COEFICIENTE DE ATENUACIÓN

Bajo condiciones muy generales, la atenuación de potencia dentro de una fibra óptica se rige por [6]

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ec. 2,1

donde es el coeficiente de atenuación, indica el desplazamiento a lo largo de la fibra y es la potencia óptica. no sólo incluye la absorción de los materiales, sino también otras fuentes de atenuación de potencia. La atenuación de la señal es definida como la relación de la potencia óptica de salida de una fibra de longitud con la potencia óptica de entrada

.Si es la potencia proporcionada en la entrada de una fibra de

longitud , la potencia de salida está dada por

ec. 2,2

Se acostumbra a expresar en unidades de dB/km con la relación

ec. 2,3

La atenuación está en función de la longitud de onda, como es mostrado por la curva general de atenuación en la Figura 2.2 [7].

2 . 2 A B S O R C I Ó N

Los materiales que se emplean para fabricar las fibras ópticas tienen índices de refracción como función de la longitud de onda de la luz, y por lo tanto la velocidad de onda de los fotones es función de su longitud de onda [3].

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Figura 2.2. Gráfica de atenuación en función de la longitud de onda.

La absorción está definida por tres mecanismos diferentes

1. Absorción por defectos atómicos en la composición del vidrio 2. Absorción extrínseca por átomos impuros en el material del vidrio 3. Absorción intrínseca por la constitución básica de átomos del

material de la fibra.

Los defectos atómicos son imperfecciones de la estructura atómica del material de la fibra tales como moléculas perdidas, concentraciones de grupos de átomos de alta densidad, o defectos de oxígeno en la estructura del vidrio. Usualmente las pérdidas por absorción que surgen de estos defectos son despreciables comparadas con los efectos intrínsecos y la absorción por impurezas [7].

Las fibras ópticas están hechas de silicio fundido. La absorción intrínseca corresponde a la pérdida causada por la sílice puro y es el factor físico principal que define la ventana de transparencia de un material sobre una región espectral específica. Mientras que la absorción extrínseca está relacionada con la pérdida causada por las impurezas de iones OH y metales de transición como Fe, Cu, Co, Ni, Mn y Cr, que absorben fuertemente en el rango de longitud de onda de 0.6 – 1.6 . Su valor debería reducirse a menos de 1 parte por mil millones para obtener un nivel de pérdidas por debajo de 1 dB/km [6].

Página | 29 El factor dominante de absorción en el preparado de las fibras por el método de fusión directa es la presencia de impurezas en el material de la fibra. Los niveles de impurezas en el proceso de deposición por fase de vapor son normalmente uno o dos grados de magnitud menores. Los picos de absorción de varias impurezas de metales de transición tienden a ser generales, y algunos picos pueden traslaparse. Tales ensanchamientos se alejan de la región de absorción [7].

La presencia de impurezas de iones de OH en la fibra resulta principalmente de la flama usada para la reacción de hidrólisis de los materiales iniciales, SiCl4, GeCl4 y POCl3. La concentración de impurezas de

agua que son requeridas son menores a algunas partes por billón si la atenuación tiende a ser menor a 20 dB/km. Las fibras ópticas tempranas tenían altos niveles de iones OH los cuales resultaban en grandes picos de absorción ocurriendo en 1400, 950 y 725 nm, como se muestra en la Figura 2.2. Entre estos picos de absorción se encuentran regiones de baja atenuación.

Los picos y los valles en la curva de atenuación resultaron en la asignación

de varias “ventanas de transmisión” para las fibras ópticas más recientes. El

progreso significativo ha ido reduciendo el contenido residual de OH en las fibras por debajo de una parte por billón. Por ejemplo, la curva de pérdida de una fibra de sílice preparada por el método de VAD con un contenido menor a 0.8 ppb es mostrada en la Figura 2.3.

En la Figura 2.4 las pérdidas ultravioleta son pequeñas comparadas con las pérdidas por dispersión en la región cercana al infrarrojo.

En la región cercana al infrarrojo por encima de 1.2 μm, las pérdidas de la guía de onda óptica están determinadas predominantemente por la presencia de iones OH y la inherente absorción del infrarrojo de los materiales constituyentes. La absorción del infrarrojo está asociada con la frecuencia de vibración característica de la particular unión química entre los átomos de los cuales está compuesta la fibra. Una interacción entre la unión vibrando y el campo electromagnético de la señal óptica resulta en una transferencia de energía del campo a la unión.

Dentro de éstas, pérdidas fijas tan bajas como 0.154 dB/km en 1.55 μm han sido medidas en una fibra monomodo.

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Figura 2.3. Atenuación en una fibra con 0.8 ppb de impurezas.

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2 . 3 P É R D I D A S P O R D I S P E R S I Ó N

Las pérdidas por dispersión surgen de variaciones microscópicas en la densidad del material, de fluctuaciones composicionales y de no homogeneidades estructurales o defectos que ocurren durante la manufactura de la fibra. El vidrio está compuesto de redes moleculares conectadas aleatoriamente. Así que cada estructura naturalmente contiene partes en las cuales la densidad molecular es más alta o más baja que la densidad del vidrio. Además el vidrio está hecho de algunos óxidos como el SiO2, GeO2 y P2O5, y fluctuaciones en la composición

pueden ocurrir. Estos dos efectos dan origen a variaciones en el índice de refracción que ocurren dentro del vidrio sobre distancias que son pequeñas comparadas con la longitud de onda. Estas variaciones del índice provocan una dispersión tipo Rayleigh de la luz. La dispersión de Rayleigh en el vidrio es parecida al fenómeno cuando la luz del sol se dispersa en la atmósfera [7].

Las no homogeneidades estructurales y defectos creados durante la fabricación de la fibra pueden entonces causar dispersión de la luz fuera de la fibra. Estos defectos pueden ser de la forma de burbujas de gas atrapadas, materias primas sin reaccionar y regiones cristalizadas en el vidrio. En general los métodos de manufactura de la preforma, que han evolucionado, han minimizado estos efectos extrínsecos hasta el punto en donde la dispersión resultante de ellos es despreciable comparada con la dispersión de Rayleigh.

Combinando las pérdidas del infrarrojo, ultravioleta y dispersión tenemos el resultado mostrado en la Figura 2.5a para fibras multimodo y en la Figura 2.5b para fibras mono-modo. Las pérdidas de las fibras multimodo son generalmente más grandes que las de fibras mono-modo.