Otra solución para disminuir la dispersión modal es la reducción del número de modos a la unidad (N=1), obteniendo la denominada fibra óptica monomodo. A partir de 1985 solo las fibras monomodo se usan en telecomunicaciones; las multimodo se reservan para redes de datos de corta longitud. Intuitivamente la dispersión modal es nula, lo cual llevaría a un ancho de banda infinito, algo imposible. Antes de aclarar este punto se analiza como se obtiene la propagación de un solo modo.
se tiene la densidad de potencia de cada modo de propagación en función del radio del núcleo. Los picos de potencia cercanos a la periferia de los modos de orden superior justifica que el esquema de propagación de rayos se dibuje helicoidalmente. En la misma figura se tiene la densidad de potencia relativa entre los distintos modos de propagación en función del número V. Se recuerda que la nomenclatura indicada como Tm,n representa: m el número de medias longitudes de onda a lo largo de la circunferencia y n el número a lo largo del diámetro.
DIÁMETRO DEL CAMPO MODAL. La NA no se define para fibras monomodo, tampoco se define el radio del núcleo. En cambio, se utiliza el denominado diámetro del campo monomodal. Este diámetro se define en base al campo emitido desde el extremo de la FO y es el ancho cuando la potencia emitida se reduce a e -2 (aproximadamente 0,13) del valor máximo considerando la emisión gaussiana del extremo de la fibra óptica. Formalmente se define el diámetro del campo monomodal como la inversa del ancho cuadrático medio de la distribución del campo de emisión lejano de la fibra óptica (ITU-T G.652). Normalmente el diámetro del campo modal está determinado por el diámetro del núcleo y es un 15% mayor a éste.
DISPERSIÓN CROMÁTICA
Si la dispersión modal en la FO monomodo se anula el ancho de banda será infinito, lo cual no ocurre debido a que existe la dispersión cromática o intramodal que es de magnitud inferior a la dispersión modal y por ello permanece enmascarada en las fibras ópticas multimodo y ahora adquiere importancia. La dispersión cromática es la suma de la dispersión del material y de la dispersión de guía de ondas.
DISPERSION DEL MATERIAL.
La dispersión del material se debe a que el índice de refracción del material es función de la longitud de onda. Por comodidad se suele definir el índice de grupo ng:
ng = c/vg = n-(λ.dn/dλ)
donde vg es la velocidad de propagación de grupo. Obsérvese que el tiempo de propagación de las distintas longitudes de onda es distinto. Luego, existe una dispersión a la salida del modo de propagación debido a que las longitudes de onda que lo componen tienen velocidades diferentes.
Se define como dispersión del material a la variación diferencial del índice de refracción:
M(λ) = (-1/c).dng/dλ = (λ/c).d2n/dλ2
Se observa que cuando n disminuye la velocidad aumenta y el tiempo de propagación es menor. Existe un valor de longitud de onda cercana a 1,3 µm donde la dispersión del material es nula. En otras palabras, cerca de 1,3 µm los tiempos de propagación de las distintas longitudes de onda tienden a ser iguales. El ejemplo de la Fig 03 se realiza tomando λ=1,1 µm como referencia.
El valor de M(λ) puede aproximarse por:
M(λ) = [C1.λ - C2.λ-3].10-3 ns/nm.km con C1=24 y C2=70
El valor de λ para el cual M(λ)=0 se denomina longitud de onda de dispersión cromática nula y depende del material. El valor aumenta con el incremento de la concentración de GeO2 y disminuye con el incremento de B2O3. El ancho de banda resultante será función inversa de M(λ) y se expresa como:
AB= 0,44.106 ∆λ.M(λ)
donde el valor 0,44 surge de la conversión de FWHM a RMS, ∆λ en nm es el ancho espectral de la fuente definida como la diferencia entre las longitudes de onda donde la potencia óptica emitida es la mitad (FWHM). Este valor resulta en unidades de longitud MHz.km si la M(λ) se expresa en ps/nm.Km.
Obsérvese que el ancho de banda se reduce cuando la fuente de luz tiene un ancho espectral grande, por lo que se buscará reducir dicho valor mediante el uso de emisores Láser. En la misma figura se muestra un ejemplo de cómo varía el ancho de banda en función de λ para distintos valores de ∆λ.
DISPERSION DE GUIA DE ONDAS.
La dispersión de guía de ondas se debe a imperfecciones en la relación entre el radio del núcleo ra y la longitud de onda de la luz que se transmite. Como consecuencia de ello la distribución del campo y el tiempo de propagación son dependientes de ra/λ. En general, esta dispersión se presenta en común con la dispersión del material y resultan inseparables.
Para aquel lector conocedor de los sistemas radioeléctricos, el efecto de la dispersión cromática puede ser interpretado como el retardo de grupo. En ambos casos las distintas componentes espectrales tienen velocidad de propagación diferente y se produce una distorsión. Sin embargo, el efecto en ambos sistemas es diverso debido a que la modulación de la señal en el sistema radioeléctrico es coherente y en los sistemas ópticos es una modulación de potencia (simple variación de la potencia óptica en dos niveles).
PENDIENTE DE DISPERSION CROMATICA.
El efecto de la pendiente de la dispersión cromática es importante para enlaces de larga distancia. Los valores actuales son cercanos a 0,04 a 0,10 pseg/km.nm2. Una elevada pendiente introduce un efecto de intermodulación entre señales en WDM.
Existen FO que permiten compensar la pendiente de dispersión cromática. Son las FO PDC (Passive Dispersion Compensator). Poseen un núcleo muy estrecho (2 µm) y un salto de índice de refracción muy alto. La atenuación se incrementa, por lo que se realiza una reducción paulatina entre el núcleo de la FO normal y la de compensación de dispersión. Se utilizan algunos metros de FO de compensación por varios km de FO standard G.652. La dispersión negativa es del orden de –100 ps/km.nm a 1550 nm. Por ejemplo, en el mercado se encuentran módulos de compensación para 40 y 80 km de FO. El retardo disminuye con la longitud de onda (1700 ps a 1556 nm y 1000 ps a 1557 nm). El centro de la banda 1556-1557 puede correrse para otras longitud de ondas necesarias.
ATENUACIÓN ESPECTRAL
La estructura básica de la red cristalina de la fibra óptica es el dióxido de silicio SiO2, cuya disposición espacial responde a un tetraedro regular con el Oxigeno en los vértices y el Silicio en el centro. La elevada pureza del material contribuye a formar un retículo cristalino que se aleja un tanto de la definición del vidrio (producto inorgánico de fusión que se ha enfriado sin cristalizar).
Así como el ancho de banda se define como el valor de frecuencia de la modulación para la cual se tiene una atenuación de 3 dB respecto de la frecuencia cero, se define la atenuación de la fibra óptica como el valor de atenuación para una frecuencia modulante nula. La atenuación de la fibra óptica difiere de la producida por un par conductor. Mientras en el par la atenuación se incrementa con la función Vf (f es la frecuencia de la señal transmitida) en la fibra óptica la atenuación permanece constante hasta una frecuencia de corte (ancho de banda).
Existen diversos mecanismos que contribuyen a la atenuación de las fibras ópticas, entre ellos tenemos: las reflexiones, las dispersiones y las absorciones.
REFLEXIÓN DE FRESNEL. Se produce en los extremos de las fibras ópticas debido al salto de índice de refracción entre el exterior y el núcleo. El valor se escribe como:
Rf % = [(n1-n0)/(n1+n0)]2 . 100
con n1 el índice del núcleo y n0 el del medio exterior. Con n0=1 y n1=1,48 se tiene un valor de Rf= 3,7%, es decir que la potencia reflejada está 14 dB por debajo de la potencia incidente. La expresión anterior es válida cuando el corte del extremo de la fibra óptica es perfectamente perpendicular. De lo contrario, la reflexión disminuye casi a 0% cuando el ángulo llega a 6°. Para disminuir esta reflexión se suele colocar un medio adaptador de índice de refracción. Muchas veces se usan materiales epoxi de idénticas características para unir sólidamente los elementos.
ABSORCIÓN DEL MATERIAL
En lo que respecta a las absorciones el SiO 2 produce una absorción natural con un mínimo en 1,55 µm. Se diferencian por ello dos zonas: una hacia el infrarrojo IR y otra ultravioleta UV. Las respectivas atenuaciones se pueden escribir como:
La concentración de GeO2 (componente que se coloca para variar en índice de refracción) se expresa como x.
También se detectan absorciones de los radicales oxidrilo OH (producto del proceso de fabricación), en unidades de concentración en ppm (partes por millón). Por razones históricas (hasta 1980, cuando el efecto del OH se reduce a valores despreciables) quedan determinadas las denominadas ventanas de baja atenuación en longitudes de onda de 0,85 µm; 1,3 µm; 1,55 µm. El pico de absorción en 1,39 µm corresponde a la segunda armónica de 2,76 µm debido al Si-OH, mientras que el pico en 1,41 µm corresponde a la segunda armónica de 2,83 µm del Ge-OH.
ATENUACIÓN EN CURVATURAS
Una atenuación adicional son los modos fugados cuya conocimiento resulta útil para explicar la atenuación en curvaturas. En una fibra óptica lineal el campo del modo de propagación principal EH11 (transversal eléctrico-magnético) tiene el máximo de energía en el centro del núcleo y decrece hacia la periferia. Fuera del núcleo existe una pequeña parte del campo que se propaga acoplado al campo del núcleo constituyendo una onda plana. Puede pensarse que la curva de la Fig 02 muestra la densidad de probabilidad de encontrar un fotón; de forma que lo más probable es que el fotón se encuentre en el centro del núcleo y la probabilidad que se encuentre fuera es infinitamente pequeña, pero existente.
En una fibra óptica con curvaturas se produce un desacoplamiento de la energía debido a que para mantener la propagación de la onda plana deben existir velocidades tangenciales diferenciales. Cuando la velocidad tangencial supera la velocidad de la luz en el vacío (c), se produce la ruptura de la propagación plana. La energía restante se pierde y se crea una zona por donde se drena constantemente energía. La densidad de potencia del modo fundamental se extiende fuera del área del núcleo si la longitud de onda es superior a la longitud de onda de corte lo cual origina pérdidas por propagación en el revestimiento. Por ello la longitud de onda de aplicación debe encontrarse entre la longitud de onda de corte λ cutoff y 1,3 de la misma cutoff.
ESTABILIDAD A LARGO PLAZO
La estabilidad de la atenuación de las fibras ópticas se ve afectada por la migración de H2O y H2 hacia el centro del núcleo.
Sin embargo, la velocidad para el H2O es muy lenta (se estima en 1.300 años desde que ingresa al revestimiento y llega al
núcleo) debido a su tamaño. En cambio, la permeabilidad del H2 es de pocos días. El H2 se difunde en el interior de la fibra
óptica hasta que la concentración está en equilibrio con la presión parcial. El proceso es reversible; en cambio en el caso de
los grupos OH es irreversible. El H se orienta en la estructura de SiO debido al campo eléctrico local y causa un centro de 2 2 absorción con varios picos. La atenuación se incrementa con la presión de hidrógeno en 0,27 dB/km.atm a 1,55 µm. Por otro lado, el P que se usa como dopante con valencia 4 tiene también valencia 5 y puede formar grupos P-OH que absorben energía. Se han desarrollado compuestos que actúan como centros de absorción del hidrógeno para evitar su migración.
El efecto del H2 sobre las FO se descubrió en 1981 cuando empezó a usarse la segunda ventana y hacia 1983 se encontró la solución. Las fuentes de H2 se deben a la difusión desde los componentes del cable; la reacción corrosiva de los metales y el H2 del aire en cables presurizados. Se ha fijado un valor límite de incremento en la atenuación de la fibra óptica de 0,01 dB/km en 20 años debido al H .
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