Garavito:c

La atenuación es cualquier tipo de fenómeno que causa la disminución de la potencia de la señal propagada, pero no afecta su forma.

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El parámetro de atenuación unitaria a se utiliza en la descripción matemática de las pérdidas de potencia en la fibra óptica, causadas por la atenuación, y se mide a una distancia de 1 km. Se expresa en dB/km y se define por la siguiente fórmula:

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P(l1) y P(l2) – potencia óptica medida en la fibra óptica en los puntos l1 y l2 distantes entre sí de L

 

La atenuación aumenta exponencialmente con el aumento de la longitud de la fibra, reduciendo así el alcance de transmisión. El aumento de la atenuación de 3 dB corresponde a la caída de la potencia de la señal propagada de 50%.

 

Las pérdidas de potencia causadas por la atenuación incluyen fenómenos basados en el material, relacionados con las propiedades físicas del material del núcleo y las pérdidas de guía de onda resultantes de la estructura de la fibra óptica (fig. 1). Las pérdidas de materiales incluyen todo tipo de absorción y dispersión. Las pérdidas de guía de onda son las pérdidas de energía producidas por, por ejemplo: microcurvaturasy macrocurvaturas, falta de uniformidad de la distribución del índice de refracción de la luz en el límite entre el núcleo y el revestimiento o fluctuaciones en el diámetro o la forma de este límite.

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fig. 1. Dependencia entre la atenuación unitaria [a] y la longitud de onda λ en una fibra óptica monomodo de cuarzo

 

 

 

 

I II III - ventanas de transmisión

A - dispersión de Rayleigh

B - absorción en los iones de hidróxido

C - absorción en el ultravioleta

D - absorción en el infrarrojo

E - pérdidas de guía de onda

 

 

La absorción es un fenómeno que consiste en transmitir la energía de una onda electromagnética al material del centro en que se propaga la onda (fig. 2). Posteriormente, esta energía se disipa en forma de oscilación de partículas (principalmente oscilación térmica) o mediante la emisión. La energía puede ser absorbida por una partícula sólo en porciones estrictamente definidas (cuantos) que se determinan por la frecuencia de la onda electromagnética ν. Con la absorción del fotón se transfiere la energía necesaria para inducir una partícula al nivel energético más alto, reduciendo así el flujo luminoso.

 

 

 

 

Fig. 2. Absorción

 

 

 

 

hν - cuanto de energía de un fotón

E0 - nivel energético fundamental

E1 - nivel energético inducido

 

 

En las fibras ópticas para telecomunicaciones y multimedia, la absorción a través de la contaminación, en particular iones -OH, juega el papel más importante. La absorción en el infrarrojo y la absorción en el rango de UV es menos importante.

 

Para las ondas con una longitud de 0,95 μm y 1,38 μm, las pérdidas ópticas son particularmente influenciadas por la presencia de iones -OHpara los que hay respectivamente la tercera y la segunda armónica de oscilación. Para la longitud de onda de 1,23 μm, se sobreponen las oscilaciones de iones -OH con enlaces de Si-O, Cu2+, Fe2+, Cr3+ y H2 (fig. 1 – B). La presencia de iones -OH es el residuo después de la contaminación con el vapor de agua durante el proceso de fabricación. Añadiendo los aditivos apropiados, es posible influir no sólo en la variación del índice de refracción de la luz n, sino también en el aumento de la absorción (fig. 3).

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Fig. 3. Dependencia entre la atenuación unitaria [a] y la variación del índice de refracción de la luz Δn en una fibra óptica monomodo de cuarzo con una longitud de onda de 1 μm

 

 

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La absorción en el ultravioleta alcanza el valor máximo a una longitud de onda de 0,2 μm. Esto se debe a la expulsión de electrones de valencia por los fotones a la banda de conducción. Para las ondas superiores a 0,8 μm la absorción en UV es insignificante (fig. 1 – C).

 

Las propiedades del vidrio de cuarzo muestran que cuando la longitud de onda aumenta por encima de 1,6 μm, también aumenta la absorción en el infrarrojo (fig. 1 – D). Con una longitud de onda de 9 μm las estructuras cristalinas de Si02 están expuestas a la resonancia, por lo tanto, la atenuación alcanza el valor máximo y la fibra óptica deja de ser transparente.

 

La dispersión es un cambio de la dirección de la radiación propagada, causada por la falta de uniformidad del material a nivel molecular.
Una característica predominante en las fibras ópticas para telecomunicaciones y multimedia es la dispersión de Rayleigh; existe también la dispersión de Mie y la dispersión estimulada de Raman y Brillouin.

 

La razón para la ocurrencia de la dispersión de Rayleigh (RR) es la no uniformidad del material del núcleo (causada por la imperfección de la estructura del vidrio) con dimensiones sustancialmente menores que 0,03 λ. RR es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda de la luz (fig. 1 – A), determinando de ese modo el límite de usabilidad de fibras ópticas de cuarzo para las ondas inferiores a 0,7 μm. La atenuación que depende de RR (aR) se describe con la siguiente fórmula:

 

 

 

 

k – es una constante del material comprendida en el rango de 0,7 a 0,8 (dependiendo de la cantidad de aditivos)

 

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RR ocurre de la siguiente manera: la componente eléctrica de la onda electromagnética incidente induce el momento dipolar eléctrico oscilante a la frecuencia de esta onda. El dipolo absorbe el cuanto de luz e inmediatamente lo emite a la frecuencia igual a la frecuencia de oscilación del dipolo y, por tanto, de la onda incidente (fig. 4). La dirección de la onda dispersada es aleatoria, pero es menos probable que se emitan las ondas paralelas al eje del dipolo.

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Fig. 4. Dispersión de Rayleigh

 

 

 

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A - onda incidente

B - partícula dieléctrica dispersante (más pequeña que la longitud de onda de la luz)

C - onda pasante (para mantener la claridad de la ilustración, no está incluido el cambio de la dirección de propagación de la onda de luz)

D - ondas dispersadas

λ[const] - longitud de onda

 

 

La dispersión de Mie (RM) se produce cuando la onda de luz se dispersa en las partículas o agregados de moléculas con tamaño comparable o mayor que la longitud de esta onda. Este proceso no está directamente relacionado con la longitud de la onda dispersada, pero con el cociente del tamaño de la partícula y la longitud de onda. Se describe por el parámetro α.

 

 

 

 

r – radio de la partícula

 

 

 

 

Cuando el tamaño de la partícula es comparable con la longitud de onda, la dispersión es uniforme (aproximadamente) en todas las direcciones. Con el aumento del valor del cociente r/λ aumenta la asimetría en la dispersión observada (fig. 5). Cuando r>>λ, la dispersión en la dirección consistente con la onda dispersada es prevalente (dispersión hacia adelante), y la variación de la longitud de onda incidente es prácticamente despreciable.

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Fig. 5. Dispersión de Mie. Dispersión en las imperfecciones del material del núcleo de la fibra óptica: A) – comparables/mayores que la longitud de onda de luz, B) – mucho mayores que la longitud de onda de luz

 

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A través de la mejora del proceso tecnológico de fabricación de fibras ópticas, se han eliminado (en gran parte) las burbujas de gas, así como los agregados de elementos aditivos o de cristalitos, por lo cual las pérdidas de potencia causadas por RM se han reducido a 0,03 dB/km.

 

 

 

 

La dispersión estimulada de Brillouin (SBS) y la dispersión estimulada de Raman (SRS) son fenómenos no lineales. La interacción entre la onda electromagnética y el material del centro se produce después de exceder el valor límite de la potencia óptica.

 

 

 

 

SBS se produce cuando en los cables de fibra óptica hay modos con una potencia óptica de varios mW. Entonces, se forma una onda invertida y la energía de los fotones se transfiere a través del material del centro a los fotones acústicos. Además, la frecuencia del modo guiado se desplaza de:

 

 

 

 

n – índice de refracción de la luz
ν – velocidad de la onda sonora en el centro

 

 

 

 

SRS se produce después de exceder la potencia óptica de 1 W y consiste en la interacción de los modos guiados con las vibraciones moleculares del material del centro. La luz, aunque dispersada, transfiere el cuanto de energía del fotón a la partícula dispersante y cambia su frecuencia. En consecuencia, se reduce la potencia óptica de los modos con mayor frecuencia (modos de sondeo) y aumenta la potencia (bombeo) de la onda con una frecuencia más baja que la frecuencia de Stokes. En las fibras ópticas de silicio cada dos ondas con la diferencia de frecuencia de 15 THz se acoplan a través de SRS.

 

 

 

 

Otra fuente de pérdidas son las curvaturas de la fibra, tanto las macro, como las micro.

 

 

 

 

Una onda que se propaga a lo largo de la fibra óptica y se encuentra con una curvatura incide en el límite entre el revestimiento y el núcleo en un ángulo diferente del de un tramo recto de la fibra óptica. Cuando el ángulo de incidencia es menor que el ángulo límite, no se producen los fenómenos de reflexión interna total. Los modos guiados son parcialmente convertidos a los modos radiantes, por lo tanto, la refracción tiene lugar más allá del núcleo de la fibra óptica y también fuera del revestimiento (fig. 4) Una parte de la energía se pierde.

 

 

 

 

Fig. 4. Pérdidas (modos de pérdidas) formadas en las curvaturas de la fibra óptica - macrocurvaturas

 

 

 

 

Θ - ángulo de incidencia del frente de onda de la luz sobre el límite entre el núcleo y el revestimiento en una curvatura de la fibra óptica

Θg - ángulo límite para la reflexión interna total

 

 

Las pérdidas que se forman en las curvaturas son inevitables, se pueden minimizar reduciendo el número de curvaturas, y en los lugares donde se necesitan, usando las curvaturas con el más grande posible radio de curvatura. Cada fabricante de fibras ópticas especifica el radio de curvatura mínimo que debe tomarse en cuenta al tender el cable. Este parámetro no debe modificarse para no deteriorar significativamente los parámetros del cable.

 

 

 

 

Las microcurvaturas se presentan en la fase de producción de fibras. Este concepto comprende todos los tipos de irregularidades en la forma del límite entre el núcleo y el revestimiento, que son accidentales (microgrietas, agregados de aditivos, burbujas de gas) o cíclicas (por ejemplo, cambios del diámetro o de la geometría del núcleo o microfisuras debidas al aumento periódico de la tensión durante el enrollamiento de la fibra sobre el tambor).

 

 

 

 

Fig. 5. Pérdidas (modos de pérdidas) causadas por la presencia de imperfecciones en la estructura de la fibra óptica - microcurvaturas

 

 

 

 

A - irregularidades del límite entre el revestimiento y el núcleo

B - contaminación con iones

 

 

Los microcurvaturas en las fibras ópticas multimodo provocan el acoplamiento de los modos y la conversión de la energía de los modos guiados a los modos radiantes. En las fibras ópticas monomodo, causan el desenfoque de modos.