Fibra óptica

La fibra óptica en inglés de la Commonwealth, es una fibra flexible y transparente hecha de vidrio (sílice) o plástico estirado a un diámetro ligeramente más grueso que el de un cabello humano. Las fibras ópticas se utilizan con mayor frecuencia como un medio para transmitir luz entre los dos extremos de la fibra y encuentran un amplio uso en las comunicaciones de fibra óptica, donde permiten la transmisión a distancias más largas y con anchos de banda más altos (velocidades de transferencia de datos) que los cables eléctricos. Se utilizan fibras en lugar de hilos metálicos porque las señales viajan por ellas con menos pérdidas; además, las fibras son inmunes a las interferencias electromagnéticas, un problema que sufren los cables metálicos.Las fibras también se utilizan para la iluminación y la obtención de imágenes y, a menudo, se envuelven en paquetes para que puedan usarse para llevar luz o imágenes fuera de espacios reducidos, como en el caso de un fibroscopio. Las fibras especialmente diseñadas también se utilizan para una variedad de otras aplicaciones, algunas de ellas son sensores de fibra óptica y láseres de fibra.

Las fibras ópticas suelen incluir un núcleo rodeado por un material de revestimiento transparente con un índice de refracción más bajo. La luz se mantiene en el núcleo por el fenómeno de reflexión interna total que hace que la fibra actúe como guía de ondas. Las fibras que admiten muchas rutas de propagación o modos transversales se denominan fibras multimodo, mientras que las que admiten un solo modo se denominan fibras monomodo (SMF). Las fibras multimodo generalmente tienen un diámetro de núcleo más ancho y se usan para enlaces de comunicación de corta distancia y para aplicaciones donde se debe transmitir alta potencia. Las fibras monomodo se utilizan para la mayoría de los enlaces de comunicación de más de 1000 metros (3300 pies).

Poder unir fibras ópticas con bajas pérdidas es importante en la comunicación por fibra óptica. Esto es más complejo que unir alambres o cables eléctricos e implica la división cuidadosa de las fibras, la alineación precisa de los núcleos de las fibras y el acoplamiento de estos núcleos alineados. Para aplicaciones que exigen una conexión permanente, es común un empalme por fusión. En esta técnica, se usa un arco eléctrico para fundir los extremos de las fibras. Otra técnica común es un empalme mecánico, donde los extremos de las fibras se mantienen en contacto por fuerza mecánica. Las conexiones temporales o semipermanentes se realizan mediante conectores de fibra óptica especializados.

El campo de la ciencia aplicada y la ingeniería relacionado con el diseño y la aplicación de fibras ópticas se conoce como fibra óptica. El término fue acuñado por el físico indio-estadounidense Narinder Singh Kapany.

Historia

Daniel Colladon y Jacques Babinet demostraron por primera vez el guiado de la luz por refracción, el principio que hace posible la fibra óptica, en París a principios de la década de 1840. John Tyndall incluyó una demostración de ello en sus conferencias públicas en Londres, 12 años después. Tyndall también escribió sobre la propiedad de la reflexión interna total en un libro introductorio sobre la naturaleza de la luz en 1870:

Cuando la luz pasa del aire al agua, el rayo refractado se desvía hacia la perpendicular... Cuando el rayo pasa del agua al aire se desvía de la perpendicular... Si el ángulo que forma el rayo en el agua con la perpendicular a la superficie sea mayor de 48 grados, el rayo no saldrá del agua en absoluto: se reflejará totalmente en la superficie... El ángulo que marca el límite donde comienza la reflexión total se llama ángulo límite del medio. Para el agua este ángulo es de 48°27′, para el vidrio de pedernal es de 38°41′, mientras que para un diamante es de 23°42′.

A fines del siglo XIX, un equipo de médicos vieneses guió la luz a través de varillas de vidrio dobladas para iluminar las cavidades del cuerpo. Las aplicaciones prácticas, como la iluminación interna cercana durante la odontología, siguieron a principios del siglo XX. La transmisión de imágenes a través de tubos fue demostrada de forma independiente por el experimentador de radio Clarence Hansell y el pionero de la televisión John Logie Baird en la década de 1920. En la década de 1930, Heinrich Lamm demostró que se podían transmitir imágenes a través de un haz de fibras ópticas sin revestimiento y las utilizó para exámenes médicos internos, pero su trabajo fue olvidado en gran medida.

En 1953, el científico holandés Bram van Heel [nl] demostró por primera vez la transmisión de imágenes a través de haces de fibras ópticas con un revestimiento transparente. Ese mismo año, Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany del Imperial College de Londres lograron fabricar haces de transmisión de imágenes con más de 10 000 fibras y, posteriormente, lograron la transmisión de imágenes a través de un haz de 75 cm de largo que combinaba varios miles de fibras.El primer gastroscopio semiflexible de fibra óptica práctico fue patentado por Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters y Lawrence E. Curtiss, investigadores de la Universidad de Michigan, en 1956. En el proceso de desarrollo del gastroscopio, Curtiss produjo el primer vidrio- fibras revestidas; Las fibras ópticas anteriores se habían basado en el aire o en aceites y ceras poco prácticos como material de revestimiento de bajo índice.

Kapany acuñó el término fibra óptica después de escribir un artículo de 1960 en Scientific American que presentó el tema a una amplia audiencia. Posteriormente escribió el primer libro sobre el nuevo campo.

El primer sistema de transmisión de datos de fibra óptica en funcionamiento fue demostrado por el físico alemán Manfred Börner en Telefunken Research Labs en Ulm en 1965, seguido de la primera solicitud de patente para esta tecnología en 1966. En 1968, la NASA usó fibra óptica en las cámaras de televisión que fueron enviado a la luna. En ese momento, el uso de las cámaras se clasificaba como confidencial y los empleados que manejaban las cámaras tenían que ser supervisados ​​por alguien con la autorización de seguridad adecuada.

Charles K. Kao y George A. Hockham de la empresa británica Standard Telephones and Cables (STC) fueron los primeros en promover la idea de que la atenuación en las fibras ópticas podría reducirse por debajo de los 20 decibeles por kilómetro (dB/km), convirtiendo a las fibras en un medio de comunicación práctico, en 1965. Propusieron que la atenuación en las fibras disponibles en ese momento era causada por impurezas que podían eliminarse, en lugar de efectos físicos fundamentales como la dispersión. Teorizaron correcta y sistemáticamente las propiedades de pérdida de luz de la fibra óptica y señalaron el material correcto para usar en dichas fibras: vidrio de sílice de alta pureza. Este descubrimiento le valió a Kao el Premio Nobel de Física en 2009.El límite de atenuación crucial de 20 dB/km fue alcanzado por primera vez en 1970 por los investigadores Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz y Frank Zimar que trabajaban para el fabricante de vidrio estadounidense Corning Glass Works. Demostraron una fibra con una atenuación de 17 dB/km dopando vidrio de sílice con titanio. Unos años más tarde, produjeron una fibra con una atenuación de solo 4 dB/km utilizando dióxido de germanio como dopante central. En 1981, General Electric produjo lingotes de cuarzo fundido que podían estirarse en hebras de 40 km (25 millas) de largo.

Inicialmente, las fibras ópticas de alta calidad solo podían fabricarse a 2 metros por segundo. El ingeniero químico Thomas Mensah se incorporó a Corning en 1983 y aumentó la velocidad de fabricación a más de 50 metros por segundo, lo que hizo que los cables de fibra óptica fueran más baratos que los tradicionales de cobre. Estas innovaciones marcaron el comienzo de la era de las telecomunicaciones de fibra óptica.

El centro de investigación italiano CSELT trabajó con Corning para desarrollar cables de fibra óptica prácticos, lo que resultó en el despliegue del primer cable de fibra óptica metropolitana en Turín en 1977. CSELT también desarrolló una técnica temprana para empalmar fibras ópticas, llamada Springroove.

La atenuación en los cables ópticos modernos es mucho menor que en los cables eléctricos de cobre, lo que lleva a conexiones de fibra de larga distancia con distancias de repetidor de 70 a 150 kilómetros (43 a 93 millas). Dos equipos, dirigidos por David N. Payne de la Universidad de Southampton y Emmanuel Desurvire de Bell Labs, desarrollaron el amplificador de fibra dopado con erbio, que redujo el costo de los sistemas de fibra de larga distancia al reducir o eliminar los repetidores óptico-eléctrico-ópticos, en 1986 y 1987 respectivamente.

El campo emergente de los cristales fotónicos condujo al desarrollo en 1991 de la fibra de cristal fotónico, que guía la luz por difracción desde una estructura periódica, en lugar de por reflexión interna total. Las primeras fibras de cristal fotónico estuvieron disponibles comercialmente en el año 2000. Las fibras de cristal fotónico pueden transportar una mayor potencia que las fibras convencionales y sus propiedades dependientes de la longitud de onda se pueden manipular para mejorar el rendimiento.

Usos

Comunicación

La fibra óptica se utiliza como medio para las telecomunicaciones y las redes informáticas porque es flexible y se puede agrupar como cables. Es especialmente ventajoso para las comunicaciones de larga distancia, porque la luz infrarroja se propaga a través de la fibra con una atenuación mucho menor en comparación con la electricidad en los cables eléctricos. Esto permite cubrir largas distancias con pocos repetidores.

10 o 40 Gbit/s es típico en los sistemas implementados.

Mediante el uso de multiplexación por división de longitud de onda (WDM), cada fibra puede transportar muchos canales independientes, cada uno con una longitud de onda de luz diferente. La velocidad de datos neta (velocidad de datos sin bytes de sobrecarga) por fibra es la velocidad de datos por canal reducida por la sobrecarga de corrección de errores de reenvío (FEC), multiplicada por la cantidad de canales (generalmente hasta 80 en sistemas comerciales WDM densos a partir de 2008).

Fecha	Hito
2006	111 Gbit/s por NTT.
2009	100 Pbit/s·km (15,5 Tbit/s sobre una sola fibra de 7000 km) por Bell Labs.
2011	101 Tbit/s (370 canales a 273 Gbit/s cada uno) en un solo núcleo.
enero 2013	Transmisión de 1,05 Pbit/s a través de un cable de fibra multinúcleo.
Junio ​​del 2013	400 Gbit/s en un solo canal usando multiplexación de momento angular orbital de 4 modos.

Para aplicaciones de corta distancia, como una red en un edificio de oficinas (ver fibra hasta la oficina), el cableado de fibra óptica puede ahorrar espacio en los conductos de cables. Esto se debe a que una sola fibra puede transportar muchos más datos que los cables eléctricos, como el cable estándar de categoría 5, que normalmente funciona a velocidades de 100 Mbit/s o 1 Gbit/s.

Las fibras también se utilizan a menudo para conexiones de corta distancia entre dispositivos. Por ejemplo, la mayoría de los televisores de alta definición ofrecen una conexión óptica de audio digital. Esto permite la transmisión de audio a través de la luz, utilizando el protocolo S/PDIF a través de una conexión óptica TOSLINK.

Sensores

Las fibras tienen muchos usos en la teledetección. En algunas aplicaciones, el sensor es en sí mismo una fibra óptica. Las fibras se utilizan para canalizar la radiación a un sensor donde se mide. En otros casos, la fibra se utiliza para conectar un sensor a un sistema de medición.

Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir la tensión, la temperatura, la presión y otras cantidades modificando una fibra de modo que la propiedad que se mide module la intensidad, la fase, la polarización, la longitud de onda o el tiempo de tránsito de la luz en la fibra. Los sensores que varían la intensidad de la luz son los más simples ya que solo se requiere una fuente y un detector simples. Una característica particularmente útil de tales sensores de fibra óptica es que, si es necesario, pueden proporcionar detección distribuida en distancias de hasta un metro. Por el contrario, se pueden proporcionar mediciones muy localizadas integrando elementos de detección miniaturizados con la punta de la fibra.Estos pueden implementarse mediante varias tecnologías de micro y nanofabricación, de modo que no excedan el límite microscópico de la punta de la fibra, lo que permite aplicaciones tales como la inserción en los vasos sanguíneos a través de una aguja hipodérmica.

Los sensores de fibra óptica extrínsecos utilizan un cable de fibra óptica, normalmente uno multimodo, para transmitir luz modulada desde un sensor óptico sin fibra o un sensor electrónico conectado a un transmisor óptico. Una de las principales ventajas de los sensores extrínsecos es su capacidad para llegar a lugares que de otro modo serían inaccesibles. Un ejemplo es la medición de la temperatura dentro de los motores a reacción mediante el uso de una fibra para transmitir radiación a un pirómetro fuera del motor. Los sensores extrínsecos se pueden utilizar de la misma manera para medir la temperatura interna de los transformadores eléctricos, donde los campos electromagnéticos extremos presentes imposibilitan otras técnicas de medición. Los sensores extrínsecos miden la vibración, la rotación, el desplazamiento, la velocidad, la aceleración, el par y la torsión. Se ha desarrollado una versión de estado sólido del giroscopio que utiliza la interferencia de la luz.

Los usos comunes de los sensores de fibra óptica incluyen sistemas avanzados de seguridad de detección de intrusos. La luz se transmite a lo largo de un cable sensor de fibra óptica colocado en una cerca, tubería o cableado de comunicación, y la señal devuelta se monitorea y analiza en busca de perturbaciones. Esta señal de retorno se procesa digitalmente para detectar perturbaciones y activar una alarma si se produce una intrusión.

Las fibras ópticas se utilizan ampliamente como componentes de sensores químicos ópticos y biosensores ópticos.

Transmisión de potencia

La fibra óptica se puede usar para transmitir energía usando una celda fotovoltaica para convertir la luz en electricidad. Si bien este método de transmisión de energía no es tan eficiente como los convencionales, es especialmente útil en situaciones en las que es deseable no tener un conductor metálico como en el caso del uso cerca de máquinas de resonancia magnética, que producen fuertes campos magnéticos. Otros ejemplos son para la alimentación de componentes electrónicos en elementos de antena de alta potencia y dispositivos de medición utilizados en equipos de transmisión de alto voltaje.

Otros usos

Las fibras ópticas se utilizan como guías de luz en aplicaciones médicas y de otro tipo en las que se necesita hacer brillar una luz brillante sobre un objetivo sin una línea de visión clara. Muchos microscopios utilizan fuentes de luz de fibra óptica para proporcionar una iluminación intensa de las muestras que se estudian.

La fibra óptica también se utiliza en la óptica de imágenes. Se usa un haz coherente de fibras, a veces junto con lentes, para un dispositivo de imagen largo y delgado llamado endoscopio, que se usa para ver objetos a través de un pequeño orificio. Los endoscopios médicos se utilizan para procedimientos exploratorios o quirúrgicos mínimamente invasivos. Los endoscopios industriales (ver fibroscopio o boroscopio) se utilizan para inspeccionar cualquier cosa difícil de alcanzar, como los interiores de motores a reacción.

En algunos edificios, las fibras ópticas encaminan la luz solar desde el techo a otras partes del edificio (ver óptica sin imágenes). Las lámparas de fibra óptica se utilizan para la iluminación en aplicaciones decorativas, incluidos carteles, obras de arte, juguetes y árboles de Navidad artificiales. La fibra óptica es una parte intrínseca del producto de construcción de hormigón que transmite la luz, LiTraCon.

La fibra óptica también se puede utilizar en el control de la salud estructural. Este tipo de sensor puede detectar tensiones que pueden tener un impacto duradero en las estructuras. Se basa en el principio de medir la atenuación analógica.

En espectroscopia, los haces de fibra óptica transmiten luz desde un espectrómetro a una sustancia que no se puede colocar dentro del propio espectrómetro, para analizar su composición. Un espectrómetro analiza las sustancias haciendo rebotar la luz a través de ellas. Al usar fibras, se puede usar un espectrómetro para estudiar objetos de forma remota.

Una fibra óptica dopada con ciertos elementos de tierras raras, como el erbio, se puede utilizar como medio de ganancia de un láser o un amplificador óptico. Las fibras ópticas dopadas con tierras raras se pueden utilizar para proporcionar amplificación de señal empalmando una sección corta de fibra dopada en una línea de fibra óptica normal (no dopada). La fibra dopada se bombea ópticamente con una segunda longitud de onda láser que se acopla a la línea además de la onda de la señal. Ambas longitudes de onda de luz se transmiten a través de la fibra dopada, que transfiere energía desde la segunda longitud de onda de bombeo a la onda de señal. El proceso que provoca la amplificación es la emisión estimulada.

La fibra óptica también se explota ampliamente como medio no lineal. El medio de vidrio admite una gran cantidad de interacciones ópticas no lineales, y las largas longitudes de interacción posibles en la fibra facilitan una variedad de fenómenos, que se aprovechan para aplicaciones e investigaciones fundamentales. Por el contrario, la no linealidad de la fibra puede tener efectos nocivos en las señales ópticas y, a menudo, se requieren medidas para minimizar tales efectos no deseados.

Las fibras ópticas dotadas con un cambiador de longitud de onda recogen la luz de centelleo en los experimentos de física.

Las miras de fibra óptica para pistolas, rifles y escopetas utilizan piezas de fibra óptica para mejorar la visibilidad de las marcas en la mira.

Principio de funcionamiento

Una fibra óptica es una guía de ondas dieléctrica cilíndrica (guía de ondas no conductora) que transmite luz a lo largo de su eje a través del proceso de reflexión interna total. La fibra consta de un núcleo rodeado por una capa de revestimiento, ambos hechos de materiales dieléctricos. Para confinar la señal óptica en el núcleo, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el del revestimiento. El límite entre el núcleo y el revestimiento puede ser abrupto, en fibra de índice escalonado, o gradual, en fibra de índice gradual. La luz se puede alimentar a las fibras ópticas mediante láseres o LED.

La fibra es inmune a las interferencias eléctricas; no hay diafonía entre señales en diferentes cables y no capta ruido ambiental. La información que viaja dentro de la fibra óptica es incluso inmune a los pulsos electromagnéticos generados por los dispositivos nucleares.

Los cables de fibra no conducen la electricidad, lo que hace que la fibra sea útil para proteger equipos de comunicaciones en entornos de alto voltaje, como instalaciones de generación de energía o aplicaciones propensas a la caída de rayos. El aislamiento eléctrico también evita problemas con los bucles de tierra. Debido a que no hay electricidad en los cables ópticos que puedan generar chispas, se pueden usar en entornos donde hay gases explosivos. Las escuchas telefónicas (en este caso, las escuchas de fibra) son más difíciles en comparación con las conexiones eléctricas.

Los cables de fibra no están destinados al robo de metales. Por el contrario, los sistemas de cables de cobre utilizan grandes cantidades de cobre y han sido objeto de ataques desde el auge de las materias primas en la década de 2000.

Índice de refracción

El índice de refracción es una forma de medir la velocidad de la luz en un material. La luz viaja más rápido en el vacío, como en el espacio exterior. La velocidad de la luz en el vacío es de unos 300.000 kilómetros (186.000 millas) por segundo. El índice de refracción de un medio se calcula dividiendo la velocidad de la luz en el vacío por la velocidad de la luz en ese medio. El índice de refracción de un vacío es, por tanto, 1, por definición. Una fibra monomodo típica utilizada para telecomunicaciones tiene un revestimiento de sílice pura, con un índice de 1,444 a 1500 nm, y un núcleo de sílice dopada con un índice de alrededor de 1,4475.Cuanto mayor es el índice de refracción, más lenta viaja la luz en ese medio. A partir de esta información, una regla general simple es que una señal que utilice fibra óptica para la comunicación viajará a unos 200 000 kilómetros por segundo. Así, una llamada telefónica transportada por fibra entre Sydney y Nueva York, una distancia de 16.000 kilómetros, significa que hay un retraso mínimo de 80 milisegundos (alrededor de un segundo) entre que una persona habla y la otra escucha.

Reflexión interna total

Cuando la luz que viaja en un medio ópticamente denso golpea un límite con un ángulo pronunciado (mayor que el ángulo crítico del límite), la luz se refleja por completo. Esto se llama reflexión interna total. Este efecto se utiliza en fibras ópticas para confinar la luz en el núcleo. La mayoría de las fibras ópticas modernas tienen un guiado débil, lo que significa que la diferencia en el índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento es muy pequeña (normalmente menos del 1 %). La luz viaja a través del núcleo de la fibra, rebotando de un lado a otro del límite entre el núcleo y el revestimiento.

Debido a que la luz debe incidir en el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico, solo la luz que ingresa a la fibra dentro de un cierto rango de ángulos puede viajar por la fibra sin filtrarse. Este rango de ángulos se denomina cono de aceptación de la fibra. Hay un ángulo máximo desde el eje de la fibra en el que la luz puede entrar en la fibra para que se propague, o viaje, en el núcleo de la fibra. El seno de este ángulo máximo es la apertura numérica (NA) de la fibra. La fibra con una NA más grande requiere menos precisión para empalmar y trabajar que la fibra con una NA más pequeña. El tamaño de este cono de aceptación es una función de la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento de la fibra. La fibra monomodo tiene una NA pequeña.

Fibra multimodo

La fibra con un diámetro de núcleo grande (más de 10 micrómetros) puede analizarse mediante óptica geométrica. Tal fibra se llama fibra multimodo., a partir del análisis electromagnético (ver más abajo). En una fibra multimodo de índice escalonado, los rayos de luz son guiados a lo largo del núcleo de la fibra por reflexión interna total. Los rayos que se encuentran con el límite entre el núcleo y el revestimiento en un ángulo (medido en relación con una línea normal al límite) mayor que el ángulo crítico para este límite, se reflejan por completo. El ángulo crítico está determinado por la diferencia en el índice de refracción entre los materiales del núcleo y del revestimiento. Los rayos que se encuentran con el límite en un ángulo bajo se refractan desde el núcleo hacia el revestimiento donde terminan. El ángulo crítico determina el ángulo de aceptación de la fibra, a menudo informado como una apertura numérica. Una apertura numérica alta permite que la luz se propague por la fibra en rayos tanto cerca del eje como en varios ángulos, lo que permite un acoplamiento eficiente de la luz en la fibra. Sin embargo,

En fibra de índice graduado, el índice de refracción en el núcleo disminuye continuamente entre el eje y el revestimiento. Esto hace que los rayos de luz se desvíen suavemente a medida que se acercan al revestimiento, en lugar de reflejarse abruptamente desde el límite entre el núcleo y el revestimiento. Los caminos curvos resultantes reducen la dispersión de caminos múltiples porque los rayos de ángulo alto pasan más a través de la periferia de índice más bajo del núcleo, en lugar del centro de índice alto. El perfil de índice se elige para minimizar la diferencia en las velocidades de propagación axial de los diversos rayos en la fibra. Este perfil de índice ideal está muy cerca de una relación parabólica entre el índice y la distancia desde el eje.

Fibra monomodo

La fibra con un diámetro de núcleo inferior a aproximadamente diez veces la longitud de onda de la luz que se propaga no se puede modelar utilizando óptica geométrica. En cambio, debe analizarse como una estructura de guía de onda electromagnética, según las ecuaciones de Maxwell reducidas a la ecuación de onda electromagnética. Como guía de ondas ópticas, la fibra admite uno o más modos transversales confinados mediante los cuales la luz puede propagarse a lo largo de la fibra. La fibra que admite solo un modo se denomina monomodo.El análisis de la guía de ondas muestra que la energía de la luz en la fibra no está completamente confinada en el núcleo. En cambio, especialmente en las fibras monomodo, una fracción significativa de la energía en el modo ligado viaja en el revestimiento como una onda evanescente. El tipo más común de fibra monomodo tiene un diámetro de núcleo de 8 a 10 micrómetros y está diseñado para usarse en el infrarrojo cercano. La fibra multimodo, en comparación, se fabrica con diámetros de núcleo tan pequeños como 50 micrómetros y tan grandes como cientos de micrómetros.

Fibra de propósito especial

Algunas fibras ópticas para fines especiales se construyen con un núcleo no cilíndrico o una capa de revestimiento, generalmente con una sección transversal elíptica o rectangular. Estos incluyen fibra que mantiene la polarización utilizada en sensores de fibra óptica y fibra diseñada para suprimir la propagación del modo de galería susurrante.

La fibra de cristal fotónico se fabrica con un patrón regular de variación de índice (a menudo en forma de orificios cilíndricos que se extienden a lo largo de la fibra). Dicha fibra utiliza efectos de difracción en lugar de o además de la reflexión interna total, para confinar la luz al núcleo de la fibra. Las propiedades de la fibra se pueden adaptar a una amplia variedad de aplicaciones.

Mecanismos de atenuación

La atenuación en fibra óptica, también conocida como pérdida de transmisión, es la reducción en la intensidad de la señal de luz a medida que viaja a través del medio de transmisión. Los coeficientes de atenuación en fibra óptica se suelen expresar en unidades de dB/km. El medio suele ser una fibra de vidrio de sílice.que confina el haz de luz incidente en su interior. La atenuación es un factor importante que limita la transmisión de una señal digital a través de grandes distancias. Por lo tanto, se ha investigado mucho tanto para limitar la atenuación como para maximizar la amplificación de la señal óptica. La reducción de cuatro órdenes de magnitud en la atenuación de las fibras ópticas de sílice durante cuatro décadas fue el resultado de la mejora constante de los procesos de fabricación, la pureza de la materia prima, la preforma y los diseños de fibra, lo que permitió que estas fibras se acercaran al límite inferior teórico de atenuación.

Las fibras ópticas monomodo se pueden fabricar con una pérdida extremadamente baja. La fibra SMF-28 de Corning, una fibra monomodo estándar para longitudes de onda de telecomunicaciones, tiene una pérdida de 0,17 dB/km a 1550 nm. Por ejemplo, una longitud de 8 km de SMF-28 transmite casi el 75 % de la luz a 1550 nm. Se ha observado que si el agua del océano fuera tan clara como la fibra, uno podría ver todo el camino hasta el fondo incluso de la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico, una profundidad de 11.000 metros (36.000 pies).

La investigación empírica ha demostrado que la atenuación en la fibra óptica es causada principalmente tanto por la dispersión como por la absorción.

Dispersión de la luz

La propagación de la luz a través del núcleo de una fibra óptica se basa en la reflexión interna total de la onda de luz. Las superficies rugosas e irregulares, incluso a nivel molecular, pueden hacer que los rayos de luz se reflejen en direcciones aleatorias. Esto se denomina reflexión difusa o dispersión, y normalmente se caracteriza por una amplia variedad de ángulos de reflexión.

La dispersión depende de la longitud de onda de la luz que se dispersa. Por lo tanto, surgen límites a las escalas espaciales de visibilidad, según la frecuencia de la onda de luz incidente y la dimensión física (o escala espacial) del centro de dispersión, que normalmente tiene la forma de alguna característica microestructural específica. Dado que la luz visible tiene una longitud de onda del orden de un micrómetro (una millonésima parte de un metro), los centros de dispersión tendrán dimensiones en una escala espacial similar.

Por lo tanto, la atenuación resulta de la dispersión incoherente de la luz en las superficies e interfaces internas. En materiales (poli)cristalinos como metales y cerámicas, además de los poros, la mayoría de las superficies internas o interfases tienen la forma de límites de grano que separan regiones diminutas de orden cristalino. Se ha demostrado que cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce por debajo del tamaño de la longitud de onda de la luz que se dispersa, la dispersión ya no se produce de forma significativa. Este fenómeno ha dado lugar a la producción de materiales cerámicos transparentes.

De manera similar, la dispersión de la luz en la fibra de vidrio de calidad óptica es causada por irregularidades a nivel molecular (fluctuaciones de composición) en la estructura del vidrio. De hecho, una escuela de pensamiento emergente es que el vidrio es simplemente el caso límite de un sólido policristalino. Dentro de este marco, los dominios que exhiben varios grados de orden de corto alcance se convierten en los componentes básicos de los metales, así como de los vidrios y las cerámicas. Distribuidos entre y dentro de estos dominios hay defectos microestructurales que proporcionan las ubicaciones más ideales para la dispersión de la luz. Este mismo fenómeno es visto como uno de los factores limitantes en la transparencia de las cúpulas de misiles IR.

A altas potencias ópticas, la dispersión también puede ser causada por procesos ópticos no lineales en la fibra.

Absorción UV-Vis-IR

Además de la dispersión de la luz, también puede producirse atenuación o pérdida de señal debido a la absorción selectiva de longitudes de onda específicas. Las consideraciones de materiales primarios incluyen tanto electrones como moléculas de la siguiente manera:

• A nivel electrónico, depende de si los orbitales de electrones están espaciados (o "cuantificados") de manera que puedan absorber un cuanto de luz (o fotón) de una longitud de onda o frecuencia específica en los rangos ultravioleta (UV) o visible. Esto es lo que da lugar al color.
• A nivel atómico o molecular, depende de las frecuencias de las vibraciones atómicas o moleculares o de los enlaces químicos, qué tan cerca están sus átomos o moléculas y si los átomos o moléculas exhiben o no un orden de largo alcance. Estos factores determinarán la capacidad del material para transmitir longitudes de onda más largas en los rangos de infrarrojo (IR), IR lejano, radio y microondas.

El diseño de cualquier dispositivo ópticamente transparente requiere la selección de materiales basada en el conocimiento de sus propiedades y limitaciones. Las características de absorción de la estructura cristalina observadas en las regiones de frecuencia más baja (rango de longitud de onda de IR medio a lejano) definen el límite de transparencia de longitud de onda larga del material. Son el resultado del acoplamiento interactivo entre los movimientos de las vibraciones inducidas térmicamente de los átomos y moléculas constituyentes de la red sólida y la radiación de onda de luz incidente. Por lo tanto, todos los materiales están limitados por regiones limitantes de absorción causadas por vibraciones atómicas y moleculares (estiramiento de enlaces) en el infrarrojo lejano (>10 µm).

En otras palabras, la absorción selectiva de luz IR por un material en particular ocurre porque la frecuencia seleccionada de la onda de luz coincide con la frecuencia (o un múltiplo entero de la frecuencia, es decir, armónico) a la que vibran las partículas de ese material. Dado que diferentes átomos y moléculas tienen diferentes frecuencias naturales de vibración, absorberán selectivamente diferentes frecuencias (o porciones del espectro) de luz IR.

La reflexión y la transmisión de las ondas de luz se producen porque las frecuencias de las ondas de luz no coinciden con las frecuencias resonantes naturales de vibración de los objetos. Cuando la luz IR de estas frecuencias golpea un objeto, la energía se refleja o se transmite.

Presupuesto de pérdidas

La atenuación en un tramo de cable aumenta significativamente con la inclusión de conectores y empalmes. Cuando se calcula la atenuación aceptable (presupuesto de pérdidas) entre un transmisor y un receptor, se incluye:

• pérdida de dB debido al tipo y longitud del cable de fibra óptica,
• pérdida de dB introducida por los conectores, y
• Pérdida de dB introducida por empalmes.

Los conectores suelen introducir 0,3 dB por conector en conectores bien pulidos. Los empalmes normalmente introducen menos de 0,2 dB por empalme.

La pérdida total se puede calcular mediante:Pérdida = pérdida de dB por conector × número de conectores + pérdida de dB por empalme × número de empalmes + pérdida de dB por kilómetro × kilómetros de fibra,

donde la pérdida de dB por kilómetro es una función del tipo de fibra y se puede encontrar en las especificaciones del fabricante. Por ejemplo, una fibra monomodo típica de 1550 nm tiene una pérdida de 0,3 dB por kilómetro.

El presupuesto de pérdida calculado se usa cuando se realizan pruebas para confirmar que la pérdida medida se encuentra dentro de los parámetros operativos normales.

Fabricación

Materiales

Las fibras ópticas de vidrio casi siempre están hechas de sílice, pero algunos otros materiales, como los vidrios de fluorozirconato, fluoroaluminato y calcogenuro, así como materiales cristalinos como el zafiro, se utilizan para infrarrojos de longitud de onda más larga u otras aplicaciones especializadas. Los vidrios de sílice y fluoruro suelen tener índices de refracción de aproximadamente 1,5, pero algunos materiales, como los calcogenuros, pueden tener índices de hasta 3. Por lo general, la diferencia de índice entre el núcleo y el revestimiento es inferior al uno por ciento.

Las fibras ópticas plásticas (POF) son comúnmente fibras multimodo de índice escalonado con un diámetro de núcleo de 0,5 milímetros o más. Las POF suelen tener coeficientes de atenuación más altos que las fibras de vidrio, 1 dB/m o más, y esta alta atenuación limita el rango de los sistemas basados ​​en POF.

Sílice

La sílice exhibe una transmisión óptica bastante buena en una amplia gama de longitudes de onda. En la porción del espectro del infrarrojo cercano (infrarrojo cercano), particularmente alrededor de 1,5 μm, la sílice puede tener pérdidas de absorción y dispersión extremadamente bajas del orden de 0,2 dB/km. Tales pérdidas notablemente bajas dependen del uso de sílice ultrapura. Se logra una alta transparencia en la región de 1,4 μm manteniendo una baja concentración de grupos hidroxilo (OH). Alternativamente, una alta concentración de OH es mejor para la transmisión en la región ultravioleta (UV).

La sílice se puede convertir en fibras a temperaturas razonablemente altas y tiene un rango de transformación de vidrio bastante amplio. Otra ventaja es que el corte y empalme por fusión de las fibras de sílice es relativamente eficaz. La fibra de sílice también tiene una alta resistencia mecánica contra la tracción e incluso la flexión, siempre que la fibra no sea demasiado gruesa y que las superficies se hayan preparado bien durante el procesamiento. Incluso el simple corte (rotura) de los extremos de la fibra puede proporcionar superficies bien planas con una calidad óptica aceptable. La sílice también es relativamente inerte químicamente. En particular, no es higroscópico (no absorbe agua).

El vidrio de sílice se puede dopar con varios materiales. Uno de los propósitos del dopaje es aumentar el índice de refracción (p. ej., con dióxido de germanio (GeO ₂) u óxido de aluminio (Al ₂ O ₃)) o disminuirlo (p. ej., con flúor o trióxido de boro (B ₂ O ₃)). El dopaje también es posible con iones activos con láser (por ejemplo, fibras dopadas con tierras raras) para obtener fibras activas que se utilizarán, por ejemplo, en amplificadores de fibra o aplicaciones láser. Tanto el núcleo de fibra como el revestimiento suelen estar dopados, de modo que todo el conjunto (núcleo y revestimiento) es efectivamente el mismo compuesto (por ejemplo, un aluminosilicato, germanosilicato, fosfosilicato o vidrio de borosilicato).

Particularmente para las fibras activas, la sílice pura no suele ser un vidrio huésped muy adecuado, ya que muestra una baja solubilidad para los iones de tierras raras. Esto puede conducir a efectos de extinción debido a la agrupación de iones dopantes. Los aluminosilicatos son mucho más efectivos a este respecto.

La fibra de sílice también exhibe un alto umbral de daño óptico. Esta propiedad asegura una baja tendencia a la ruptura inducida por láser. Esto es importante para los amplificadores de fibra cuando se utilizan para la amplificación de pulsos cortos.

Debido a estas propiedades, las fibras de sílice son el material elegido en muchas aplicaciones ópticas, como comunicaciones (excepto para distancias muy cortas con fibra óptica de plástico), láseres de fibra, amplificadores de fibra y sensores de fibra óptica. Los grandes esfuerzos realizados en el desarrollo de varios tipos de fibras de sílice han aumentado aún más el rendimiento de dichas fibras sobre otros materiales.

Vidrio de fluoruro

El vidrio de fluoruro es una clase de vidrios de calidad óptica sin óxido compuestos de fluoruros de varios metales. Debido a su baja viscosidad, es muy difícil evitar por completo la cristalización mientras se procesa a través de la transición vítrea (o se extrae la fibra de la masa fundida). Por lo tanto, aunque los vidrios de fluoruro de metales pesados ​​(HMFG) exhiben una atenuación óptica muy baja, no solo son difíciles de fabricar, sino que también son bastante frágiles y tienen poca resistencia a la humedad y otros ataques ambientales. Su mejor atributo es que carecen de la banda de absorción asociada con el grupo hidroxilo (OH) (3200–3600 cm; es decir, 2777–3125 nm o 2,78–3,13 μm), que está presente en casi todos los vidrios a base de óxido.

Un ejemplo de un vidrio de fluoruro de metal pesado es el grupo de vidrio ZBLAN, compuesto por fluoruros de circonio, bario, lantano, aluminio y sodio. Su principal aplicación tecnológica es como guías de ondas ópticas tanto en forma plana como de fibra. Son ventajosos especialmente en el rango del infrarrojo medio (2000-5000 nm).

Los HMFG se programaron inicialmente para aplicaciones de fibra óptica, porque las pérdidas intrínsecas de una fibra de IR medio podrían, en principio, ser menores que las de las fibras de sílice, que son transparentes solo hasta aproximadamente 2 μm. Sin embargo, estas bajas pérdidas nunca se realizaron en la práctica, y la fragilidad y el alto costo de las fibras de fluoruro las hicieron menos que ideales como candidatas primarias. Posteriormente, se descubrió la utilidad de las fibras de fluoruro para otras aplicaciones. Estos incluyen espectroscopia de infrarrojo medio, sensores de fibra óptica, termometría e imágenes. Además, las fibras de fluoruro se pueden utilizar para la transmisión guiada de ondas de luz en medios como los láseres YAG (granate de itrio y aluminio) a 2,9 μm, según se requiera para aplicaciones médicas (p. ej., oftalmología y odontología).

Vidrio de fosfato

El vidrio de fosfato constituye una clase de vidrios ópticos compuestos por metafosfatos de varios metales. En lugar de los tetraedros de SiO ₄ que se observan en los vidrios de silicato, el componente básico de este formador de vidrio es el pentóxido de fósforo (P ₂ O ₅), que cristaliza en al menos cuatro formas diferentes. El polimorfo más familiar (ver figura) comprende moléculas de P ₄ O ₁₀.

Los vidrios de fosfato pueden ser ventajosos sobre los vidrios de sílice para fibras ópticas con una alta concentración de iones de tierras raras dopantes. Una mezcla de vidrio de fluoruro y vidrio de fosfato es vidrio de fluorofosfato.

Vidrio de calcogenuro

Los calcógenos, los elementos del grupo 16 de la tabla periódica, en particular el azufre (S), el selenio (Se) y el telurio (Te), reaccionan con elementos más electropositivos, como la plata, para formar calcogenuros. Son compuestos extremadamente versátiles, ya que pueden ser cristalinos o amorfos, metálicos o semiconductores, y conductores de iones o electrones. Los calcogenuros que contienen vidrio se pueden usar para fabricar fibras para la transmisión de infrarrojo lejano.

Proceso

Preformar

Las fibras ópticas estándar se fabrican primero construyendo una "preforma" de gran diámetro con un perfil de índice de refracción cuidadosamente controlado y luego "tirando" de la preforma para formar la fibra óptica larga y delgada. La preforma se fabrica comúnmente mediante tres métodos de deposición de vapor químico: deposición de vapor interior, deposición de vapor exterior y deposición axial de vapor.

Con la deposición de vapor interior, la preforma comienza como un tubo de vidrio hueco de aproximadamente 40 centímetros (16 pulgadas) de largo, que se coloca horizontalmente y se hace girar lentamente en un torno. Gases como tetracloruro de silicio (SiCl ₄) o tetracloruro de germanio (GeCl ₄) se les inyecta oxígeno en el extremo del tubo. Luego, los gases se calientan por medio de un quemador de hidrógeno externo, lo que eleva la temperatura del gas hasta 1900 K (1600 ° C, 3000 ° F), donde los tetracloruros reaccionan con el oxígeno para producir partículas de sílice o germania (dióxido de germanio). Cuando las condiciones de reacción se eligen para permitir que esta reacción ocurra en la fase gaseosa en todo el volumen del tubo, en contraste con las técnicas anteriores donde la reacción ocurría solo en la superficie del vidrio, esta técnica se denomina deposición química de vapor modificada (MCVD).

Las partículas de óxido luego se aglomeran para formar grandes cadenas de partículas, que posteriormente se depositan en las paredes del tubo como hollín. La deposición se debe a la gran diferencia de temperatura entre el núcleo de gas y la pared, lo que hace que el gas empuje las partículas hacia afuera (esto se conoce como termoforesis). Luego, la antorcha se desplaza hacia arriba y hacia abajo a lo largo del tubo para depositar el material de manera uniforme. Una vez que el soplete ha llegado al final del tubo, se vuelve a llevar al principio del tubo y las partículas depositadas se funden para formar una capa sólida. Este proceso se repite hasta que se haya depositado una cantidad suficiente de material. Para cada capa, la composición se puede modificar variando la composición del gas, lo que da como resultado un control preciso de las propiedades ópticas de la fibra terminada.

En la deposición de vapor exterior o deposición axial de vapor, el vidrio se forma por hidrólisis de llama, una reacción en la que el tetracloruro de silicio y el tetracloruro de germanio se oxidan por reacción con agua (H ₂ O) en una llama de oxígeno. En la deposición de vapor exterior, el vidrio se deposita sobre una varilla sólida, que se retira antes del procesamiento posterior. En la deposición axial de vapor, se utiliza una barra de siembra corta y se construye en su extremo una preforma porosa, cuya longitud no está limitada por el tamaño de la barra fuente. La preforma porosa se consolida en una preforma sólida transparente calentándola a aproximadamente 1800 K (1500 ° C, 2800 ° F).

La fibra de comunicaciones típica utiliza una preforma circular. Para algunas aplicaciones, como las fibras de doble revestimiento, se prefiere otra forma. En los láseres de fibra basados ​​en fibra de doble revestimiento, una forma asimétrica mejora el factor de llenado para el bombeo del láser.

Debido a la tensión superficial, la forma se suaviza durante el proceso de estirado y la forma de la fibra resultante no reproduce los bordes afilados de la preforma. Sin embargo, es importante un pulido cuidadoso de la preforma, ya que cualquier defecto de la superficie de la preforma afecta las propiedades ópticas y mecánicas de la fibra resultante. En particular, la preforma para la fibra de prueba que se muestra en la figura no se pulió bien y se ven grietas con el microscopio óptico confocal.

Dibujo

La preforma, independientemente de su construcción, se coloca en un dispositivo conocido como torre de estirado, donde la punta de la preforma se calienta y la fibra óptica se extrae como una cuerda. Midiendo el ancho de la fibra resultante, se puede controlar la tensión sobre la fibra para mantener el grosor de la fibra.

Recubrimientos

La luz es guiada por el núcleo de la fibra por un revestimiento óptico con un índice de refracción más bajo que atrapa la luz en el núcleo a través de la reflexión interna total.

El revestimiento está recubierto por un amortiguador que lo protege de la humedad y el daño físico. El recubrimiento de protección es lo que se quita de la fibra para la terminación o el empalme. Estos revestimientos son compuestos de acrilato de uretano curados con UV o materiales de poliimida que se aplican al exterior de la fibra durante el proceso de estirado. Los revestimientos protegen las hebras muy delicadas de fibra de vidrio, del tamaño aproximado de un cabello humano, y permiten que sobreviva los rigores de la fabricación, las pruebas de calidad, el cableado y la instalación.

Los procesos actuales de estiramiento de fibra óptica de vidrio emplean un enfoque de recubrimiento de doble capa. Un revestimiento primario interno está diseñado para actuar como un amortiguador para minimizar la atenuación causada por la microflexión. Un revestimiento secundario externo protege el revestimiento primario contra daños mecánicos y actúa como una barrera contra las fuerzas laterales, y puede colorearse para diferenciar los hilos en las construcciones de cables agrupados.

Estas capas de revestimiento de fibra óptica se aplican durante el estiramiento de la fibra, a velocidades cercanas a los 100 kilómetros por hora (60 mph). Los recubrimientos de fibra óptica se aplican mediante uno de dos métodos: húmedo sobre seco y húmedo sobre húmedo. En húmedo sobre seco, la fibra pasa a través de una aplicación de recubrimiento primario, que luego se cura con UV, luego a través de la aplicación de recubrimiento secundario, que posteriormente se cura. En húmedo sobre húmedo, la fibra pasa por las aplicaciones de recubrimiento primario y secundario y luego pasa al curado UV.

Los recubrimientos de fibra óptica se aplican en capas concéntricas para evitar daños a la fibra durante la aplicación del estirado y para maximizar la resistencia de la fibra y la resistencia a las microcurvaturas. La fibra con un revestimiento desigual experimentará fuerzas no uniformes cuando el revestimiento se expanda o se contraiga y sea susceptible a una mayor atenuación de la señal. Con procesos de estirado y revestimiento adecuados, los revestimientos son concéntricos alrededor de la fibra, continuos a lo largo de la aplicación y tienen un espesor constante.

El grosor del revestimiento se tiene en cuenta al calcular la tensión que experimenta la fibra bajo diferentes configuraciones de curvatura. Cuando una fibra recubierta se enrolla alrededor de un mandril, la tensión experimentada por la fibra está dada por,

donde E es el módulo de Young de la fibra, d _m es el diámetro del mandril, d _f es el diámetro del revestimiento y d _c es el diámetro del recubrimiento.

En una configuración de doblez de dos puntos, una fibra recubierta se dobla en forma de U y se coloca entre las ranuras de dos placas frontales, que se juntan hasta que la fibra se rompe. La tensión en la fibra en esta configuración viene dada por,

donde d es la distancia entre las placas frontales. El coeficiente 1.198 es una constante geométrica asociada con esta configuración.

Los recubrimientos de fibra óptica protegen las fibras de vidrio de los rayones que podrían provocar la degradación de la resistencia. La combinación de humedad y rayones acelera el envejecimiento y el deterioro de la resistencia de la fibra. Cuando la fibra se somete a tensiones bajas durante un período prolongado, puede producirse fatiga de la fibra. Con el tiempo o en condiciones extremas, estos factores se combinan para hacer que se propaguen fallas microscópicas en la fibra de vidrio, lo que en última instancia puede provocar fallas en la fibra.

Tres características clave de las guías de ondas de fibra óptica pueden verse afectadas por las condiciones ambientales: fuerza, atenuación y resistencia a las pérdidas causadas por la microflexión. Los revestimientos de cable de fibra óptica externos y los tubos protectores protegen la fibra óptica de vidrio de las condiciones ambientales que pueden afectar el rendimiento y la durabilidad a largo plazo de la fibra. En el interior, los revestimientos garantizan la fiabilidad de la señal que se transmite y ayudan a minimizar la atenuación debida a la microflexión.

Construcción de cables

En las fibras prácticas, el revestimiento suele estar recubierto con una capa de resina resistente y una capa de protección adicional, que puede estar rodeada además por una capa exterior, normalmente de plástico. Estas capas agregan fuerza a la fibra pero no contribuyen a sus propiedades de guía de ondas ópticas. Los conjuntos de fibras rígidas a veces colocan vidrio absorbente de luz ("oscuro") entre las fibras, para evitar que la luz que se escapa de una fibra entre en otra. Esto reduce la diafonía entre las fibras o reduce los destellos en las aplicaciones de imágenes de haces de fibras.

Los cables modernos vienen en una amplia variedad de revestimientos y armaduras, diseñados para aplicaciones tales como enterramiento directo en zanjas, aislamiento de alto voltaje, uso doble como líneas eléctricas, instalación en conductos, amarre a postes telefónicos aéreos, instalación submarina e inserción en calles pavimentadas.. El cable multifibra generalmente usa recubrimientos de colores y/o amortiguadores para identificar cada hebra. El costo de los cables montados en postes de fibra pequeña ha disminuido considerablemente debido a la alta demanda de instalaciones de fibra hasta el hogar (FTTH) en Japón y Corea del Sur.

Algunas versiones de cable de fibra óptica están reforzadas con hilos de aramida o hilos de vidrio como elemento intermedio de resistencia. En términos comerciales, el uso de hilos de vidrio es más rentable y no se pierde la durabilidad mecánica del cable. Los hilos de vidrio también protegen el núcleo del cable contra roedores y termitas.

Cuestiones prácticas

Instalación

El cable de fibra puede ser muy flexible, pero la pérdida de la fibra tradicional aumenta considerablemente si la fibra se dobla con un radio inferior a unos 30 mm. Esto crea un problema cuando el cable se dobla en las esquinas o se enrolla en un carrete, lo que complica las instalaciones de FTTX. Las "fibras flexibles", destinadas a facilitar la instalación en entornos domésticos, se han estandarizado como ITU-T G.657. Este tipo de fibra se puede doblar con un radio tan bajo como 7,5 mm sin impacto adverso. Incluso se han desarrollado fibras más flexibles. La fibra flexible también puede ser resistente a la piratería de fibra, en la que la señal en una fibra se controla de forma subrepticia doblando la fibra y detectando la fuga.

Otra característica importante del cable es la capacidad del cable para resistir la fuerza aplicada horizontalmente. Se denomina técnicamente resistencia máxima a la tracción y define cuánta fuerza se puede aplicar al cable durante el período de instalación.

Terminación y empalme

Las fibras ópticas se conectan al equipo terminal mediante conectores de fibra óptica. Estos conectores suelen ser de un tipo estándar como FC, SC, ST, LC, MTRJ, MPO o SMA. Las fibras ópticas se pueden conectar mediante conectores o de forma permanente mediante empalmes, es decir, unir dos fibras para formar una guía de ondas ópticas continua. El método de empalme generalmente aceptado es el empalme por fusión de arco, que funde los extremos de la fibra junto con un arco eléctrico. Para trabajos de fijación más rápidos, se utiliza un “empalme mecánico”.

El empalme por fusión se realiza con un instrumento especializado. Los extremos de la fibra primero se despojan de su capa protectora de polímero (así como de la cubierta exterior más resistente, si está presente). Los extremos están cortados(cortados) con una cuchilla de precisión para hacerlos perpendiculares y se colocan en soportes especiales en la empalmadora por fusión. El empalme generalmente se inspecciona a través de una pantalla de visualización ampliada para verificar las hendiduras antes y después del empalme. La empalmadora utiliza pequeños motores para alinear las caras de los extremos y emite una pequeña chispa entre los electrodos en el espacio para quemar el polvo y la humedad. Luego, el empalmador genera una chispa más grande que eleva la temperatura por encima del punto de fusión del vidrio, fusionando los extremos de forma permanente. La ubicación y la energía de la chispa se controlan cuidadosamente para que el núcleo fundido y el revestimiento no se mezclen, y esto minimiza la pérdida óptica. El empalmador mide una estimación de pérdida de empalme, dirigiendo la luz a través del revestimiento de un lado y midiendo la luz que se filtra del revestimiento del otro lado. Una pérdida de empalme por debajo de 0. 1 dB es típico. La complejidad de este proceso hace que el empalme de fibra sea mucho más difícil que el empalme de alambre de cobre.

Los empalmes mecánicos de fibra están diseñados para ser más rápidos y fáciles de instalar, pero aún existe la necesidad de pelar, limpiar cuidadosamente y cortar con precisión. Los extremos de la fibra se alinean y se mantienen unidos mediante una funda fabricada con precisión, que a menudo utiliza un gel transparente de comparación de índices que mejora la transmisión de la luz a través de la unión. Estas uniones suelen tener una mayor pérdida óptica y son menos resistentes que los empalmes por fusión, especialmente si se utiliza gel. Todas las técnicas de empalme implican la instalación de un recinto que protege el empalme.

Las fibras terminan en conectores que sujetan el extremo de la fibra con precisión y seguridad. Un conector de fibra óptica es un barril cilíndrico rígido rodeado por un manguito que sujeta el barril en su enchufe correspondiente. El mecanismo de acoplamiento puede ser empujar y hacer clic, girar y trabar (montaje de bayoneta) o atornillar (roscar). Normalmente, el barril tiene libertad para moverse dentro del manguito y puede tener una llave que evita que el barril y la fibra giren cuando los conectores se acoplan.

Un conector típico se instala preparando el extremo de la fibra e insertándolo en la parte posterior del cuerpo del conector. Por lo general, se usa adhesivo de fraguado rápido para sujetar la fibra de forma segura, y se asegura un alivio de tensión en la parte posterior. Una vez que el adhesivo fragua, el extremo de la fibra se pule hasta obtener un acabado de espejo. Se utilizan varios perfiles de pulido, según el tipo de fibra y la aplicación. Para la fibra monomodo, los extremos de la fibra generalmente se pulen con una ligera curvatura que hace que los conectores acoplados se toquen solo en sus núcleos. Esto se llama pulido de contacto físico (PC). La superficie curva se puede pulir en ángulo, para hacer un contacto físico en ángulo (APC)conexión. Estas conexiones tienen una pérdida mayor que las conexiones de PC, pero la reflexión trasera es muy reducida, porque la luz que se refleja en la superficie en ángulo se filtra fuera del núcleo de la fibra. La pérdida de intensidad de la señal resultante se denomina pérdida de intervalo. Los extremos de la fibra APC tienen un reflejo posterior bajo incluso cuando están desconectados.

En la década de 1990, la terminación de cables de fibra óptica requería mucha mano de obra. El número de piezas por conector, el pulido de las fibras y la necesidad de hornear el epoxi en cada conector dificultaba la terminación de los cables de fibra óptica. Hoy en día, hay muchos tipos de conectores en el mercado que ofrecen formas más fáciles y menos laboriosas de terminar los cables. Algunos de los conectores más populares se pulen previamente en la fábrica e incluyen un gel dentro del conector. Esos dos pasos ayudan a ahorrar dinero en mano de obra, especialmente en proyectos grandes. Se hace un corte con la longitud requerida, para acercarse lo más posible a la pieza pulida que ya está dentro del conector. El gel rodea el punto donde las dos piezas se encuentran dentro del conector para una pérdida de luz muy pequeña.El rendimiento a largo plazo del gel es una consideración de diseño, por lo que para las instalaciones más exigentes, los pigtails prepulidos en fábrica de longitud suficiente para llegar al primer recinto de empalme por fusión son normalmente el enfoque más seguro que minimiza la mano de obra en el sitio.

Acoplamiento de espacio libre

A menudo es necesario alinear una fibra óptica con otra fibra óptica o con un dispositivo optoelectrónico como un diodo emisor de luz, un diodo láser o un modulador. Esto puede implicar alinear cuidadosamente la fibra y colocarla en contacto con el dispositivo, o puede usar una lente para permitir el acoplamiento sobre un espacio de aire. Normalmente, el tamaño del modo de fibra es mucho mayor que el tamaño del modo en un diodo láser o un chip óptico de silicio. En este caso, se utiliza una fibra ahusada o con lente para hacer coincidir la distribución del campo del modo de fibra con la del otro elemento. La lente en el extremo de la fibra se puede formar mediante pulido, corte por láser o empalme por fusión.

En un entorno de laboratorio, se acopla un extremo de fibra desnudo mediante un sistema de lanzamiento de fibra, que utiliza una lente de objetivo de microscopio para enfocar la luz hasta un punto fino. Se utiliza una etapa de traducción de precisión (mesa de microposicionamiento) para mover la lente, la fibra o el dispositivo para permitir que se optimice la eficiencia del acoplamiento. Las fibras con un conector en el extremo simplifican mucho este proceso: el conector simplemente se enchufa en un colimador de fibra óptica prealineado, que contiene una lente que se coloca con precisión en la fibra o es ajustable. Para lograr la mejor eficiencia de inyección en una fibra monomodo, se deben optimizar la dirección, la posición, el tamaño y la divergencia del haz. Con buenos haces, se puede lograr una eficiencia de acoplamiento del 70 al 90%.

Con fibras monomodo correctamente pulidas, el haz emitido tiene una forma gaussiana casi perfecta, incluso en el campo lejano, si se utiliza una buena lente. La lente debe ser lo suficientemente grande para admitir la apertura numérica completa de la fibra y no debe introducir aberraciones en el haz. Normalmente se utilizan lentes asféricas.

Fusible de fibra

A intensidades ópticas altas, por encima de 2 megavatios por centímetro cuadrado, cuando una fibra se somete a un golpe o se daña repentinamente, puede producirse un fusible de fibra. El reflejo del daño vaporiza la fibra inmediatamente antes de la rotura, y este nuevo defecto sigue siendo reflectante, de modo que el daño se propaga hacia el transmisor a una velocidad de 1 a 3 metros por segundo (4 a 11 km/h, 2 a 8 mph). El sistema de control de fibra abierta, que garantiza la seguridad del ojo del láser en caso de que se rompa una fibra, también puede detener eficazmente la propagación del fusible de fibra. En situaciones, como cables submarinos, donde se pueden usar niveles de potencia altos sin necesidad de un control de fibra abierto, un dispositivo de protección de "fusible de fibra" en el transmisor puede romper el circuito para mantener el daño al mínimo.

Dispersión cromática

El índice de refracción de las fibras varía ligeramente con la frecuencia de la luz y las fuentes de luz no son perfectamente monocromáticas. La modulación de la fuente de luz para transmitir una señal también amplía ligeramente la banda de frecuencia de la luz transmitida. Esto tiene el efecto de que, en largas distancias y a altas velocidades de modulación, las diferentes frecuencias de la luz pueden tardar diferentes tiempos en llegar al receptor, lo que finalmente hace que la señal sea imposible de discernir y requiera repetidores adicionales. Este problema se puede superar de varias maneras, incluido el uso de una longitud de fibra relativamente corta que tenga el gradiente de índice de refracción opuesto.