Los alumnos de 3º EMS Científico-Matemático 2009 Gonzalo Iriarte y Carlos Vega, le damos la bienvenida al blog de nuestro proyecto "Fibra Óptica". Como introducción al mismo, le presentaremos un resumen básico sobre el tema a tratar, con el objetivo de que el visitante cuente con la suficiente información para que comprenda el seguimiento del proyecto.
miércoles, 2 de septiembre de 2009
martes, 1 de septiembre de 2009
Introducción a la Fibra Óptica
Esta imagen microscópica pertenece a una flor de geranio que ha sido iluminada mediante el uso de fibras ópticas. Una jeringa médica fue utilizada para insertar una línea de fibra óptica en la base de la flor para iluminarla de adentro hacia fuera. Esta singular técnica le permite al investigador examinar detalles minúsculos de la flor y aprender más acerca de su estructura y propiedades físicas. La flor en sí actúa como un cable de fibra óptica que transmite luz por sus diferentes partes, pero que a su vez minimiza la cantidad de luz que se escapa.Esta imagen proporciona dos excelentes ejemplos de la potencia e intensidad con que la fibra óptica es capaz de transmitir luz. En primer lugar, toda la luz utilizada para la iluminación en esta fotografía procede de un solo cable de fibra óptica, con un diámetro casi igual al diámetro del hilo de una caña de pescar. Además, las finas vellosidades que cubren la flor están brillantemente iluminadas y actúan cada una individualmente como un cable de fibra óptica.
Las fibras ópticas son una manera de transportar luz en una forma muy direccional. La luz se enfoca y se guía a través de una fibra de vidrio cilíndrica. En el interior de la fibra, la luz rebota de un lado a otro en ángulos muy abiertos contra las paredes interiores, prácticamente avanzando por su centro hasta el final de la fibra o filamento, por donde finalmente escapa. La luz no se escapa de las paredes laterales debido a la reflexión interna total.
¿Qué causa esta reflexión interna total? La fibra consta de dos capas denominadas: núcleo y revestimiento. La luz queda atrapada dentro del núcleo, fabricado de vidrio, a través del cual se desplaza. El revestimiento está fabricado de un material que tiene un índice de refracción mucho menor que el del núcleo. Como la luz rebota o se refleja de la segunda capa, no puede escapar de la fibra, porque es difícil que la luz pase a través de un material de elevado índice a un material de menor índice a un ángulo de incidencia extremo.
¿Por qué es importante la fibra óptica? Aparte de que es un conducto flexible que se utiliza para iluminar objetos microscópicos, las fibras se pueden usar también para transportar información de manera muy similar a la forma en que un hilo de cobre puede transmitir electricidad. Si bien el hilo de cobre transmite tan sólo unos cuantos millones de impulsos eléctricos por segundo, la fibra óptica puede transportar hasta 20 mil millones de impulsos de luz por segundo. Eso significa que las empresas de teléfono, cable y computación pueden manejar enormes cantidades de transferencia de datos simultáneamente; cantidades mucho mayores que la que los cables convencionales pueden transmitir.
Fuente: Optical Fiber - Optical Society of America (OSA), American Institue of Physics
lunes, 31 de agosto de 2009
Definiciones
Ángulos de incidencia: El ángulo entre el haz del láser y la superficie de reflexión, típicamente definido cuando el haz del láser está casi paralelo a la superficie. Este ángulo puede ser tan pequeño como de un grado o menos.
Hilo de fibra óptica: Fibra de vidrio o plástico que se utiliza para transmitir la información contenida en un haz de luz.
Índice de refracción: Número que significa en qué medida un material puede refractar bien la luz. El índice de refracción de un material, al que los científicos usualmente denominan "n", depende de la composición y densidad de dicho material.
Refracción: Cuando un rayo de luz disminuye su velocidad y cambia de sentido como resultado de haber pasado a través de medios diferentes, como agua o aire.
Reflexión interna total: Fenómeno que ocurre cuando la luz incide sobre la superficie de contacto de dos materiales transparentes a un ángulo muy cerrado. La luz tiene que estar pasando a través de un medio con un índice de refracción mayor que el del medio contiguo. En la superficie de contacto, toda la luz es reflejada de nuevo hacia el material circundante y ninguna parte de la luz es transmitida al material contiguo.
Hilo de fibra óptica: Fibra de vidrio o plástico que se utiliza para transmitir la información contenida en un haz de luz.
Índice de refracción: Número que significa en qué medida un material puede refractar bien la luz. El índice de refracción de un material, al que los científicos usualmente denominan "n", depende de la composición y densidad de dicho material.
Refracción: Cuando un rayo de luz disminuye su velocidad y cambia de sentido como resultado de haber pasado a través de medios diferentes, como agua o aire.
Reflexión interna total: Fenómeno que ocurre cuando la luz incide sobre la superficie de contacto de dos materiales transparentes a un ángulo muy cerrado. La luz tiene que estar pasando a través de un medio con un índice de refracción mayor que el del medio contiguo. En la superficie de contacto, toda la luz es reflejada de nuevo hacia el material circundante y ninguna parte de la luz es transmitida al material contiguo.
domingo, 30 de agosto de 2009
Experiencia de John Tyndall
Esta es una experiencia que realizamos el día 13/10/2009 en el laboratorio de física del Liceo Departamental N°1 “Juan Luis Perrou”, con la ayuda de la profesora Raquel Mendoza y del profesor Pablo Garateguy.
Este es el diagrama de la experiencia que realizaremos a continuación:
Este es el diagrama de la experiencia que realizaremos a continuación:
sábado, 29 de agosto de 2009
Conclusiones Tyndall - Reflexión Total Interna
Lo que logramos demostrar con la experiencia de Tyndall fue el principio de reflexión total interna. Cuando un haz de luz pasa de un medio con un determinado índice de refracción a otro con un índice menor, ésta desvía su curso normal, refractándose de la línea normal. A medida que el ángulo del haz de luz con respecto a la línea normal aumenta, la luz refractada a través del segundo medio se desvía cada vez más de la línea normal.
Cuando se llega a un ángulo determinado, llamado ángulo crítico, la luz refractada no pasará hacia el medio 2, sino que viajará a lo largo de la superficie que separa los dos medios. Si el ángulo con el que el haz pasa a través del medio 1 es mayor que el ángulo crítico, el haz refractado será refractado completamente hacia el medio 1 (reflexión total interna), incluso si el medio 2 es transparente.
En física, el ángulo crítico se describe respecto a la línea normal. En materia de fibra óptica, el ángulo crítico es descrito respecto al eje paralelo que corre por el centro de la fibra. Acorde a la ley de Snell:
Cuando se llega a un ángulo determinado, llamado ángulo crítico, la luz refractada no pasará hacia el medio 2, sino que viajará a lo largo de la superficie que separa los dos medios. Si el ángulo con el que el haz pasa a través del medio 1 es mayor que el ángulo crítico, el haz refractado será refractado completamente hacia el medio 1 (reflexión total interna), incluso si el medio 2 es transparente.
En física, el ángulo crítico se describe respecto a la línea normal. En materia de fibra óptica, el ángulo crítico es descrito respecto al eje paralelo que corre por el centro de la fibra. Acorde a la ley de Snell:
además,
donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios 1 y 2 respectivamente. Si n1>n2, entonces θ2>θ1. Eso significa que cuando θ1 aumenta, θ2 llega a 90° antes que θ1. No hay transmisión al otro medio y la luz se refleja totalmente.
La reflexión es realmente total (100%) y sin pérdidas. Es decir, mejor que los espejos metálicos (plata, aluminio) que solo reflejan 96% de la potencia luminosa incidente.
En la fibra óptica, el ángulo crítico es de 90°. En la misma, la luz viaja a través del núcleo (siendo éste el medio 1, con un alto índice de refracción) reflejándose constantemente contra la corteza (medio 2, índice de refracción más bajo), ya que el ángulo del haz de luz será siempre mayor al ángulo crítico de la fibra óptica (90°). Entonces la luz re reflejará sin importar las curvaturas que se den en el cable de fibra óptica, incluso si es un círculo entero.
Ya que la corteza no absorbe nada de luz del núcleo, la onda de luz puede viajar distancias muy grandes. Sin embargo, algo de la señal de luz se degrada en el transporte, mayormente debido a las impurezas del vidrio, pero ya lo veremos más profundamente cuando estudiemos las pérdidas.
La reflexión es realmente total (100%) y sin pérdidas. Es decir, mejor que los espejos metálicos (plata, aluminio) que solo reflejan 96% de la potencia luminosa incidente.
En la fibra óptica, el ángulo crítico es de 90°. En la misma, la luz viaja a través del núcleo (siendo éste el medio 1, con un alto índice de refracción) reflejándose constantemente contra la corteza (medio 2, índice de refracción más bajo), ya que el ángulo del haz de luz será siempre mayor al ángulo crítico de la fibra óptica (90°). Entonces la luz re reflejará sin importar las curvaturas que se den en el cable de fibra óptica, incluso si es un círculo entero.
Pérdidas en el Transporte con Fibra Óptica
Las pérdidas son un tema muy importante si se quiere transmitir información a gran distancia usando fibra óptica.
Evidentemente la cantidad de luz que llega al final de una fibra óptica es menor que la que aplicamos en su comienzo.
Las causas de esto son varias, algunas dependen de los materiales de que están hechas las fibras y otras de causas externas como, esfuerzos mecánicos, curvaturas indebidas, etc.
Las pérdidas presentan una dependencia exponencial con la distancia, que resulta en una curva característica de muchos fenómenos físicos. Otro problema que se puede presentar son los fenómenos de interferencia óptica, por ejemplo en el punto de recepción puede aparecer interferencia destructiva (o “punto oscuro”), con menor intensidad de señal.
La atenuación de la fibra se expresa en dB/Km. Este valor significa la pérdida de luz en un Km. El desarrollo y la tecnología de fabricación de las fibras para conseguir menores coeficientes de atenuación se observa en el siguiente gráfico:
Los factores que influyen en la atenuación se pueden agrupar en dos.
Factores propios: Podemos destacar fundamentalmente dos.
Las pérdidas por absorción del material de la fibra, son debido a impurezas tales como iones metálicos, níquel variado (OH)- , etc. ya que absorben la luz y la convierten en calor. El vidrio ultra puro usado para fabricar las fibras ópticas es aproximadamente 99.9999% puro. Aún así, las pérdidas por absorción entre 1 y 1000 dB/Km son típicas.
Las pérdidas por dispersión (esparcimiento) se manifiesta como reflexiones del material, debido a las irregularidades submicroscópicas ocasionadas durante el proceso de fabricación y cuando un rayo de luz se está propagando choca contra estas impurezas y se dispersa y refleja.
Dentro de estas pérdidas tenemos:
• Pérdidas por difusión de Rayleigh (por fluctuaciones térmicas del índice de refracción).
• Imperfecciones de la fibra, particularmente en la unión núcleo-revestimiento, variaciones geométricas del núcleo en el diámetro
• Impurezas y burbujas en el núcleo (como superficie rugosa)
• Impurezas de materiales fluorescentes
• Pérdidas de radiación debido a microcurvaturas*, cambios repetitivos en el radio de curvatura del eje de la fibra
Factores externos: El principal factor que afecta son las deformaciones mecánicas. Dentro de estas las más importantes son las curvaturas, esto conduce a la pérdida de luz por que algunos rayos no sufren la reflexión total y se escapan del núcleo. Las curvas a las que son sometidas las fibras ópticas se pueden clasificar en macro curvaturas (radio del orden de 1cm o más) y micro curvaturas (el eje de la fibra se desplaza a lo sumo unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milímetros).
*
Evidentemente la cantidad de luz que llega al final de una fibra óptica es menor que la que aplicamos en su comienzo.
Las causas de esto son varias, algunas dependen de los materiales de que están hechas las fibras y otras de causas externas como, esfuerzos mecánicos, curvaturas indebidas, etc.
Las pérdidas presentan una dependencia exponencial con la distancia, que resulta en una curva característica de muchos fenómenos físicos. Otro problema que se puede presentar son los fenómenos de interferencia óptica, por ejemplo en el punto de recepción puede aparecer interferencia destructiva (o “punto oscuro”), con menor intensidad de señal.
La atenuación de la fibra se expresa en dB/Km. Este valor significa la pérdida de luz en un Km. El desarrollo y la tecnología de fabricación de las fibras para conseguir menores coeficientes de atenuación se observa en el siguiente gráfico:
Los factores que influyen en la atenuación se pueden agrupar en dos.Factores propios: Podemos destacar fundamentalmente dos.
Las pérdidas por absorción del material de la fibra, son debido a impurezas tales como iones metálicos, níquel variado (OH)- , etc. ya que absorben la luz y la convierten en calor. El vidrio ultra puro usado para fabricar las fibras ópticas es aproximadamente 99.9999% puro. Aún así, las pérdidas por absorción entre 1 y 1000 dB/Km son típicas.
Las pérdidas por dispersión (esparcimiento) se manifiesta como reflexiones del material, debido a las irregularidades submicroscópicas ocasionadas durante el proceso de fabricación y cuando un rayo de luz se está propagando choca contra estas impurezas y se dispersa y refleja.
Dentro de estas pérdidas tenemos:
• Pérdidas por difusión de Rayleigh (por fluctuaciones térmicas del índice de refracción).
• Imperfecciones de la fibra, particularmente en la unión núcleo-revestimiento, variaciones geométricas del núcleo en el diámetro
• Impurezas y burbujas en el núcleo (como superficie rugosa)
• Impurezas de materiales fluorescentes
• Pérdidas de radiación debido a microcurvaturas*, cambios repetitivos en el radio de curvatura del eje de la fibra
Factores externos: El principal factor que afecta son las deformaciones mecánicas. Dentro de estas las más importantes son las curvaturas, esto conduce a la pérdida de luz por que algunos rayos no sufren la reflexión total y se escapan del núcleo. Las curvas a las que son sometidas las fibras ópticas se pueden clasificar en macro curvaturas (radio del orden de 1cm o más) y micro curvaturas (el eje de la fibra se desplaza a lo sumo unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milímetros).
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Clasificación de Fibras Ópticas
Se las puede clasificar según los materiales usados en su construcción, o cómo están dispuestas en el interior de los cables, pero la forma que se ha impuesto se basa en la manera en que la luz se transmite por su interior. Para ello debemos introducir un nuevo concepto: el modo.
Se dice que una fibra óptica es monomodo cuando cumple ciertas condiciones de longitud de onda (λ), radio e índice de refracción del núcleo, que en la práctica se traducen en que por la fibra se transmite luz solo a lo largo de su eje.
Se dice que una fibra es multimodo cuando las condiciones mencionadas, permiten que haya varios rayos de luz diferentes viajando a lo largo del núcleo que eventualmente pueden llegar a interferir entre ellos. A su vez, las fibras multimodo se dividen en dos: de índice en escalón y de índice gradual.
Vemos que en las fibras monomodo, el núcleo (de índice de refracción mayor que el revestimiento) es de diámetro pequeño; en estas condiciones la propagación de una señal luminosa permite ser óptima sin producirse excesiva deformación o atenuación en el trayecto. Se las usa en comunicaciones a larga distancia.
Las fibras multimodo de índice en escalón presentan ángulos de admisión de mayor amplitud y los caminos ópticos son diferentes para cada rayo, y por lo tanto los tiempos de llegada al otro extremo de la fibra, lo que genera problemas de atenuación e interferencia importantes para el caso de largas distancias. Por lo tanto sólo se las usa para aplicaciones en trayectos cortos.
Por último las fibras de índice gradual, intentan resolver los problemas de las de índice en escalón. En ellas el índice de refracción del núcleo varía en forma gradual desde el centro hacia el borde; esto hace que las ondas de diferente λ viajen a diferentes velocidades en el interior de la fibra, permitiendo así, que lleguen todas en forma más o menos simultánea al otro extremo. Las trayectorias de los modos son curvas, en lugar de rectas, cómo en las de índice en escalón, debido a la variación del valor del índice de refracción. De esta forma se van produciendo “enfoques” sucesivos de los rayos en dirección al eje de la fibra.
Las características técnicas que determinan la calidad de los cables de fibras dependen en gran parte del proceso de fabricación de la fibra y de los materiales utilizados en ellas.
Las tecnologías empleadas evolucionan día a día, centrándose los esfuerzos en mantener lo más bajo posible los valores de atenuación y aumentar la capacidad de conducir información junto con la reducción de los costos de producción.
En esencia, los procesos de fabricación son de dos tipos: el de crisol, y el de preforma.
El primero se utiliza para fibras de usos limitados en atenuación y capacidad de conducir información siendo de baja calidad.
Las derivadas del segundo proceso son las de más interés en el campo de las telecomunicaciones.
La técnica del doble crisol parte de dos tanques concéntricos que contienen vidrio líquido que al escurrir por la parte inferior y solidificarse, originan el núcleo y el revestimiento.
La técnica de fabricación a base de preformas parte de una barra sólida, cuyas características son equivalentes a las de fibra definitiva.
Se dice que una fibra óptica es monomodo cuando cumple ciertas condiciones de longitud de onda (λ), radio e índice de refracción del núcleo, que en la práctica se traducen en que por la fibra se transmite luz solo a lo largo de su eje.
Se dice que una fibra es multimodo cuando las condiciones mencionadas, permiten que haya varios rayos de luz diferentes viajando a lo largo del núcleo que eventualmente pueden llegar a interferir entre ellos. A su vez, las fibras multimodo se dividen en dos: de índice en escalón y de índice gradual.
Vemos que en las fibras monomodo, el núcleo (de índice de refracción mayor que el revestimiento) es de diámetro pequeño; en estas condiciones la propagación de una señal luminosa permite ser óptima sin producirse excesiva deformación o atenuación en el trayecto. Se las usa en comunicaciones a larga distancia.Las fibras multimodo de índice en escalón presentan ángulos de admisión de mayor amplitud y los caminos ópticos son diferentes para cada rayo, y por lo tanto los tiempos de llegada al otro extremo de la fibra, lo que genera problemas de atenuación e interferencia importantes para el caso de largas distancias. Por lo tanto sólo se las usa para aplicaciones en trayectos cortos.
Por último las fibras de índice gradual, intentan resolver los problemas de las de índice en escalón. En ellas el índice de refracción del núcleo varía en forma gradual desde el centro hacia el borde; esto hace que las ondas de diferente λ viajen a diferentes velocidades en el interior de la fibra, permitiendo así, que lleguen todas en forma más o menos simultánea al otro extremo. Las trayectorias de los modos son curvas, en lugar de rectas, cómo en las de índice en escalón, debido a la variación del valor del índice de refracción. De esta forma se van produciendo “enfoques” sucesivos de los rayos en dirección al eje de la fibra.
Las características técnicas que determinan la calidad de los cables de fibras dependen en gran parte del proceso de fabricación de la fibra y de los materiales utilizados en ellas.
Las tecnologías empleadas evolucionan día a día, centrándose los esfuerzos en mantener lo más bajo posible los valores de atenuación y aumentar la capacidad de conducir información junto con la reducción de los costos de producción.
En esencia, los procesos de fabricación son de dos tipos: el de crisol, y el de preforma.
El primero se utiliza para fibras de usos limitados en atenuación y capacidad de conducir información siendo de baja calidad.Las derivadas del segundo proceso son las de más interés en el campo de las telecomunicaciones.
La técnica del doble crisol parte de dos tanques concéntricos que contienen vidrio líquido que al escurrir por la parte inferior y solidificarse, originan el núcleo y el revestimiento.
La técnica de fabricación a base de preformas parte de una barra sólida, cuyas características son equivalentes a las de fibra definitiva.
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