Principios Fundamentales de la Propagación Lumínica en Fibras Ópticas
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Principios Fundamentales de la Fibra Óptica
La fibra óptica está fabricada con plástico o cristal y su función es transmitir señales en forma de luz. La luz viaja en línea recta mientras se mueve a través de una sustancia uniforme. Sin embargo, si un rayo de luz que viaja a través de una sustancia entra repentinamente en otra con una densidad diferente, el rayo cambia de dirección.
Fenómenos de la Refracción y Reflexión
El comportamiento del rayo de luz al cruzar la interfaz entre dos medios depende del ángulo de incidencia (i), definido como el ángulo que forma el rayo de luz con la línea perpendicular a la interfaz entre ambas superficies:
- Si el ángulo de incidencia i es menor que el ángulo crítico, el rayo se refracta y se mueve más cerca de la superficie.
- Si el ángulo de incidencia es igual al ángulo crítico, el rayo se sitúa sobre la superficie.
- Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico, el rayo se refleja y viaja nuevamente por el medio más denso.
La fibra óptica explota el principio de reflexión interna total para guiar la luz a través de un canal. Un núcleo de cristal o plástico se rodea con un revestimiento (cladding) de cristal o plástico menos denso. La diferencia de densidad debe asegurar que el rayo de luz que se mueve a través del núcleo sea reflejado por el revestimiento en lugar de ser refractado a través de él.
Modos de Propagación de la Luz
La tecnología actual ofrece dos modos de propagación de la luz a lo largo de los canales ópticos: multimodo y monomodo. Cada modo requiere fibras con características distintas.
Modo Multimodo
El modo multimodo se denomina así porque permite que múltiples rayos de luz de una fuente luminosa se muevan a través del núcleo siguiendo caminos distintos.
Implementaciones del Multimodo
El modo multimodo se puede implementar de dos maneras:
- Índice Escalonado (Step-Index)
- Índice de Gradiente Gradual (Graded-Index)
Fibra Multimodo de Índice Escalonado (Ej. 62.5/125 µm, 50/125 µm)
En esta configuración, la densidad del material (índice de refracción) permanece constante desde el centro hasta los bordes del núcleo. Un rayo de luz viaja en línea recta hasta que alcanza la interfaz entre el núcleo y el revestimiento. En dicha interfaz, se produce un cambio abrupto a una densidad más baja, lo que altera el ángulo de movimiento del rayo. El término índice escalonado hace referencia a la rapidez de este cambio, lo cual contribuye a la distorsión de la señal a medida que atraviesa la fibra.
Fibra Multimodo de Índice de Gradiente Gradual
Este segundo tipo de fibra busca disminuir la distorsión de la señal a través del cable. La palabra índice se refiere aquí al índice de refracción. Una fibra de índice de gradiente gradual posee una densidad variable: la densidad es mayor en el centro del núcleo y decrece gradualmente hacia el borde.
Modo Monomodo (Ej. 9/125 µm)
La fibra monomodo utiliza una configuración de índice escalonado, pero emplea una fuente de luz enfocada que restringe los rayos a un rango angular muy pequeño, casi todos cercanos a la horizontal.
Características Clave del Monomodo
- Diámetro reducido: Se fabrica con un diámetro mucho más pequeño que las fibras multimodo.
- Índice de refracción menor: Posee una densidad sustancialmente menor en el núcleo.
- Propagación casi horizontal: El decrecimiento de la densidad resulta en un ángulo crítico muy cercano a los 90°, forzando la propagación de los rayos casi horizontalmente.
En el modo monomodo, la propagación de los distintos rayos es casi idéntica, por lo que los retrasos son despreciables. Todos los rayos llegan al destino simultáneamente y pueden recombinarse sin distorsionar la señal.