Fibra Óptica
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Universidad de Oviedo Curso: Fibra Óptica Juan Carlos Campo Rodríguez. Area de Tecnología Electrónica INDICE La Fibra Óptica El Espectro Leyes de la Refracción Elementos de la Fibra Apertura numérica Tipos de Fibras Propagación de la luz Características de las Fibras Atenuación Pérdidas por Absorción Pérdidas por Dispersión Otras fuentes de Pérdidas Las Ventanas Dispersión Modal Dispersión Cromática La Fibra Óptica ATE El Espectro Longitud de onda en µm Región Visible 1000 Ondas de radio 30 Inf. Lejano 3 Inf. Medio Inf. Cercano Rojo Naranja Amarillo Verde 0.78 Azul Violeta Ultravioleta 0.39 Infrarrojo La región más interesante es el Infrarrojo Cercano El Espectro La Fibra Óptica ATE Leyes de la refracción 1ª Ley Normal Substancia 1 Índice de refracción n1 Rayo incidente Superficie de separación entre ambas substancias Substancia 2 Índice de refracción n2 Rayo refractado 2ª Ley Índice de refracción n1 Normal Rayo incidente θa Índice de refracción n2 θb Rayo refractado sen θ a n2 = sen θ c n1 Leyes de la refracción La Fibra Óptica ATE Índice de refracción n2 Corteza Núcleo Índice de refracción n1 Índice de refracción n2 Ángulo límite Corteza θc Núcleo Rayo de luz Índice de refracción n1 Elementos de la fibra La Fibra Óptica ATE Apertura Numérica Índice de refracción n2 θc Ángulo límite θc θa Núcleo Rayo de luz Corteza Rayo de luz en ángulo mayor que el límite Índice de refracción n1 AN = n0 senθ a = n12 − n22 Apertura Numérica ATE Fibras de salto de índice y de índice gradual Fibra de salto de índice Núcleo Índice de refracción n1 Fibra de índice gradual Índice de refracción Corteza Índice de refracción n1 n1 n2 Trayectorias de los rayos en los distintos tipos de fibras Corteza Núcleo Rayo de luz Fibra de salto de índice Fibra de índice gradual Tipos de Fibras La Fibra Óptica ATE Propagación de la luz en la fibra: Los MODOS Primeros modos de propagación de la luz en una fibra Frecuencia característica V= Si V<2.4 Si V>2.4 2 ⋅π 2 ⋅ a ⋅ AN 2 λ Monomodo Multimodo Efecto muy pernicioso: Dispersión modal Propagación de la Luz La Fibra Óptica ATE Atenuación Pérdida de la potencia de la luz a medida que se transmite a lo largo de la fibra a( λ ) = Pe 1 ⋅10 ⋅ log ( dB / km ) L Ps Ps: Potencia luminosa de salida Pe: Potencia luminosa de entrada L: Longitud del tramo de fibra óptica Causas: - Pérdidas por Absorción - Pérdidas por Dispersión (Scattering) - Otras fuentes de pérdidas Atenuación (dB) 100 10 1 0.1 0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Longitud de onda (µm) 1.8 Características de las fibras: Atenuación La Fibra Óptica ATE Atenuación (Pérdidas por Absorción) Atenuación debida a la interacción luz-materia Absorción intrínseca Atenuación (dB) 100 10 1 Absorción ultravioleta Absorción infrarroja 0.1 0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Longitud de onda (µm) Absorción extrínseca Atenuación (dB) 103 102 101 100 10-1 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Longitud de onda (µm) 1.8 Características de las fibras: Atenuación La Fibra Óptica ATE Atenuación (Pérdidas por Dispersión de Rayleigh) Inversamente proporcionales a la cuarta potencia de la longitud de onda Atenuación (dB) 100 10 1 0.1 Dispersión de Rayleigh 0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Longitud de onda (µm) Dependen también del material Tipo de Material Sílice Silicato potásico Borosilicato sódico Silicato de sodio y calcio Pérdidas debido a la dispersión Rayleigh (dB/Km) a 850 nm 1.2 0.7 2.3 0.8 Características de las fibras: Atenuación La Fibra Óptica ATE Atenuación (Otras fuentes de pérdidas) Microcurvaturas Corteza Núcleo Radiación Atenuación (dB) 100 10 1 Imperfecciones 0.1 0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Longitud de onda (µm) Pérdidas de origen mecánico Características de las fibras: Atenuación La Fibra Óptica ATE Las Ventanas 2ª Ventana 1ª Ventana 3ª Ventana Atenuación (dB) 100 10 1 0.1 0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Longitud de onda (µm) 1ª Ventana 850 nm 2ª Ventana 1300 nm 3ª Ventana 1550 nm Características de las fibras: Atenuación La Fibra Óptica ATE Dispersión Modal Distorsión en la forma de onda debido a los diferentes trayectorias que siguen los rayos de luz en la fibra Corteza Núcleo Impulso de luz a la entrada Impulso de luz a la salida Ángulo límite Rayo Axial Rayo Propagado según el ángulo límite θc Núcleo Corteza Características de las fibras:Dispersión Modal La Fibra Óptica ATE Dispersión Cromática Variación de la velocidad de una radiación cuando se propaga a través de un medio tal que el índice de refracción varía para cada longitud de onda Se expresa en ps/km.nm 200 Dispersión cromática (ps/km.nm) 150 100 1.55 µm 50 Longitud de onda (µm) 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -50 -100 1.27 µm Trabajando en segunda y tercera ventana puede anularse con la modal Características de las fibras: Dispersión Cromát. INDICE Fabricación de Fibras Fabricación de la Preforma Métodos por fusión del vidrio Métodos a partir de ladeposición del vidrio a partir de la fase gaseosa Método OVD Método VAD Método MCVD Método PCVD Estirado Fabricación de las fibras ATE Fabricación de las fibras ópticas La mayor parte de los métodos se basan en la fabricación de una preforma y posterior estirado Fabricación de la preforma: Método por fusión de vidrio Gas inerte Tuberías de alimentación Crisoles de platino Vidrios en estado de fusión Horno Salida de la fibra Método del doble crisol • Es un método relativamente antiguo • La atenuación de la fibra es elevada Método Doble Crisol Fabricación de las fibras ATE Fabricación de las fibras ópticas Fabricación de la preforma: Métodos basados en la deposición de vidrio a partir de la fase gaseosa Método OVD (Outside Vapor Deposition) Vapores: SiCl4, GeCl4, O2 Quemador Preforma Preforma Horno Varilla Obtención de la preforma Método OVD Fabricación de las fibras ATE Fabricación de las fibras ópticas Método VAD (Vapor Axial Deposition) Preforma de Vidrio Horno Preforma porosa Quemador Vapores: SiCl4, GeCl4, O2 Método MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) Capa porosa Tubo de vidrio Capa de vidrio Quemador Métodos VAD Y MCVD Fabricación de las fibras ATE Método PCVD (Plasma Activated Chemical Vapor Deposition) Equipo de microondas Capa de Vidrio A la bomba Gases Horno fijo Tubo de cuarzo Estirado de la fibra Dispositivo de avance Preforma Horno Control de diámetro Fibra óptica Bobina de enrollado Capa protectora Rodillos trefiladores Control de resistencia Métodos PCVD y Estirado de la Fibra INDICE Conductores de Fibras Introducción Tipos de cables Cables comerciales Conductores de fibras ATE Conductores de fibras El objetivo es mantener al conductor de fibra óptica estable frente a las influencias externas dentro de los límites mecánicos admisibles Fibras de aramida Conductor de fibra óptica Vaina protectora Tipos de conductores •Huecos •Rellenos Conductores por grupos Fibras de aramida Conductor de fibra óptica Vaina protectora Introducción Conductores de fibras ATE Conductores de fibra El alma son el conjunto de los elementos de trenzado, los elementos de soporte y tracción y la envoltura que cubre a todos estos elementos Cable con una capa Alma del cable Vaina Cable con dos capas Tipos de Cables Conductores de fibras Conductores de fibra Cable de capas con conductores por grupos Cable por grupos Tipos de Cables ATE Conductores de fibras ATE Cable ranurado Plástico extruido Conductor de fibra óptica Cubierta exterior Elemento de tracción Vaina del cable De polietileno De PVC De plásticos fluorados Libres de Halógenos Armaduras Para cables submarinos, minas, cables aéreos autoportantes protección contra roedores, etc. Se utiliza aramida o acero Para la protección contra roedores: flejes de acero Tipos de Cables Conductores de fibras ATE Conductor de fibra óptica Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria Ejemplos Comerciales Conductores de fibras ATE Cable con dos capas Relleno central Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta exterior dePVC Cordón Cable con dos capas Relleno central Fibra óptica Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Subcable Cubierta exterior de PVC Aramida Cubierta secundaria Cordón Cable con conductores por grupos Relleno central Cable por grupos Relleno Recubrimiento exterior dePVC Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria Cordón Cordón Ejemplos Comerciales Conductores de fibras Cable aéreo Elemento de resistencia Aramida Relleno Fibra óptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Recubrimiento exterior Cordón Cable armado Cubierta interior Armado de acero Cubierta exterior Cordón Cable submarino Ejemplos Comerciales ATE INDICE Conectores y Adaptadores Introducción Conectores Adaptadores Fuentes de pérdidas en conectores Conector SMA Conector ST Conector FC Conector Bicónico Conector SC Comparación entre conectores Tipos de Pulido Conectores y Adaptadores ATE Fibra óptica CONECTOR Ferrule ADAPTADOR Protección para deformación Casquillo de engaste Recubrimiento de PVC Ferrule Caja conector Cubierta protectora Ferrule metálica Ferrule cerámica Introducción Conectores y Adaptadores ATE Adaptadores Adaptador Ferrule Fibra Lente Acoplamiento directo Acoplamiento de haz expandido Pérdidas de inserción Pe Pi = 10 ⋅ log ( dB ) Ps Pe: Potencia luminosa de entrada Ps: Potencia luminosa de salida Pérdidas de reflexión Pr ef = 10 ⋅ log Pr ( dB ) Pe Pe: Potencia luminosa de entrada Pr: Potencia luminosa reflejada Introducción Fibra Conectores y Adaptadores ATE Fuentes de pérdidas en los conectores 5 D 3 4 S D 3 2 0.5 AN 2 0.2 AN 1 0.15 AN .1 .2 .3 .4 1 .5 0 Razón S/D 10 20 30 40 50 Distancia D (mm) 4 5 D L 3 4 d D 3 2 2 1 1 .1 .2 .3 .4 0 .5 0.1 0.2 0.3 Desplazamiento axial d (mm) Razón L/D 5 1.5 D θ 0.2 AN 1 θ 4 D 3 0.15 AN 2 .5 0.5 AN 1 2 3 4 1 5 Desplazamiento angular (grados) Introducción 0 5 10 Desplazamiento angular 15 Conectores y Adaptadores Conector SMA • • • • • • • • Llamado FSMA Surge a mediados de los 70 Similar a un conector de RF Existen dos modelos: el 905 y el 906 Buenas características mecánicas Elevadas pérdidas de inserción Aplicaciones multimodo Actualmente en desuso Conectores SMA ATE Conectores y Adaptadores ATE Conector ST Adaptadores ST Aspecto del conector y adaptador Conectores ST y ST push-pull • • • • • • Mediados de los 80 por ATT Similar al conector BNC Resistente a vibraciones Retención insegura frente a tirones Ferrule cerámica, en general El más utilizado en aplicaciones multimodo Conectores ST Conectores y Adaptadores Conector FC Conectores FC y adaptadores • • • • • • Años 80, NTT Aplicaciones monomodo Ferrule cerámica Adaptador cerámico o metálica Enclavamiento por rosca Evolucionó al pulido FC/PC (Polishing Convex) Conectores FC ATE Conectores y Adaptadores Conector Bicónico • • • • Buen alineamiento fibra-fibra Aplicaciones mono y multimodo Conector caro Actualmente en desuso Conectores bicónicos ATE Conectores y Adaptadores ATE Conector SC Conectores SC y adaptador Conectores SC doble y simple • • • • • • • Años 90 por NTT Posibilidad de conexiones dobles y múltiples Tipo push-pull Ferrule cerámica en general Aplicaciones mono y multimodo Recomendado por la normativa americana Tiende al pulido APC Conectores SC Conectores y Adaptadores SMA ST FC Bicónico SC Tipo fibra µm núcleo/ µm corteza 50, 62.5, 85, 100 9/125 62.5/125 50,85,100/140 9/125 50/125 Mon/Mul. 9/125 50/125 ATE Pérdidas inserción dB 0,4 Pérdidas Retorno dB mín. Rango de Temp. ºC -60/+125 Tracción Cable/con. N 100 0.2 0.3 30 -40/+80 200 0.15/0.25 0.25 0.4 0.15/0.25 0.25 30,40,50, 60 -40/+85 200 -20/+60 -20/70 100 100 30,40,50, 60 Comparación entre los diferentes conectores APLICACIONES Multimodo Multimodo Monomodo FC Multimodo Monomodo Bicónico Multimodo Monomodo SC Multimodo Monomodo Televisión por cable SMA ST • • Telefonía Redes de área locales (LAN) • • • • • • • • • • • • • • Aplicaciones principales de los diferentes conectores Comparación entre conectores Conectores y Adaptadores ATE Tipos de pulido El pulido influye decisivamente en las pérdidas por inserción y en las pérdidas de retorno • Pulido Plano • Pulido PC, SPC y UPC • Pulido APC Contacto plano Contacto PC y SPC Contacto APC Fibra Ferrule • El pulido PC y el APC se utilizan fundamentalmente para aplicaciones monomodo Tipos de pulido INDICE Empalmes Introducción Empalmes mediante fusionadora Supervisión directa del núcleo Inyección local y supervisión local Inyección y supervisión remota Empalmes mecánicos Empalmes ATE Fusionadora Métodos • Supervisión directa del núcleo de la fibra • Inyección local y supervisión local • Inyección de luz y supervisión remota Supervisión directa del núcleo de la fibra 1 Alineado de las fibras 2 Prefusión para la limpieza 3 Fusión Fusión de la fibra mediante arco eléctrico Aspecto de la fusionadora Empalmes mediante fusionadora Empalmes ATE Fusionadora • Supervisión directa del núcleo de la fibra • Inyección local y supervisión local • Inyección de luz y supervisión remota Métodos Inyección de luz y detección local Fibra 1 Fibra 1 Emisor de luz Conductor de fibra de núcleo grueso Fotodiodo Fusionadora de inyección y supervisión local, controlada con microprocesador Empalmes mediante fusionadora Empalmes ATE Empalmes mecánicos Empalmes mecánicos simples Empalmes mecánicos múltiples Empalmes mecánicos INDICE Otros equipos de F.O. Acopladores Multiplexores Conmutadores Atenuadores Aisladores Medidores de Potencia Óptica Localizadores de Fibras Reflectómetros Cajas de empalmes Otros equipos de F.O. ATE Acopladores Elementos para la interconexión en redes de fibra óptica. Se utilizan para la supervisión, derivación, distribución, combinación, etc., de señales ópticas Acoplador en T Espejo semirreflectante Entrada Salida 1 Salida 2 Acoplador de lente Grin Espejo semirreflectante Salida 1 Acopladores Entrada Salida 1 Otros equipos de F.O. ATE Multiplexores Son acopladores pasivos selectivos a la longitud de onda Transmisor 1 longitud de onda λ1 Fibra óptica por la que circula λ1 , λ2, λ3. Transmisor 2 longitud de onda λ2 Transmisor 3 longitud de onda λ3 Receptor 1 longitud de onda λ1 Receptor 2 longitud de onda λ2 Acoplador Demultiplexor Multiplexores Receptor 3 longitud de onda λ3 Otros equipos de F.O. Multiplexores Estructuras de multiplexores Multiplexores ATE Otros equipos de F.O. ATE Conmutadores Ópticos Existen dos tipos: electromecánico y electroóptico T R Int. óptico Int. óptico Int. óptico Int. óptico T R T R Entrada Salida Entrada Fuente de luz Detector Fuente de luz GND GND Estado normal T R Terminal by-passed Salida Detector GND +5VDC Estado by-pass Conmutadores ópticos Otros equipos de F.O. ATE Atenuadores Introducen una atenuación determinada en el sistema de fibra óptica Luz reflejada Luz incidente Cristal Luz transmitida Película metálica Atenuadores Otros equipos de F.O. Aisladores Permiten la transmisión de la luz en un solo sentido Fotografía de un aislador Esquema de un aislador Se utilizan para evitar la luz reflejada Aisladores ATE Otros equipos de F.O. ATE Medidores de potencia óptica Permiten localizar fallos en fibras de poca longitud Fotografía de un medidor de potencia Localizadores de fibras Permiten detectar determinadas frecuencias sin interrumpir la fibra Fotografía de un medidor de potencia Medidores de potencia y localizadores Otros equipos de F.O. ATE Reflectómetros Sirven para la medida de la atenuación de la fibra, la medida de la longitud de la fibra y la localización de rupturas Fuente de luz Sistema óptico Dispositivo de acoplamiento Sistema óptico Fibra a medir Sistema óptico Detector óptico Osciloscopio Amplificador Procesador de señales Sistema de representación de datos Esquema de los elementos de un relectómetro Se fundamenta en medir la luz retroesparcida Reflectómetros Otros equipos de F.O. ATE Reflectómetros dB (I) (V) Va (II) Vb (III) (IV) L Longitud Curva típica obtenida con un reflectómetro Fotografía de un reflectómetro Reflectómetros Otros equipos de F.O. Cajas de empalmes Sirven para proteger las zonas de empalmes de fibras Fotografía de diversas cajas de empalmes Cajas de empalmes ATE INDICE Otras aplicaciones de F.O. Introducción Multiplexores Conmutadores Atenuadores Aisladores Medidores de Potencia Óptica Localizadores de Fibras Reflectómetros Cajas de empalmes Otras aplicaciones de F.O. Propiedades de la fibra que justifican las diversas aplicaciones TRANSPARENCIA: Observación e iluminación de superficies normalmente inaccesibles. SENSIBILIDAD A FACTORES EXTERNOS: Factores externos pueden modificar algún parámetro del haz de luz. FLEXIBILIDAD: Permite introducir las fibras en zonas de difícil acceso. INSENSIBILIDAD A RADIACIONES NUCLEARES: Útil en aplicaciones militares PEQUEÑO DIÁMETRO: Permite acceso a lugares difíciles. PESO REDUCIDO Introducción ATE Otras aplicaciones de F.O. ATE El endoscopio Sirven para la observación de zonas de difícil acceso Elementos que lo constituyen FUENTE DE LUZ: Halógena o de cuarzo. HAZ DE FIBRAS : Unas para iluminar, otras para “ver” ELEMENTOS ÓPTICOS Aplicaciones basadas en la transparencia Otras aplicaciones de F.O. ATE Aplicaciones del endoscopio Inspección de motores y turbinas En el control de calidad de los procesos de fabricación se realiza el análisis de las oquedades provocadas por burbujas de aire atrapadas en el proceso. Medicina Laringoscopios, brocoscopios, gastroscopios, etc. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra la imagen. Los campos generales de actuación son: Diagnóstico Terapéutico Postoperatorio Análisis remoto de muestras Se dispone de un haz de fibras: Parte del haz lleva luz y el resto recoge la luz reflejada. A continuación se compararan y se pueden determinar determinados parámetros Aplicaciones basadas en la transparencia Otras aplicaciones de F.O. ATE Reproducción tridimensional de imágenes Se divide el haz en varios grupos, cada uno para un plano. Por superposición de planos es posible reproducir la imagen Una aplicación más sencilla es la lectura de tarjetas perforadas Medicna Laringoscopios, brocoscopios, gastroscopios, etc. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra la imagen. Los campos generales de actuación son: Diagnóstico Terapéutico Postoperatorio Análisis remoto de muestras Se dispone de un haz de fibras: Parte del haz lleva luz y el resto recoge la luz reflejada. A continuación se compararan y se pueden determinar determinados parámetros Aplicaciones basadas en la transparencia Otras aplicaciones de F.O. ATE Conmutadores Constan de una fibra partida en cuyo espacio de separación se inserta: Un material de transparencia variable Un elemento móvil Medidas de contaminación y reflexión La mayor parte de los compuestos se caracterizan por un espectro en las zonas infrarroja o ultravioleta que permite detectar su concentración Aplicaciones basadas en la radiación del extremo Otras aplicaciones de F.O. ATE Detectores de nivel Presentan como problema la suciedad Aplicaciones basadas en la radiación del extremo Otras aplicaciones de F.O. Sensores Ventajas Insensibilidad a perturbaciones electromagnéticas Aislamiento galvánico Químicamente inertes Adecuados para medios inflamables Flexibilidad Pequeño peso Débil atenuación Gran ancho de banda Precisión Estabilidad Difícil intercepción Sensores ATE Otras aplicaciones de F.O. ATE Sensores interferométricos Espejo fijo Espejo móvil Transductor LASER DETECTOR LASER Acoplador Interferómetro de Michelson Espejo fijo DETECTOR Transductor Interferómetro de Michelson realizado con fibra Sensores Otras aplicaciones de F.O. ATE Sensores interferométricos Espejo fijo DETECTOR Espejo móvil LASER Tr Interferómetro de Mach-Zehnder LASER Acoplador an sd uc to r Acoplador D D Transductor Interferómetro de MachZehnder realizado con fibra Sensores Otras aplicaciones de F.O. Sensores de presión Mediante reflexión Sensores de presión ATE Otras aplicaciones de F.O. Sensores de presión Esterillas de reflexión Detección de proximidad de máquinas peligrosas Sensor de contacto en parachoques Detección de impactos (pelotas de tenis) El hidrófono Transforma oscilaciones sonoras en un medio líquido Exiten dos posibilidades de medida: Mediante técnicas interferométricas Mediante técnicas ecométricas Sensores de presión ATE Otras aplicaciones de F.O. ATE Sensores de temperatura Existen diferentes tipos en función el hecho en que están basados 1. El Núcleo y la envoltura varían de modo distinto su índice de refracción al cambiar la temperatura. Al aumentar la temperatura, disminuye la diferencia de índices y llega menor luz 2. Utilizando métodos interferométricos 3. Utilizando la fibra como guía de luz y midiendo en la zona del infrarrojo Medidas de campo magnético Se basan en la variación del plano de polarización de la luz Otra posibilidad es utilizar técnicas interferométricas Sensores de temperatura y campos el.-mag. Otras aplicaciones de F.O. Ventajas Resulta más sencilla la codificación de mensajes Escaso peso: industria aeronáutica Inmunidad a interferencias electromagnéticas Inmunidad a radiaciones nucleares Aplicaciones Comunicaciones en general Interconexión de radares Enlaces entre centros de campaña móviles Lanzamiento de misiles Aplicaciones militares ATE
