guía (diámetro de
la fibra), su índice de refracción, el índice de refracción del medio que las rodea, y de la
longitud de onda de la luz que se propaga, las fibras se pueden clasificar en fibras
monomodo, si sólo es capaz de propagarse por ella el modo fundamental (m = 0), o
multimodo si son capaces de propagarse por ella más modos (m = 0, 1, 2, ...)
Confinamiento de los modos en la fibra óptica: Los modos de orden mayor, están
menos confinados en el interior de la fibra que los modos de orden inferior. Que un modo de
propagación esté más o menos confinado significa que su atenuación al propagarse en la
fibra sea mayor o menor, entendiéndose que un modo que no es capaz de propagarse por
ella, no está confinado en la fibra, y su energía se pierde.
Si una fibra es multimodo:
Para valores fijos de los índices de refracción y la longitud de onda de la luz que
se transmite, si se va disminuyendo paulatinamente el diámetro de la fibra, el
modo de mayor orden irá quedando menos confinado en el interior de la fibra
hasta desaparecer. Si se sigue disminuyendo el diámetro, van desapareciendo los
modos de órdenes cada vez menores sucesivamente, hasta que la fibra se
convierte en monomodo.
Para valores fijos de los índices de refracción y del diámetro de la fibra, el número
de modos que la fibra es capaz de transmitir, irá disminuyendo a medida que
aumenta la longitud de onda de la luz, hasta un valor límite c (longitud de onda
de corte), por encima del cual la fibra será monomodo.
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Además, cuanto más distintos son los índices de refracción de la fibra y del medio
que la rodea, es menor el diámetro que hace que la fibra sea monomodo, por lo
que es aconsejable que tengan valores próximos, para que el espesor de fibra
monomodo no sea excesivamente pequeño. Para ello, se recubre las fibras de un
material con un índice de refracción muy cercano (siempre menor) al de la guía de