CAPÍTULO 11 - COMUNICACIONES CON FIBRA ÓPTICAS
EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
El esfuerzo total de frecuencias electromagnéticas se muestra en la fig. 11-1. Se puede ver que ese espectro de frecuencias va desde las subsónicas (unos cuantos hertz) hasta los rayos cósmicos (1022 Hz). El espectro de frecuencias luminosas se puede dividir en tres bandas generales:
1. Infrarrojo: banda de longitudes de onda de luz demasiado grandes para que las vea el ojo humano.
2. Visible: banda de longitudes de onda de luz a las que responde el ojo humano.
3. Ultravioleta: banda de longitudes de onda de luz que son demasiado cortas para que las vea el ojo humano.
Cuando se manejan ondas electromagnéticas de mayor frecuencia, como las luminosas, se acostumbra usar unidades de longitud de onda y no de frecuencia. La longitud de onda es la distancia que ocupa en el espacio un ciclo de una onda electromagnética. La longitud de onda depende de la frecuencia de la onda y de la velocidad de la luz. La relación matemática correspondiente es
Con las frecuencias luminosas, la longitud de onda se suele expresar en micrones o micras (1 micrón 1 micrómetro) o en nanómetros (1 nanómetro 10-9 metros, o 0.001 micrón).
Sin embargo, cuando se describe el espectro visible, la unidad angstrom (Å) se ha usado con
frecuencia para expresar longitudes de onda (1 Å 10-10 metros, o 0.0
DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA DE COMUNICACIONES CON FIBRA ÓPTICA
Espectro de frecuencias electromagnéticas
Espectro de longitudes de onda electromagnéticas
Diagrama de bloques simplificado de un enlace de comunicaciones con
fibra óptica. Los tres bloques principales que lo forman son el transmisor, el receptor y la guía de fibra o fibra guía. El transmisor consiste en una interconexión o interfaz analógica o digital,
un convertidor de voltaje a corriente, una fuente luminosa y un acoplador de luz de fuente a fibra. La guía de fibra es un cable de vidrio o plástico ultrapuro. El receptor comprende un dispositivo detector acoplador de fibra a luz, un detector fotoeléctrico, un convertidor de corriente
a voltaje, un amplificador y una interfaz analógica o digital.
En un transmisor de fibra óptica, la fuente luminosa se puede modular mediante una señal digital o una analógica. Para la modulación analógica, la interfaz de entrada compensa las impedancias
y limita la amplitud de la señal de entrada. Para la modulación digital, la fuente original puede
tener ya la forma digital o bien, si está en forma analógica, debe convertirse a una corriente de pulsos digitales. En el último caso se debe agregar un convertidor de analógico a digital en la interfaz.
El convertidor de voltaje a corriente sirve como interconexión eléctrica entre los circuitos
de entrada y la fuente luminosa. Esta fuente luminosa puede ser un diodo emisor de luz (LED, de
light-emitting diode) o un diodo de inyección láser (ILD, por injection laser diode). La cantidad
de luz emitida por un LED o un ILD es proporcional a la cantidad de la corriente de excitación.
Así, el convertidor de voltaje a corriente convierte un voltaje de señal de entrada en una corriente
que se usa para activar la fuente luminosa.
El acoplador entre fuente y fibra (como por ejemplo un lente) es una interfaz mecánica.
Su función es acoplar la luz que emite la fuente e introducirla al cable de fibra óptica. La fibra
óptica es un núcleo de vidrio o plástico, un revestimiento y una chaqueta protectora. El dispositivo de acoplamiento detector de fibra a luz también es un acoplador mecánico. Su función es
sacar tanta luz del cable de fibra como sea posible y ponerlo en el detector de luz.
El detector de luz es, con mucha frecuencia, un diodo PIN (tipo p tipo n intrínseco) o un
fotodiodo de avalancha (APD, de avalanche photodiode). Tanto el diodo APD como el PIN
convierten la energía luminosa en corriente. En consecuencia, se necesita un convertidor de
corriente a voltaje. El convertidor de corriente a voltaje transforma los cambios de la corriente
del detector en cambios de voltaje de la señal de salida.
La interfaz analógica o digital en la salida del receptor también es una interconexión eléctrica. Si se usa modulación analógica, la interfaz compensa las impedancias y los niveles de
señal con los circuitos de salida. Si se usa modulación digital, la interfaz debe incluir un convertidor de digital a analógico.
TIPOS DE FIBRA
En esencia hay tres variedades de fibra óptica que se usan en la actualidad. Las tres se fabrican
con vidrio, plástico o una combinación de vidrio y plástico. Esas variedades son:
1. Núcleo y forro de plástico.
2. Núcleo de vidrio con forro de plástico (llamado con frecuencia fibra PCS, plastic-clad
silica o sílice revestido con plástico).
3. Núcleo de vidrio y forro de vidrio (llamado con frecuencia SCS, silica-clad silica o
sílice revestido con sílice).
En la actualidad se investiga, en Bell Laboratories, la posibilidad de usar una cuarta variedad
que usa una sustancia no silícea, el cloruro de zinc. Los experimentos preliminares parecen
indicar que esta sustancia será hasta 1000 veces más eficiente que el vidrio, su contraparte a base
de sílice.
Las fibras de plástico tienen varias ventajas sobre las de vidrio. La primera es que las de
plástico son más flexibles y, en consecuencia, más robustas que el vidrio. Son fáciles de instalar,
pueden resistir mejor los esfuerzos, son menos costosas y pesan 60% menos que el vidrio. La
desventaja de las fibras de plástico es su alta atenuación característica: no propagan la luz con
tanta eficiencia como el vidrio. En consecuencia, las fibras de plástico se limitan a tramos relativamente cortos, como por ejemplo dentro de un solo edificio o un complejo de edificios.
Las fibras con núcleos de vidrio tienen bajas atenuaciones características; sin embargo,
las fibras PCS son un poco mejores que las SCS. Las fibras PCS también se afectan menos por
la radiación y, en consecuencia, tienen mucho más atractivo en las aplicaciones militares. Las
fibras SCS tienen las mejores características de propagación y son más fáciles de terminar que
las PCS. Desafortunadamente, los cables SCS son los menos robustos y son más susceptibles a
aumentos de atenuación cuando están expuestos a la radiación.
La selección de una fibra para determinada aplicación es función de los requisitos específicos del sistema. Siempre hay compromisos basados en la economía y la logística en una
aplicación determinada.
Construcción del cable
Hay muchos diseños distintos de cable, en la actualidad. La fig. 11-4 muestra ejemplos de varias
configuraciones de cables de fibra óptica. De acuerdo con la configuración, el cable puede consistir de un núcleo, un revestimiento, un tubo protector, amortiguadores, miembros resistentes
y uno o más forros o chaquetas de protección.
En la construcción suelta de tubo (fig. 11-4a), cada fibra está contenida en un tubo de protección. Dentro del tubo protector hay un compuesto de poliuretano que encapsula, o sella, a
la fibra, y evita la penetración del agua. Se puede presentar un fenómeno llamado corrosión bajo
tensiones, o fatiga estática si la fibra de vidrio se expone durante largos periodos a humedades altas. Los cristales de dióxido de silicio interaccionan con la humedad y hacen que las pegaduras se
suelten, causando fracturas espontáneas después de un periodo prolongado. Algunos de los cables
de fibra tienen más de una capa protectora para asegurar que no se alteren las características de la
fibra, si ésta queda expuesta a cambios extremos de temperatura. Rodeando al revestimiento
de la fibra, se acostumbra tener una capa ya sea de laca, silicona o acrilato, que se aplica normalmente para sellar y preservar las características de resistencia y atenuación de la fibra.
La fig. 11-4b muestra la construcción de un cable restringido de fibra óptica. Hay un amortiguador primario y uno secundario, rodeando al cable de fibra. Las chaquetas amortiguadoras
protegen a la fibra de influencias mecánicas externas que pudieran causar su ruptura, o demasiada atenuación óptica. El Kevlar es un material fibroso que aumenta la resistencia del cable a la
tensión. De nuevo hay un tubo protector externo, lleno de poliuretano, que evita que la humedad
se ponga en contacto con la fibra del núcleo.
La fig. 11-4c muestra una configuración de hilos múltiples. Para aumentar la resistencia
a la tensión se incluyen en el paquete un miembro central de acero y una envoltura de cinta de
Mylar. La fig. 11-4d muestra la configuración de cinta, que se ve con frecuencia en los sistemas
telefónicos de fibra óptica. La fig. 11-4e representa las vistas de frente y lateral de un cable de
sílice revestido con plástico.
Como se mencionó, una desventaja de los cables de fibra óptica es su falta de resistencia
a la tensión, que puede ser sólo de una libra. Por esta razón, la fibra se debe reforzar con material tal que pueda resistir los esfuerzos mecánicos que probablemente se presentarán al ser
jalada y maniobrada a través de los conductos subterráneos y aéreos, y al colgarse en los postes.
Los materiales que se usan con frecuencia para reforzar y proteger a las fibras contra la abrasión
y los esfuerzos ambientales son el acero, la fibra de vidrio, el plástico, FR-PVC (cloruro de polivinilo con retardante de llama), fibra de Kevlar y papel. El tipo de construcción de cable que
se use depende de los requisitos de funcionamiento del sistema y de las restricciones económicas y ambientales.
La luz se puede propagar por un cable de fibra óptica por reflexión o por refracción. La forma
en que se propague depende del modo de propagación y del perfil de índice(s) de la fibra.
Modo de propagación
En la terminología de fibras ópticas, la palabra modo simplemente quiere decir camino. Si sólo
hay una trayectoria que pueda tener la luz por el cable, se llama modo único, o unimodal. Si hay
más de una trayectoria, se llama modo múltiple o multimodal. La fig. 11-10 muestra la propagación de luz en modo único y en multimodo, por una fibra óptica
Perfil índice
El perfil índice de una fibra óptica es una representación gráfica del índice de refracción en la
sección transversal de la fibra. El índice de refracción se grafica en el eje horizontal, y el eje de
la distancia radial al centro es el vertical. La fig. 11-11 muestra los perfiles índices del núcleo
para tres clases de cables de fibra.
Hay dos tipos básicos de perfiles índice: escalonados y graduados. Una fibra de índice
escalonado tiene un núcleo central con índice de refracción uniforme. Este núcleo está rodeado por un revestimiento externo con índice de refracción uniforme, pero menor que el del núcleo
central. Se ve en la fig. 11-11 que en una fibra de índice escalonado hay un cambio abrupto de
índice de refracción en la interfaz entre núcleo y revestimiento. En una fibra de índice graduado no hay revestimiento, y el índice de refracción del núcleo no es uniforme; es máximo en el
centro y disminuye en forma gradual de acuerdo con la distancia hacia la orilla externa.
FUENTES ÓPTICAS
En esencia sólo hay dos dispositivos que se usan con frecuencia para generar luz en sistemas de
comunicaciones con fibra óptica: diodos emisores de luz (LED) y diodos de láser de inyección
(ILD, de injection laser diode). Ambos dispositivos se fabrican con materiales semiconductores,
y tienen sus ventajas y desventajas. Los LED normales tienen anchos espectrales de 30 a 50 nm,
mientras que los láseres de inyección sólo tienen anchos espectrales de 1 a 3 nm (1 nm corresponde
a una frecuencia aproximada de 178 GHz). Por consiguiente, una fuente luminosa de 1320 nm con
ancho de raya espectral de 0.0056 nm tiene una amplitud de banda de frecuencias aproximada de
1 GHz. El ancho de raya es el equivalente, en longitudes de onda, del ancho de banda.
La preferencia hacia un dispositivo emisor de luz respecto a otro se determina con los
requisitos económicos y de funcionamiento del sistema. El mayor costo de los diodos de láser
se compensa con una mayor eficiencia, mientras que los diodos emisores de luz, normalmente,
tienen menor costo y menor eficiencia.
Diodos emisores de luz
Un diodo emisor de luz (LED, por light-emitting diode) es un diodo de unión p-n, fabricado casi
siempre con un material semiconductor como el arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs) o el arseniuro fosfuro de galio (GaAsP). Los LED emiten luz por emisión espontánea: la luz se emite
como resultado de la recombinación de electrones con huecos. Cuando tienen polarización directa, los portadores minoritarios se inyectan a través de la unión p-n. Una vez atravesada la
unión, esos portadores minoritarios se recombinan con portadores mayoritarios y desprenden
energía en forma de luz. Este proceso es esencialmente el mismo que en un diodo semiconductor convencional, pero en los LED se eligen ciertos materiales semiconductores y dopantes tales
que el proceso es radiativo; esto es, que se produce un fotón. Éste es un cuanto de energía de
onda electromagnética. Los fotones son partículas que viajan a la velocidad de la luz, pero que
en reposo no tienen masa. En los diodos de semiconductores convencionales (por ejemplo, de
germanio y de silicio), el proceso es principalmente no radiativo, y no se generan fotones. La
banda prohibida del material que se usa para fabricar un LED determina el color de la luz que
emite, y si la luz emitida es visible al ojo humano.
Para producir los LED, se forman semiconductores con materiales cuyos átomos tienen
tres o cinco electrones de valencia; se conocen como átomos del grupo III o del grupo V, respectivamente, por su lugar en la tabla periódica de los elementos. Para producir longitudes de
onda de luz en la región de 800 nm, los LED son de átomos del grupo III, como por ejemplo,
galio (GA) y aluminio (Al), y un átomo del grupo V, como el arsénico (As). La unión que se
forma se abrevia GaAlAs, que indica arseniuro de galio y aluminio. Para longitudes de onda
mayores, el galio, junto con el indio (In), un átomo del grupo III, se combinan con átomos de
fósforo (P) y arsénico, del grupo V, con lo que se forma un arseniuro fosfuro de galio e indio
(GaInAsP). La tabla 11.4 es una lista de algunos materiales semiconductores comunes que se
usan para fabricar LED, con sus longitudes de onda respectivas.
LED de homounión. Una unión p-n formada con dos mezclas distintas de igual tipo
de átomos se llama estructura de homounión. Las estructuras más sencillas de LED son las de
homounión y de crecimiento epitaxial, o dispositivos semiconductores de un solo semiconductor difundido, como los dos que se ven en la fig. 11-27. Los LED de crecimiento epitaxial se fabrican en general con arseniuro de galio dopado con silicio (fig. 11-27a). Una longitud de onda
normal emitida con esta estructura es 940 nm, y la potencia normal de salida es aproximadamente, 2 mW (3 dBm) a 100 mA de corriente directa. Las ondas luminosas producidas en fuentes
de homounión no producen una luz muy útil para una fibra óptica. La luz se emite en todas direcciones por igual y, en consecuencia, sólo una pequeña fracción del total de luz producida se acopla en la fibra. Además, la relación de electricidad convertida en luz es muy baja. A los dispositivos de homounión se les llama con frecuencia emisores superficiales.
Los LED de homounión de difusión plana (fig. 11-27b) producen más o menos 500 µW
a 900 nm de longitud de onda. La principal desventaja de los LED de homounión es la no direccionalidad de su luz emitida, lo que hace que sean malas opciones como fuente luminosa para
sistemas de fibra óptica.
LED de heterounión. Los LED de heterounión se fabrican con material semiconductor tipo p de un conjunto de átomos, y material semiconductor tipo n, de otro conjunto. Los
dispositivos de heterounión están estratificados (normalmente dos capas) de tal manera que se
amplía el efecto de concentración. Así, se produce un dispositivo que confina a los electrones,
los huecos portadores y la luz, en un área mucho menor. La unión se suele fabricar sobre un substrato de material de respaldo, para después emparedarse entre contactos metálicos con los que
se conecta el dispositivo a una fuente de electricidad.
Con los dispositivos de heterounión, la luz se emite desde la orilla del material y, en consecuencia, se les llama emisores de borde. Un LED de heterounión plana (fig. 11-28) se parece
mucho al LED de crecimiento epitaxial, excepto que el diseño geométrico es tal que se concentra la corriente directa en un área muy pequeña de la capa activa.
Los dispositivos de heterounión tienen las siguientes ventajas sobre los de homounión:
1. El aumento de densidad de corriente genera una mancha luminosa más brillante.
2. La menor área emisora facilita acoplar la luz emitida a una fibra
3. La pequeña área efectiva tiene menor capacitancia, lo que permite usar el LED de heterounión a mayores velocidades.
La fig. 11-29 muestra las carancterísticas eléctricas típicas de un diodo emisor de luz
infrarroja de bajo costo. La parte (a) de esta figura representa la potencia de salida en función
de la corriente directa. Se puede ver que la potencia de salida varía en forma lineal dentro de un
amplio margen de corriente de entrada [0.5 mW (–3 dBm) a 20 mA hasta 3.4 mW (5.3 dBm) a
140 mA]. La fig. 11-29b muestra la potencia de salida en función de la temperatura. Se aprecia
que la potencia de salida tiene una variación inversa respecto a la temperatura, dentro del intervalo de –40° C a 80° C. La fig. 11-29c muestra la potencia relativa de salida en función de la longitud de la onda de salida. Para este ejemplo particular, la potencia máxima de salida se alcanza
a una longitud de 825 nm a la salida.
LED de superficie emisora y pozo grabado de Burrus. Para las aplicaciones más
prácticas, como telecomunicaciones, se requieren velocidades de datos mayores que 100 Mbps.
Para estas aplicaciones se desarrolló el LED de pozo grabado, por parte de Burrus y Dawson, de
los Bell Laboratories. Es un LED de superficie emisora, y se ve en la fig. 11-30. Emite luz en
muchas direcciones, y ayuda a concentrar la luz emitida en un área muy pequeña. También se
puede poner lentes en domo, sobre la superficie emisora, para dirigir la luz hacia un área menor.
Estos dispositivos son más eficientes que los emisores normales de superficie, y permiten
acoplar más potencia a la fibra óptica, pero su fabricación es más difícil y costosa.
LED emisores de borde. El LED emisor de borde, desarrollado por la RCA, se ve en
la fig. 11-31. Estos LED emiten una distribución más direccional de luz que los LED de superficie emisora. La fabricación se parece a los diodos planos y de Burrus, pero la superficie emisora
es una banda, más que un área circular confinada. La luz se emite de una banda activa y forma
un haz elíptico. Los LED de superficie emisora se usan con más frecuencia que los emisores de
borde, porque emiten más luz. Sin embargo, las pérdidas por el acoplamiento de los emisores
de superficie son mayores, y tienen anchos de banda más angostos.
La potencia luminosa radiante que emite un LED es una función lineal de la corriente directa que pasa por el dispositivo (fig. 11-32). También se ve que la potencia óptica de salida de
un LED es, en parte, una función de la temperatura de funcionamiento.
Diodo de láser de inyección
Los láseres se fabrican con muchos y diversos materiales, que incluyen gases, líquidos y sólidos, aunque el tipo de láser que se usa con más frecuencia para comunicaciones con fibra óptica
es el láser de semiconductor.
El diodo de láser de inyección (ILD, de injection laser diode) se parece al LED. De hecho, por debajo de cierta corriente umbral, un ILD funciona en forma parecida a un LED. Arriba
de la corriente de umbral, un ILD oscila y se produce la emisión láser. Al pasar la corriente por
un diodo de unión p-n de polarización directa, se emite luz por emisión espontánea, a una
frecuencia determinada por la banda prohibida del material semiconductor. Cuando se llega a
determinado valor de la corriente, la cantidad de portadores minoritarios y de fotones que se producen en ambos lados de la unión p-n llega a un valor en el que comienzan a chocar con portadores minoritarios ya excitados. Esto causa un aumento en el nivel de la energía de ionización
y hace que los portadores sean inestable. Al suceder eso, un portador normal se recombina con
un portador del tipo contrario a un valor de la energía que es mayor que su valor normal antes
del choque. En el proceso se crean dos fotones; uno es estimulado por otro. En esencia, se realiza una ganancia en la cantidad de fotones. Para que eso suceda se requiere una gran corriente
directa que pueda suministrar muchos portadores (huecos y electrones).
La fabricación de un ILD se parece a la de un LED (fig. 11-33), excepto que los extremos están muy pulidos. Los extremos con acabado de espejo atrapan los fotones en la región activa y, al
reflejarse de un lado a otro, estimulan a electrones libres, para recombinarse con huecos a un valor
de energía mayor que el normal. Éste es el proceso llamado láser, o estimulación de emisión.
La potencia luminosa radiante de salida de un ILD típico se ve en la fig. 11-34. Se aprecia
que se obtiene muy poca potencia de salida hasta que se llega a la corriente de umbral; entonces
se produce la estimulación. Después de comenzada la estimulación, la potencia óptica de salida
aumenta en forma dramática, con pequeños aumentos en la corriente de activación. También
se ve que la magnitud de la potencia óptica de salida del ILD depende más de la temperatura
de funcionamiento que en el caso del LED.
La fig. 11-35 muestra las distribuciones de irradiación de luz normales en un LED y en
un ILD. Como la luz se irradia saliendo del extremo de un ILD en forma de haz angosto y concentrado, tiene una distribución de radiación más dirigida.
Ventajas de los ILD
1. Como los ILD tienen una distribución de irradiación más dirigida, es más fácil de
acoplar su luz en una fibra óptica. Esto reduce las pérdidas por acoplamiento y permite usar fibras más pequeñas.
2. La potencia radiante de salida de un ILD es mayor que la de un LED. Una potencia
normal de salida de un ILD es 5 mW (7 dBm), en comparación con 0.5 mW (–3 dBm) para los
LED. Eso permite que los ILD proporcionen una mayor potencia de activación, y usarlos en sistemas que funcionen a través de mayores distancias.
3. Los ILD se pueden usar a frecuencias mayores de bits que los LED.
4. Los ILD generan luz monocromática, lo cual reduce la dispersión cromática o de longitudes de onda.
Desventajas de los ILD
1. Los ILD cuestan normalmente 10 veces más que los LED.
2. Como los ILD trabajan con mayores potencias, suelen tener duraciones mucho
menores que los LED.
3. Los ILD dependen más de la temperatura que los LED
LÁSERES
La tecnología láser se centra en la concentración de luz en forma de haces muy pequeños y
poderosos. El acrónimo se generalizó cuando la tecnología pasó de las microondas a las ondas
de luz.
El primer láser fue desarrollado por Theodore H. Maiman, científico de Hughes Aircraft
Company, de California. Dirigió un rayo de luz a cristales de rubí, con una lámpara de xenón, y
midió la radiación emitida por el rubí. Descubrió que cuando la radiación emitida aumentaba
de cierto umbral, se volvía en extremo intensa, y muy direccional. Los láseres de uranio se desarrollaron en 1960, junto con los de otros materiales de tierras raras. También en 1960, A. Javin
de los Bell Laboratories desarrolló el láser de helio. Los láseres de semiconductor (diodos de inyección láser) se fabricaron en 1962, en General Electric, IBM y Lincoln Laboratories.
Tipos de láser
Básicamente hay cuatro tipos de láser: de gas, líquido, sólido y de semiconductor.
1. Láseres de gas. Los láseres de gas usan una mezcla de helio y neón encerrada en un
tubo de vidrio. Cuando se descarga una corriente en el gas se emite un flujo de ondas luminosas
coherentes (de una frecuencia) a través del acoplador de salida. La salida de onda luminosa continua es monocromática (de un color).
2. Láseres de líquido. En estos láseres se usan colorantes orgánicos encerrados en un tubo
de vidrio, como medio activo. El colorante se hace circular con una bomba dentro del tubo. Un
pulso poderoso de luz excita al colorante orgánico.
3. Láseres de sólido. En ellos se usa un cristal cilíndrico y macizo, como el rubí, como
medio activo. Cada extremo del rubí está pulido y paralelo al otro. El rubí se excita con una lámpara de tungsteno conectada a una fuente de poder de corriente alterna. La salida del láser es una
onda continua.
4. Láseres de semiconductor. Estos láseres se fabrican con semiconductores de unión
p-n y se suelen llamar diodos de láser de inyección (ILD, de injection laser diode). El mecanismo de excitación es un suministro de corriente directa que controla la cantidad de corriente
al medio activo. La luz de salida de un ILD se modula con facilidad, y eso lo hace muy útil en
muchas aplicaciones de comunicaciones electrónicas.
Características de los láseres
Todas las clases de láser tienen varias características comunes:
1) todos usan un material activo
que convierte la energía en luz láser
2) una fuente de bombeo que proporciona la potencia o
energía
3) el sistema óptico para dirigir el haz que se va a amplificar a través del material
4) el
sistema óptico para dirigir el haz en forma de un cono de divergencia angosto y potente
5) un
mecanismo de retroalimentación para obtener funcionamiento continuo
6) un acoplador de
salida, para transmitir la potencia que sale del láser.
La radiación de un láser es extremadamente intensa y direccionada. Cuando se enfoca en
forma de un haz capilar muy fino, puede concentrar su potencia. Si se permitiera diverger al haz
de luz, perdería la mayor parte de su potencia.
Construcción de los láseres
La fig. 11-39 muestra la construcción de un láser básico. Una fuente de poder se conecta a un tubo
de destello, que está enrollado sobre un tubo de vidrio que contiene al medio activo. Un extremo del tubo de vidrio es una cara pulida a espejo, 100% reflejante, para tener reflexión interna. El tubo de destello se energiza con un pulso de disparo y produce un destello de luz de gran intensidad (parecido a una lámpara de destello en fotografía). El destello excita los átomos de cromo en el interior de la estructura cristalina. El proceso de bombeo eleva la energía
de los átomos de cromo desde el estado fundamental hasta un estado excitado de energía. A
continuación, los iones decaen y pasan a un nivel intermedio de energía. Cuando la población de iones en el nivel intermedio es mayor que la del estado fundamental, sucede una inversión de poblaciones, que causa la acción de láser (emisión). Después de cierto tiempo, los
átomos excitados de cromo caen al nivel fundamental de energía. En esta ocasión se emiten
fotones. Un fotón es un paquete de energía radiante. Los fotones emitidos chocan con átomos
y causan la emisión de otros dos fotones (de aquí el término “emisión estimulada”). La frecuencia de la energía determina la intensidad de los fotones: mayores frecuencias producen
fotones de mayor intensidad.
PROVISIÓN PARA ENLACE EN EL SISTEMA DE FIBRA ÓPTICA
Como en cualquier sistema de comunicaciones, los sistemas de fibra óptica consisten en una
fuente y un destino, que están separados por numerosos componentes y dispositivos que introducen diversas cantidades de pérdida o de ganancia a la señal, al propagarse a través del sistema.
La fig. 11-40 muestra dos configuraciones normales de sistema de comunicaciones con fibra
óptica. En la fig. 11-40a se ve un sistema sin repetidoras, en donde la fuente y el destino se interconectan a través de uno o más tramos de cable óptico. En un sistema sin repetidoras no hay
amplificadores ni regeneradores entre la fuente y el destino.
La fig. 11-40b representa un sistema de fibra óptica que incluye una repetidora que puede
amplificar o regenerar la señal. Los sistemas con repetidora se usan, claro está, cuando la fuente
y el destino están separados por grandes distancias.
Las necesidades de enlace se calculan en general entre una fuente luminosa y un detector
de luz; en consecuencia, para nuestro ejemplo, se buscan provisiones para un sistema sin repetidoras. Éste consiste en una fuente luminosa, como un LED o un ILD, y un detector de luz, como
por ejemplo un APD, conectados con fibra óptica y conectores. En consecuencia, la provisión
de enlace consiste en una fuente de potencia luminosa, un detector de luz y diversas pérdidas en
el cable y conectores. Las pérdidas características de los enlaces de fibra óptica incluyen las
siguientes:
1. Pérdidas en el cable. Las pérdidas en el cable dependen de la longitud, del material y
de la pureza del material del cable. En general, se especifican en dB/km, y pueden
variar desde décimas de dB hasta varios dB por km.
2. Pérdidas en el conector. A veces se usan conectores mecánicos para unir dos tramos
de cable. Si la conexión mecánica no es perfecta, puede escapar energía luminosa ycausar una reducción de la potencia óptica. Las pérdidas en el conector suelen variar
entre unas décimas de dB hasta 2 dB para cada conector.
3. Pérdida en interfaz de fuente a cable. La interfaz mecánica que se usa para contener la
fuente de luz y fijarla al cable casi nunca es perfecta. En consecuencia, un pequeño
porcentaje de la potencia óptica no se acopla al cable, y representa una pérdida de potencia en el sistema de algunas décimas de dB.
4. Pérdida en interfaz de cable a detector de luz. La interfaz mecánica para contener el
detector de luz y fijarlo al cable tampoco es perfecta y, en consecuencia, evita que un
pequeño porcentaje de la potencia que sale del cable entre al detector de luz. Esto, naturalmente, representa una pérdida para el sistema, que suele ser de algunas décimas
de dB.
5. Pérdida en empalmes. Si se requiere más que un tramo continuo de cable, se pueden
fundir (empalmar) los tramos. Como los empalmes no son perfectos, se pueden introducir pérdidas que van desde un par de décimas de dB hasta varios dB en la señal.
6. Dobleces del cable. Cuando un cable óptico se dobla formando un ángulo muy agudo,
sus características internas cambian radicalmente. Si los dobleces son grandes, ya no
se lograrán las reflexiones totales de algunos de los rayos de luz, y se refractarán. La
luz refractada en la interfaz entre el núcleo y el revestimiento entra al revestimiento y
causa una pérdida neta de la señal, de algunas décimas de dB hasta varios dB.
Como en cualquier provisión de enlace o de sistema, la potencia útil disponible en el
receptor depende de la potencia de transmisión y de las pérdidas en el enlace. La ecuación
correspondiente es
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