¿Cómo es posible que la luz viaje por dentro de un cable de #fibraóptica?
Que lo haga tan rápido, sin interferencias y casi sin perder energía en decenas
de kilómetros…
Pues los responsables son dos #efectosópticos que
ya vimos en los artículos sobre la propagación de la señal de radio en
radioenlaces: la refracción y reflexión.
Ahora vamos a ver porqué son tan importantes en el campo de la fibra óptica, y es que sin ellos, no existiría la
comunicación sobre este medio.
Antes de entrar en materia, puede que te preguntes qué
tienen que ver unos fenómenos de las ondas de radio con las ondas de luz… Pues,
en realidad, luz y radio son hermanas, como ya hemos comentado alguna vez,
ambas son ondas electromagnéticas, de
diferente longitud de onda pero igual comportamiento, por tanto, la refracción
y reflexión afectan también a la luz, como veremos a continuación.
La luz reflejada y refractada
Cuando la luz pasa de un medio material a otro con distinta
densidad, se produce una combinación de fenómenos curiosos:
·
Reflexión: una parte de los rayos
rebotan sobre el nuevo material y salen reflejados o despedidos con un ángulo
igual al incidente.
·
Refracción: otra parte de los
rayos, se transmiten hacia el interior del otro material.
¿Cuántos rayos se refractan o se reflejan? Pues depende de
los índices de refracción de los materiales.
El índice
de refracción
Como podrás pensar, no todas las sustancias disponen de la
misma densidad, esto hará que sus índices de refracción de las ondas
electromagnéticas cambien. La relación entre la velocidad de
propagación de la luz en el espacio vacío y dentro de un material se denomina índice de refracción y nos permite predecir que
grado de flexión habrá:
Donde:
·
c: es la velocidad de la luz en el
espacio libre
·
v: es la velocidad de la luz en
determinado material
Algunos índices de refracción de sustancias conocidas:
·
Vacío: 1
·
Aire: 1,0002926
·
Agua: 1,3330
·
Vidrio: 1,52
·
Diamante: 2,43
·
Silicio: 4,01
Puedes observar que al aumentar la densidad, disminuye la
velocidad de propagación de las ondas a través del material y en consecuencia
aumenta el índice de refracción.
La forma en que reacciona una onda, cuando pasa de un
material a otro con diferentes índices de refracción, sigue la Ley
de Snell, que en resumen, nos permite saber si la onda se acerca o
aleja a la normal (perpendicular entre los materiales). Pero a nosotros, lo que
nos interesa es saber qué sucede a partir de un determinado ángulo especial…
Ángulo crítico y reflexión total
Cuando la luz pasa de un material con mayor índice de
refracción a un medio con menor índice, existe un ángulo crítico, en el que la onda refractada (verde en
la imagen) tiene un ángulo de 90º respecto a la normal (línea negra
discontinua). En realidad, este es un punto límite, porque ni se produce
reflexión ni se produce refracción, la onda viajaría entre ambas superficies
sin salir de una, ni penetrar en la otra:
Si a partir de este punto crítico, seguimos incrementando el
ángulo de incidencia, la onda rebota totalmente, en un fenómeno llamado reflexión total, sin penetrar en el otro material:
Fibras de índice escalonado
La reflexión total es
la base de la comunicación de las fibras ópticas de índices escalonados. En ellas se dispone un núcleo de
vidrio y un aislante que lo recubre, los índices de refracción de ambos están
diseñados para producir una reflexión total de los rayos de luz, de forma que las ondas son contenidas en el cable y viajan a
largas distancias:
Dependiendo del tamaño del núcleo,
dividimos las fibras de índice escalonado en 2 tipos:
Fibra Óptica Monomodo
También llamadas unimodo o unimodales. El núcleo es tan
pequeño como para que la luz sólo pueda seguir una única trayectoria (modo)
de propagación.
·
Ventajas: dispersión modal mínima y
mayor ancho de banda.
·
Desventajas: difícil
acoplamiento de la luz por su pequeña abertura, se necesita un láser muy
direccional. Costosas y caras de fabricar.
Fibra Óptica
Multimodo
El núcleo tiene un diámetro más grande, de forma que
múltiples rayos de luz pueden propagarse con diferentes trayectorias y
velocidades.
·
Ventajas: fabricación barata y
sencilla, fácil acoplar luz por su mayor abertura.
·
Desventajas: las múltiples
trayectorias producen diferencias en los tiempos de propagación, mayor dispersión
modal. Ancho de banda más reducido.
Fibras de índice graduado
¿Qué pasaría si, en lugar de un núcleo con índice de
refracción uniforme, el índice fuera cambiando, máximo en el centro y más
pequeño conforme nos alejamos de él?
Pues que la luz siempre estaría pasando de un material menos
denso a otro más denso y los rayos se refractarían en
forma constante, en una especie de trayectorias curvas:
A medida que un rayo se aleja del centro, adquiere mayor
velocidad, esto permite a todos los rayos llegar casi al mismo tiempo al otro
extremo del cable, disminuyendo la dispersión
modal.
Las fibras de índice graduado se consideran un término medio entre las ventajas y desventajas de
las fibras de índice escalonado monomodo y multimodo. Hoy en día casi todas las fibras multimodo
son graduadas.
La propagación en el mundo real
Hasta aquí hemos visto la teoría de la propagación de la luz
sobre la fibra óptica, de una forma sencilla y simple. Pero en el mundo real,
la cosa es más compleja. Los materiales no son perfectos, tienen impurezas, y
la luz está sujeta a una serie de fenómenos que reducen el ancho de banda,
eficiencia y capacidad del sistema. Se denominan pérdidas y
hay por muchas causas:
·
Por dispersión de Rayleigh.
·
Por acoplamiento.
·
Por absorción.
·
Por radiación.
