Fibra óptica

Cables. Constitución. Mecanismos de pérdidas. Modelos de propagación. Fibras. Tubos. Identificación. Señalización. Emisores ópticos. Diodos electroluminiscentes. Láser de comunicación, de estado sólido

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Fibra Óptica (F.O.)

Lo dividiremos en las siguientes partes:

- Constitución de la fibra óptica.

- Mecanismos de pérdidas.

- Modelos de propagación en F.O.

  • Constitución de la fibra óptica.

La fibra óptica es una guía de ondas luminosas, constituidas por dos dieléctricos de sílice cilíndricos coaxiales de distinto índice de refracción, denominados núcleo y revestimiento.

En toda fibra óptica podemos distinguir entre la fibra, propiamente dicha, y las protecciones de ésta.

En cuento a los elementos que constituyen la fibra óptica podemos decir que generalmente son:

- Núcleo

- Revestimiento

- Protección primaria o revestimiento

- Protección secundaria

Núcleo.

Es el elemento interior y se encarga de conducir la señal óptica.

Tiene un diámetro nominal de 10 o 50 micrometros, según se trate de fibras ópticas monomodo o multimodo.

Revestimiento.

Es el elemento que rodea al núcleo y su misión es la de confinar la señal óptica en le mismo, por ello su índice de refracción es menor que el del núcleo.

Tiene un diámetro nominal de 125 micrometros.

Protección primaria o recubrimiento.

Es un barniz de acrilato o silicona, que se aplica a la fibra en el proceso de fabricación y cuya misión consiste en preservar a la fibra de ataques químicos y dotarla de mayor resistencia mecánica.

Tiene un diámetro nominal de de 500 micrometros en los cables monofibra y de 250 micrometros en los cables multifibra con protección secundaria holgada.

Segun el tipo de cable puede ir coloreada o no. Ver "Identificación de las fibras.".

Protección secundaria.

La primera protección no es suficiente para que la fibra soporte la manipulación que se pruduce en su instalación. Para ello se le dota de una segunda protección mecánica adicional, ésta es de material plástico.

La segunda protección siempre aparece coloreada según un código que se detalla en "Codigo de colores para fibras multimodo" e "Identificación de los tubos."

Dependiendo del diámetro de la protección secundaria o de la forma de aplicarla, las fibras se clasifican en:

a) Fibras con proteccion secundaria ajustada

La protección secundaria ajustada está formada por una o varias capas superpuestas de material plástico que forman una estructura compacta con la protección primaria.

Normalmente se emplea tanto en los monomodo como en los multimodo.

'Fibra óptica'

b) Fibras con protección secundaria holgada.

En estas fibras la segunda protección no está íntimamente unida a la primera, es decir, la fibra queda libre en su interior.

Cuando la segunda protección es de este tipo también se la conoce como "tubo". Este tubo esta relleno de un compuesto de relleno hidrófugo que , generalmente será silicona líquida.

Normalmente se emplea en las fibras monomodo.

'Fibra óptica'

Constitución de los cables de F.O.

En general los cables de fibra óptica están compuestos de los siguientes elementos:

      • Fibras ópticas

      • Elementos de relleno

      • Compuestos de relleno

      • Cintas de envoltura del núcleo

      • Elemento de refuerzo

      • Ligaduras

      • Hilo de rasgado

      • Cubierta

  • Fibra óptica.

Las fibras ópticas con sus protecciones están dispuestas en una o dos capas concéntricas alrededor de un elemento central en paso de hélice o S-Z( cambia la dirección del trenzado después de un número determinado de vueltas, cada 90 cm aproximadamente), constituyendo el conjunto el núcleo del cable.

El número de fibras ópticas que puede tener el cable( su capacidad), será variable y dependerá del tipo de cable.

Podemos distinguir los siguientes tipos de cables de fibra óptica:

- Cables ópticos multifibras.

- Cables ópticos monofibra.

a) Cables ópticos multifibra multimodo.

Existen cables con numeroso número de fibras, pero quizás el que presenta mejores características desde el punto de vista de atenuación y ancho de banda es el de 16 fibras.

b) Cables ópticos multifibra monomodo.

En este tipo de cables la protección secundaria es holgada, pudiendo tener cada cable 1, 2, 4 u 8 fibras cada uno. Cabe decir que en la actualidad ya se utilizan cables de 128 fibras.

c) Cables ópticos monofibra( multimodo y monomodo).

En estos cables la proteccion secundaria siempre es ajustada. El elemento de refuerzo está formado por hilaturas de fibra de aramida dispuestas longitudinalmente sobre la segunda protección.

Luego se dispone una cubierta termoplástica compuesta de material ignífugo que suele ser poliuretano o similar. Destacar que en los cables monofibra multimodo la cubierta termoplástica es verde, mientras que en los monomodo es amarilla.

  • Elementos de relleno.

Generalmente son tubos de material plástico de color negro, similares a los utilizados para albergar las fibras y que se emplean para rellenar los espacios vacíos del núcleo.

  • Compuestos de relleno.

El cable está relleno de un compuesto hidrófugo, normalmente petrolato, que se dispondrá en los espacios vacíos del núcleo y entre éste y la cubierta.

  • Cintas de envoltura del núcleo.

El núcleo del cable se cubre con una o varias cintas dieléctricas de poliester o material similar, de espesor suficiente para garantizar la debida protección térmica del núcleo durante el proceso de extrusión de la cubierta del cable.

  • Elemento de refuerzo.

Su misión fundamental es la de proporcionar al cable un elemento apto para soportar la tensión de tiro durante la instalación. Su ubicación en el cable y su composición depende del tipo de cable.

En los cables metálicos el elemento de refuerzo está constituido por una sirga de acero de 19 hilos. Está situado en la parte central, axial, del cable y está recubierto por una capa de polietileno negro de baja densidad. Sobre este elemento se dispondrán las fibras ópticas, en paso de hélice, formando el conjunto del núcleo del cable.

En los cables no metálicos o dieléctricos el elemento de refuerzo está constituido por hilaturas de fibra de aramida dispuestas en hélice sobre la cubierta interior de polietileno, poliuretano o termoplástico, según el tipo de cable.

Los cables dieléctricos tienen un elemento central no metálico que sirve de soporte para posicionar las fibras ópticas y así configurar el núcleo del cable.

  • Ligaduras.

Son ataduras plásticas o hilos de nylon dispuestas en hélice y colocadas debajo y sobre la envolvente del núcleo.

  • Hilos de rasgado.

Hilos de poliamida o similar dispuestos longitudinalmente entre el núcleo y la cubierta interior y entre las dos cubiertas de los cables. Se emplean para facilitar el rasgado de las cubiertas de los cables para conseguir su eliminación.

  • Cubierta.

Es la parte exterior del cable y sirve para proteger el núcleo del mismo de los agentes externos.

La cubierta de los cables multifibra monomodo en función de su aplicación o lugar de instalación, pueden ser de los siguientes tipos:


- PEAP

- PESP

- PKP

-PKESP

- PKCP

- PUKPU

- TKT

- KT


  • Cables con cubierta PEAP.

La cubierta PEAP está formada por:

- Polietileno de baja densidad.

- Estanca Aluminio.

- Polietileno de alta densidad.

Este tipo de cable no se instala actualmente. El elemento de refuerzo está constituído por una sirga de acero situada en la parte central, axial del cable.

  • Cables con cubierta PESP.

La cubierta está formada por:

- Polietileno de baja densidad.

- Estanca Acero.

- Polietileno de alta densidad.

Este tipo de cable tampoco se instala actualmente. El elemento de refuerzo y su disposición en el cable es igual que en el cable PEAP.

  • Cables con cubierta PKP.

La cubierta PKP está formada por:

- Polietileno de baja densidad.

- Fibras de aramida.

- Polietileno de alta densidad.

Este cable es el que más se utiliza actualmente. El elemento de refuerzo está constituído por hilaturas de fibras de aramida dispuestas en hélice sobre la cubierta interior de polietileno.

  • Cables con cubierta PKESP o PKASP.

La cubierta está formada por:

- Polietileno de baja densidad.

- Fibras de aramida.

- Estanca Acero.

- Polietileno de alta densidad.

En la actualidad ha sido sustituído por los cables autosoportados PKCP.

El elemento de refuerzo está contituído por hilaturas de fibra de aramida, distribuidas en capas y dispuestas en paso de hélice sobre la cubierta interior de polietileno. Éstas tienen un gran poder de absorción de los impactos por lo que también se la conoce como "cubierta anticazadores".

  • Cables con cubierta PKCP.

Está formada por:

- Polietileno de baja densidad.

- Fibras de aramida.

- Cintas de material antibalístico.

- Polietilenode baja densidad.

El elemento de refuerzo está constituído por hilaturas de fibra de aramida dispuestas en hélice sobre la cubierta interior de polietileno, sobre las fibras de aramida se colocan una o varias cintas de material resistente a impactos balísticos.

Los tubos que contienen las fibras van en paso S-Z, sustituyendo estos cables a los PKESP. Este cable es autosoportado.

  • Cables con cubierta PUKPU.

Formada por:

- Poliuretano.

- Fibras de aramida.

- Poliuretano.

El elemento de refuerzo está formado por hilaturas de aramida dispuestas en forma de hélice sobre la cubierta interior de poliuretano. La cubierta exterior de estos cables es de color naranja. Este cable sólo se utiliza en labores de conservación.

  • Cables con cubierta TKT.

Formada por:

- Termoplástico.

- Fibras de aramida.

- Termoplástico.

El elemento de refuerzo está formado por hilaturas de aramida dispuestas en forma de hélice sobre la cubierta interior de termoplástico. El termoplástico será de un material ignífugo, poliuretano o similar. La cubierta exterior de estos cables es de color amarillo en los cables de fibra óptica monomodo, y verde en los multimodo. A estos cables se los denomina cables " para interiores".

  • Cables con cubierta KT.

Formados por:

- Fibras de aramida.

- Termoplástico.

El elemento de refuerzo está formado por hilaturas de fibra de aramida dispuestas en forma de hélice sobre el núcleo. La cubierta exterior de éstos es de color negro. También son denominados "cables de acometida".

Los cables monofibra también tienen este tipo de cubierta, dependiendo de si son monomodo o multimodo la cubierta exterior ignífuga será amarilla o verde. Estos cables monofibra se utilizan en las centrales, en los puntos de red, y en general, en aquellos lugares que donde se requiera disponer de conectores para efectuar medidas o tener flexibilidad en la red.

La segunda protección de las fibras ópticas de los cables de acometida es holgada, mientras que la de los cables monofibra es ajustada.

  • Identificación de las fibras.

Después de identificar los tubos es necesario identificar las fibras que contiene cada uno. Éstas se identifican por el color de su protección primaria y por la posición que ocupan en el cable, que viene dada por el tubo en el que se encuentra.

Los códigos de colores que se emplean en la primera protección dependen del número de fibras que albergue cada tubo, y son:

      • a) Cables con 1 fibra por tubo:

La primera protección presentará un color transparente.

      • b) Cables con 2 fibras por tubo:

fibra: 1 ----> color: verde

fibra: 2 ----> color: rojo

En algunos cables instalados, la fibra 1 puede presentar color transparente.

      • c) Cables con 4 fibras por tubo:

fibra: 1 ----> color: verde

fibra: 2 ----> color: rojo

fibra: 3 ----> color: azul

fibra: 4 ----> color: amarillo

Algunos cables instalados pueden presentar la siguiente coloración:

- transparente,

- rojo,

-azul y

-verde.

      • Cables con 8 fibras por tubo:

fibra: 1 ----> color: verde

fibra: 2 ----> color: rojo

fibra: 3 ----> color: azul

fibra: 4 ----> color: amarillo

fibra: 5 ----> color: gris

fibra: 6 ----> color: violeta

fibra: 7 ----> color: marrón

fibra: 8 ----> color: naranja

En algunos cables instalados, la fibra 8 puede presentar color transparente.

Identificación de los tubos.

Los códigos de colores que se emplean en la 2ª protección o tubo, independientemente del número de fibras que contenga , son:

      • Cables con 4 tubos:

tubo: 1 ----> color: blanco

tubo: 2 ----> color: rojo

tubo: 3 ----> color: azul

tubo: 4 ----> color: verde

      • Cables con 6 tubos:

tubos: 1, 2 ----> color: blanco

tubos: 3, 4 ----> color: rojo

tubos: 5, 6 ----> color: azul

      • Cables con 8 tubos:

tubos: 1, 2 ----> color: blanco

tubos: 3, 4 ----> color: rojo

tubos: 5, 6 ----> color: azul

tubos: 7, 8 ----> color: verde

      • Cables con 12 tubos:

tubos: 1, 2, 3 ----> color: blanco

tubos: 4, 5, 6 ----> color: rojo

tubos: 7, 8, 9 ----> color: azul

tubos: 10, 11, 12 ----> color: verde

      • Cables con 16 tubos ( 1 capa):

tubos: 1, 2, 3, 4 ----> color: blanco

tubos: 5, 6, 7, 8 ----> color: rojo

tubos: 9, 10, 11, 12 ----> color: azul

tubos: 13, 14, 15, 16 ----> color: verde

      • Cables con 16 tubos ( 2 capas):

capa: 1; tubo: 1 ----> color: blanco

capa: 1; tubo: 2 ----> color: rojo

capa: 1; tubo: 3 ----> color: azul

capa: 1; tubo: 4 ----> color: verde

capa: 2; tubos: 5, 6, 7 ----> color: blanco

capa: 2; tubos: 8, 9, 10 ----> color: rojo

capa: 2; tubos: 11, 12, 13 ----> color: azul

capa: 2; tubos: 14, 15, 16 ----> color: verde

Identificación del cable de F.O.

Los cables multifibra presentarán en el exterior de la cubierta la siguiente identificación:

        • Nombre del fabricante ( siglas).

        • Año de fabricación ( últimas 2 cifras).

        • Número de fibras ópticas ( p.e.: 2 F.O.).

        • Tipo de fibra:

        • Monomodo ( número 10).

        • Multimodo ( número 50).

        • Monomodo en cinta ( 10/CINTA).

        • Metraje ( excepto en el cable de acometida).

La identificación está grabada o impresa, con tinta indeleble blanca o amarilla y repetida con una separación de 1 metro.

Los cables monofibra presentan en el exterior de la cubierta una inscripción grabada o impresa con tinta indeleble negra y repetida cada metro, indicando el nombre del fabricante ( siglas) y el año de fabricación ( los últimos 2 dígitos).

Señalización del cable.

Los cables de fibra óptica se señalizan con bandas de pintura roja de 5 cm. de anchura y placas de señalización.

En las cámaras de registro, los cables de fibra óptica están señalizados con 2 bandas de pintura roja situadas cada una a 25 cms. de las regletas externas. Así mismo se pintará una banda de igual color y anchura en el centro del subconducto usado para proteger el cable a su paso por las regletas.

Adicionalmente, la mayoría de los cables instalados están identificados por medio de una chapa rectangular de plomo atada con alambre al subconducto situado en la regleta. En la línea superior de dicha chapa viene inscrito el número de fibras y el tipo. En la línea inferior las centrales entre las que discurre, estas chapas de plomo ya no se instalan.

En la actualidad, los cables ópticos instalados en canalización urbana, zanja canalizada e interior de edificios, se señalizan con chapas rectangulares de poliamida de color natural denominadas "placas de señalización". Éstas se colocarán sobre los cables en las cámaras de registro, arquetas, postes, repartidores ópticos y galerías de cables.

  • Emisores ópticos

Además de suministrar energía suficiente, a un precio razonable, durante una vida útil larga y fiable, y de poseer una gran eficiencia, el emisor debe radiar a una longitud de onda que coincida con un mínimo de pérdidas de la fibra.

Los emisores ópticos deben:

    • Presentar una característica lineal en lo que se refiere a la potencia de salida en relación con la intensidad de la corriente de excitación.

    • Emitir en un ancho de banda reducido.

    • Ser capaz de transmitir dígitos binarios a altas velocidades.

Todas estas restricciones y necesidades limitan a tres los tipos e emisores adecuados:

        • Diodos Electroluminescentes (LED).

        • Lasers de comunicación.

        • Lasers de estado sólido.

Debido a que son los más utilizados, sólo se estudiaran los dos primeros tipos de emisores. Los lasers de estado sólido se convertirán probablemente en una fuente importante en el futuro.

  • Diodos electroluminiscentes (LED).

En su forma básica, un LED es una unión p-n polarizada directamente.

El objetivo del diodo es proporcionar una fuente de luz para la transmisión por fibras, y uno de los mecanismos de pérdida sucede exactamente entre el dispositivo y el extremo de la fibra.

Estos dispositivos tienen la misma constitución que los PIN (fig. 2.1), sólo que se alimentan en altos voltajes entre 50 y 400 voltios y en sentido directo.

Este potencial exterior fuerza la inyección de electrones de la región n hacia la intrínseca, i, y de huecos de p hacia i, en la cual se recombinan los pares electrón hueco produciéndose fotones de energía hv aproximadamente igual a la del gap. Para el emisión de luz se emplean semiconductores directos, por tanto, para estos diodos no son adecuados ni el germanio ni el silicio, sino compuestos cuaternarios y heteroestructuras por su mayor eficiencia cuántica. Dependiendo de los materiales y proporciones se obtiene con buen ajuste la máxima emisión en la longitud de onda deseada tanto en visible como infrarrojo dentro del margen de posibilidades.

Figura 2.1.

Los LED son dispositivos de emisión espontánea con una anchura de banda de 50nm.

Heteroestructuras.- Los LED descritos, de simple unión p-n son poco eficientes. Un tipo de LED de estructura múltiple y heterogénea es el diseñado por C.A.Burrus que se emplea mucho en alimentación de fibras ópticas por su alta eficiencia, y porque el área activa es muy pequeña y la luz sale muy concentrada como para entrar directamente en la fibra. La figura 2.2. muestra la estructura y componentes. Las láminas son muy delgadas (1 a 2 micrometros) y entre la zona activa y la fibra pueden insertarse microlentes que concentren la luz emitida.

La desventaja que presenta es una anchura espectral de emisión relativamente grande. En general, las anchuras espectrales generadas por los LED suelen ir de los 100 a los 400 nm.

'Fibra óptica'

Figura 2.2.

Modulación.- Por medio de dispositivos electrónicos adecuados se puede modular la corriente de inyección con lo cual resulta modulada la intensidad de emisión de luz entre cero y el máximo a frecuencias de gigaciclos.

  • Lásers de semiconductor.

La otra fuente importante de luz es el láser de inyección de semiconductor. Su mecanismo es similar al de los LED, pero funciona con emisión estimulada tipo laser lo que produce una característica de salida diferente. En la figura 2.3 se muestra la relación entre la potencia óptica de salida en función de la corriente de entrada de excitación, y en ella pueden observarse tres particularidades destacadas. Primero, la curva tiene dos zonas bien diferenciadas, la que está bajo el umbral y la que está por encima. El nivel umbral está estrechamente relacionado con la estructura del dispositivo. Por debajo del umbral, el comportamiento del dispositivo es similar al de un LED y la salida presenta una anchura espectral bastante dilatada; en tanto que sobre el umbral, el dispositivo funciona por emisión estimulada y la anchura espectral se reduce enormemente. La segunda particularidad notable es la gran pendiente de la curva por encima de la corriente umbral; esto hace que el dispositivo sea muy rápido, rapidez que se aprovecha en los sistemas digitales de alta velocidad. Por último, la característica de salida presenta no linealidades por encima del umbral, estas alinealidades se llaman sinuosidades o pliegues y se cree que son debidas a ligeros cambios en las trayectorias de la corriente a través de la región activa, pudiéndose eliminar utilizando una configuración en tira.

'Fibra óptica'

Figura 2.3.

Para los lásers de inyección se han utilizado varias estructuras. En su forma más simple, el dispositivo está formado por una unión p - n en GaAs, con terminales planos y paralelos a la unión, a los que se aplica la tensión de alimentación. Dos de las caras opuestas ( y perpendiculares al plano de la unión) son talladas y pulidas para que actúen como superficies reflectantes, entre las que puede conseguirse la ganancia esencial de los portadores a través de la unión. Por una de estas caras ( o facetas, como a veces se les denomina ) la luz es acoplada a la fibra, mientras que la otra cara (la trasera) suele utilizarse para observar el comportamiento del dispositivo. En la figura 2.4. se muestra uno de estos sencillo lásers. La región activa tiene un índice de refracción ligeramente superior que el de las capas ayacentes, lo que a lugar a un débil mecanismo de guiado de onda, permitieno que la luz generada quede encerrada dentro de una estrecha región.

Este guiado de la luz es particularmente útil, ya que permite al dispositivo generar una luz intensa que es más adecuada para introducir en una fibra óptica que la generada por un LED, que produce una salida menos direccional.

'Fibra óptica'

Figura 2.4.

Para aumentar el confinamiento de la luz de la región activa se utiliza una estructura tipo heterounión (DH), cuya configuración se muestra en la figura 2.5. La heterounión es una interfase entre GaAs y GaAlAs, y en el dispositivo DH se coloca GaAlAs a cada lado de la región activa (constituida por GaAs). Aparte de proporcionar una acción de guiado más intensa, la estructura DH hace que la corriente umbral sea considerablemente más pequeña que la de la distribución homounión mostrada en la figura 2.3. Esta reducción en la corriente umbral es suficiente como para permitir que el dispositivo pueda funcionar de modo contínuo, mientras que en la estructura homounión la densidad de corriente necesaria para mantener la acción "laseante" sólo puede conseguirse en modo pulsado.

'Fibra óptica'

Figura 2.5.

El láser de inyección de semiconductor GaAlAs DH sólo es adecuado para longitudes de onda entre 0,8 y 0,9 micrometros. Para longitues de onda de 1,3 micrometros hay que desarrollar materiales base diferentes. Las investigaciones actuales indican que el más prometedor es el InP, con capas "dopadas" de GaInPAs formando las heterouniones.

Desde el punto de vista de los sistemas de transmisión, el laser de inyección ofrece las ventajas de mayor intensidad, salida más directiva, tiempo de respuesta más rápido y menor anchura espectral que los LED. Estas ventajas se han conseguido a expensas de mayores tensiones de funcionamiento y de una circuitería de excitación más compleja, que es necesaria para compensar las variaciones en la corriente umbral producidas por los cambios de temperatura y el envejecimiento del laser de inyección.

  • Receptores ópticos.

Existen muchos dispositivos disponibles para detectar energía a las frecuencias ópticas. Algunos son válvulas electrónicas de vacío y otros son de estado sólido, ya sean semiconductores o no. Existen también algunos efectos sensibles a la luz empleados para convertir la luz incidente en una señal eléctrica proporcional.

En los sistemas de comunicaciones, la potencia del haz incidente puede ser extremadamente pequeña, del orden de 10e-14 vatios, lo que impone exigencias adicionales a los posibles detectores. Aunque se han utilizado diversos tipos de dispositivos, y existe una amplia investigación y desarrollo de técnicas nuevas, limitaremos nuestra atención al detector semiconductor PIN (Positive-Intrinsic-Negative) y a su dispositivo asociado: el fotodiodo de avalancha (FDA).

Para que un detector sea apto para utilizarlo en comunicaciones por fibra óptica, debe tener las siguientes características:

      • ser muy sensible,

      • responder muy rápidamente para que pueda conseguir grandes anchos de banda,

      • tener una eficiencia alta de conversión entre energía luminosa y eléctrica,

      • tener baja potencia de ruido a la salida y

      • buenas propiedades para captar la luz.

Además:

      • debe trabajar a tensiones bajas,

      • ser de fácil manipulación,

      • robusto e insensible a los cambios en las condiciones ambientales,

      • tener una gran duración útil,

      • una buena fiabilidad y

      • ser económico.

Estas especificaciones ideales son obviamente inalcanzables, por lo que en cualquier dispositivo real son necesarios algunos compromisos, teniéndose que establecer prioridades entre los diversos parámetros en función de la aplicación deseada.

En la fotodetección, la luz incide sobre un material semiconductor que, a causa de la separación energética entre las bandas de valencia y de conducción, convertirá la energía luminosa en energía eléctrica.

    • Velocidad de respuesta y eficiencia cuántica.

Cuando hablamos del diodo PIN, vimos que los fotoelectrones se mueven a través de la capa e deplexión a una velocidad media e desplazamiento provocada por la tensión aplicada. El tiempo de tránsito correspondiente limita la velocidad de respuesta, y en consecuencia el ancho de banda, del dispositivo. Si la capa de deplexión es estrecha puede conseguirse un tiempo de respuesta pequeño; sin embargo, la sensibilidad del dispositivo está relacionada con su eficiencia cuántica, y dicha eficiencia se hace mayor al incrementar la anchura de la zona de deplexión, por lo que existe un conflicto entre estos dos parámetros. En los detectores de Si la anchura de la capa de deplexión es aproximadamente de 50 micrometros y el tiempo de respuesta es del orden de 50 ns, mientras que en los de GaAs (arseniuro de galio) la capa de deplexión puede ser mucho más estrecha (dado que el coeficiente de absorción de fotones en el GaAs es mayor que el del Si), por lo que tienen un tiempo de respuesta mucho más rápido: de unos 40 ps. Si la capa de deplexión es muy estrecha, los fotoelectrones pueden inducirse en la región circundante de difusión y, antes de ser arrastrados a través de la capa de deplexión, tendrán que propagarse dese icha región de difusión, con la reducción consiguiente en la velocidad de respuesta.

    • Fiabilidad.

Los detectores de Si se han fabricado durante muchos años para ser utilizados en el intervalo de longitudes de onda que van de 0,8 a 0,9 micrometros, y las mejoras en la configuración y en las técnicas de producción utilizadas han hecho posible la aparición en el mercado de dispositivos con vidas útiles proyectadas de muchos años, por lo que fácilmente pueden conseguirse dispositivos de alta fiabilidad. En los dispositivos de GaAs, que son utilizados para longitudes de onda de 1,3 micrometros, la experiencia es más limitada, aunque se prevén de nuevo largas vidas útiles. La razón que limita al Si a la región de las longitudes de onda más cortas es que su salto energético (banda prohibida) es de 1,1 eV, y la energía de los fotones con longitudes de onda superiores a unas 1,1 micrometros tienen una energía inferior a dicho salto. A longitudes de onda de 1,3 micrometros, que se están haciendo cada vez más atractivas dado el desarrollo de guías con muy bajas pérdidas para dicho valor, el Ge tiene una alta sensibilidad aunque, dado que los coeficientes de ionización de los electrones y de los huecos son casi iguales, el nivel de ruido es alto cuando se compara con el que se puede conseguir con el GaAs, el InP (fosfuro de Indio) o algunos compuestos más complejos tales como el InGaAs (arseniuro de galio e Indio).

    • Ruido.

Las fuentes de ruido de los dispositivos PIN y FDA son bien conocidas.

En los diodos PIN el ruido está generado por:

      • fluctuaciones aleatorias de la propia fotocorriente,

      • radiación de fondo generada por otras fuentes de luz distintas a la deseada, y

      • corriente generada por el dispositivo en ausencia de luz, esto es: la corriente de oscuridad.

El ruido producido por los dos últimos puntos, puede hacerse extremadamente pequeño en los dispositivos de Si, quedando el ruido de impacto (el primero).

En los FDA existe otra fuente de ruido:

      • la debida a la aleatoriedad del proceso de ganancia.

Dicho proceso amplifica el ruido de impacto.

La elección entre un diodo PIN y un FDA dependerá de las prioridades concedidas a la sensibilidad y a la relación señal/ruido, así como a las restricciones del funcionamiento.

Un FDA puede ser mucho más sensible que un PIN si su ganancia media interna es alta; sin embargo, el ruido de impacto en algunos dispositivos se incrementa mucho más rápidamente que la ganancia.

En la práctica, en aquellas aplicaciones en las que se necesita una buena relación señal/ruido, se utilizan los diodos PIN; pero si se concede más importancia a la sensibilidad, sería más apropiado un FDA.

Comparados con los diodos PIN, los dispositivos de avalancha tienen unas condiciones de funcionamiento menos atractivas: necesitan una tensión mucho mayor, posiblemente del orden de varios cientos de voltios, y son sensibles a las variaciones de temperatura, lo que significa que se precisa una circuitería más complicada para que puedan compensarse los posibles cambios de la temperatura.

  • Fotodiodos PIN.

Este diodo consta de unas secciones p y n altamente "dopadas" separadas por una capa de bajo nivel de impurezas (capa intrínseca), tal y como queda mostrado en la figura 2.7.

'Fibra óptica'

Figura 2.7.

En las zonas fronterizas p - i y n- i se produce una deflexión que se extiende a toda la zona intrínseca donde se neutralizan los portadores mayoritarios quedando cargas negativas en p y positivas en n, con lo cual se reproduce la anterior situación de la unión p-n con la ventaja, entre otras, de que la zona intrínseca es aquí mucho más ancha y puede recibir mucha más luz y producir mayor intensidad de corriente.

Se fabrican de Si y Ge dopados p y n, y también de cristales mixtos. Tanto los PIN como los fotodiodos no polarizados exteriormente, se emplean como células solares para transformar la radiación solar en corriente eléctrica, y en los satélites artificiales para suministrar alimentación eléctrica a todos sus dispositivos.

  • Fotodiodos de avalancha (APD).

Son detectores p - n que se alimentan en sentido inverso a altos voltajes ( entre 40 y 400 voltios), frente a los PIN que operan a 8 o 10 voltios, y producen un gran efecto multiplicador debido a que los electrones fuertemente acelerados producen por choque con los átomos del material nuevos electrones libres que a su vez multiplican el efecto. Un solo electrón acelerado puede dar lugar a 100 electrones secundarios por efecto de avalancha o cascada. Las respuestas en los fotodiodos ordinarios p - n son corrientes eléctricas entre 0,5 y 0,8 amperios/vatio, y en los de avalancha entre 25 y 100 A/W.

El FDA es más sensible que el diodo PIN, pero su nivel de ruido también es mayor.

Mecanismos de pérdidas.

La atenuación de la señal conforme se propaga a lo largo de la fibra está provocada por varios factores, fundamentalmente absorción, dispersión y radiación; cada uno de ellos es importante, pero conforme han ido mejorando los métodos de producción de fibras y se han optimizado los límites en sus condiciones de funcionamiento, la atenuación ha quedado determinada, finalmente, por las pérdidas por dispersión (scattering).

    • Absorción.

Los elementos contaminantes del vidrio, particularmente los metales de transición (V,CR, Mn, Fe, Co, Ni), tienen electrones con niveles energéticos que absorven energía de la luz incidente. La cantidad de energía absorbida depende de la concentración de los átomos que constituyen las impurezas. Teniendo cuidado en el proceso de fabricación del vidrio y en el estiramiento de la fibra, la concentración de estas impurezas puede reducirse a una parte por billón, y a estos niveles las pérdidas son prácticamente nulas.

La absorción producida por los metales de transición no depende mucho de la frecuencia, por lo que no resulta fácilmente evitable mediante una elección adecuada de la longitud de onda de la fuente de luz.

El otro mecanismo fundamental de absorción es el debido a la presencia de agua. El ion hidroxilo OH- absorbe gran cantidad de energía a 2,8 micrometros, existiendo picos de absorción menos intensos, aunque aún bastante pronunciados, a longitudes de onda que son casi armónicos directos del valor anterior: 1,4 micrometros; 0,97 micrometros y 0,75 micrometros.

Los dos mecanismos de absorción examinados son, en realidad, factores complicados que dependen de la composición del vidrio y del método de obtención de la fibra.

    • Dispersión.

Las ligeras variaciones en las formas atómicas, que ocurren a distancias muy pequeñas comparadas con una longitud de onda, esparcen o dispersan la luz por el clásico mecanismo de Rayleigh, que es el que en la atmósfera proporciona el color azul al cielo.

También pueden ocurrir otros tipos de dispersión como la dispersión de Mie, que es debida a variaciones en la estructura del vidrio que ocurren a intervalos del orden de la longitud de onda, y la dispersión de la propia guía de onda provocada por fluctuaciones en la geometría del núcleo en función de la distancia.

Si las fibras se fabrican con precauciones adecuadas, estas pérdidas pueden reducirse hasta que resulten insignificantes.

    • Radiación de curvaturas.

En las curvas y codos de la fibra se radia energía en una cantidad generalmente pequeña, que está determinada por el radio de curvatura.

El mecanismo que provoca la radiación resulta del hecho de que el diagrama de campo de la onda guiada penetra en el revestimiento. En una curvatura, el campo en su exterior tiene que viajar más rápidamente que en el interior para mantener la relación de fases en el modo. A cierta distancia del eje de la fibra, la velocidad de la onda alcanzará la velocidad de la luz, con lo que la energía a radios mayores deberá radiarse. Conforme disminuye el radio de curvatura, también disminuye el radio al cual comienza la radiación, acercándose al eje de la fibra. En el radio crítico se pierde la mitad de la luz que circula por la fibra. Para muchos materiales la curvatura crítica es muy pequeña, y, a veces, inferior al límite impuesto por las tensiones mecánicas debidas a la propia curvatura.

  • Modelos de propagación en F.O.

Los tres tipos básicos de F.O. utilizados en la actualidad son :

    • Fibra monomodo de índice escalonado.

    • Fibra multimodo de índice escalonado.

    • Fibra de índice escalonado.

'Fibra óptica'

'Fibra óptica'

Figura 2.6.

  • Fibra monomodo de índice escalonado.

El comportamiento físico de esta fibra recuerda al de una guiaonda circular de microondas. Ello se debe a que el diámetro del núcleo es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda de la radiación emitida dentro de él. El número de modos que puede soportar una fibra de índice escalonado disminuye drásticamente al reducirse el diámetro hasta llegar a la unidad. De aquí proviene el nombre de esta fibra.

La fibra monomodo de índice escalonado se compone de un núcleo de vidrio de base silícea alrededor del cual se dispone un revestimiento de vidrio, también de base silícea, de más de 30 micrometros de espesor. (El revestimiento debe ser grueso, no sólo por razones mecánicas sino también para soportar parte de la propagación de energía.). Aunque frágil, difícil de alinear, empalmar y conectar, constituye el mejor "corredor de grandes distancias" para comunicaciones de alta anchura de banda.

  • Fibra multimodo de índice escalonado.

En este caso, se recubre un núcleo de vidrio relativamente espeso y muy homogéneo con un revestimiento de 5 a 50 micrometros (vidrio o plástico). Se caracteriza por un gran diámetro del núcleo, hecho que hace que el acoplamiento de luz fuera y dentro de la fibra sea relativamente sencillo; algo similar sucede con el empalme y la conexión. La fibra posee una razonablemente buena resistencia mecánica. La contrapartida negativa es la desventaja de las limitaciones de la anchura de banda.

  • Fibra de índice graduado.

Esta técnica constituye un avance fascinante. Su mecanismo se base en el mismo fenómeno físico que provoca la aparición de espejismos ante los viajeros del desierto. Cuando el índice de refracción de un medio transparente varía poco a poco, la luz se desplaza en trayectorias curvas.

En fibras de índice graduado, se introduce intencionadamente una reducción gradual del índice de refracción en el núcleo de vidrio.

El efecto de dispersión puede ser minimizado, y eliminado.

El índice gradual cambia las trayectorias seguidas por las ondas que se propagan por la fibra. Desde el punto de vista de la óptica geométrica, la trayectoria tiene una forma sinusoidal, el la que la luz viaja más rápidamente junto a la superficie de separación núcleo/revestimiento que junto al centro de la guía, donde el índice de refracción es máximo.