Diego Andrés Roa Perdomo Sergio Alejandro Mesa Rocha

Antenas & Fibra Óptica Edicion # 1

25 de Mayo del 2011

INTRODUCCION

Las antenas son dispositivos eléctricos que acoplan ondas electromagnéticas en el espacio libre con un receptor o transmisor conectado a ellas. Las antenas de recepción interceptan las ondas del espacio y transforman su potencia electromagnética en pequeñas corrientes que el receptor puede luego amplificar. Las transmisores producen grandes corrientes a que se aplican a los terminales de la antena para q esta los convierta en ondas electromagnéticas que se radian al espacio. Las antenas son usadas en una amplia variedad de aplicaciones, algunos ejemplos son la radio, televisión, radios comunicadores, internet, telefonía móvil, radares, satélites, etc.

Las antenas consisten principalmente de estructuras formadas por conductores metálicos con ciertas características físicas que determinan su funcionamiento, posee terminales que se conectan usualmente con el receptor o transmisor. La corriente a través de la estructura metálica induce campos electromagnéticos de acuerdo con la Ley de Ampere, o el campo magnético alterno debido a un transmisor lejano induce un voltaje entre los terminales de la antena de acuerdo con la Ley de Faraday, los terminales de esta antena se conectan al receptor.

HISTORIA

Primeros Experimentos y teorías En 1750 Benjamín Franklin, con su famoso experimento de la cometa estableció la ley de conservación de la carga y determino q debían haber cargas positivas y negativas.

En 1780 Charles Agustin de Coulomb midió fuerzas eléctricas y magnéticas utilizando una balanza de torsión que el mismo invento.

En 1800 Alessandro Volta invento la pila, en 1819 Hans Cristian Oersted encontró que el hilo por el que circulaba corriente hacia que se desviase una aguja imantada, demostrando q la electricidad podía producir magnetismo. Antes se consideraban fenómenos independientes.

En 1820 Andre Marie Ampere, amplió la observación d Oersted, invento una bobina, consiguiendo la magnetización. Casi simultáneamente George Simon Ohm publico su ley que relacionaba la corriente la tensión y la resistencia.

En 1831 Michael Faraday demostró que un campo magnético variable podía producir una corriente eléctrica, utilizando para ello un imán en movimiento y viendo la corriente inducida en un hilo próximo.

Los experimentos de Faraday permitieron a James Clerk Maxwell, profesor de la universidad de Cambridge en Gran Bretaña, establecer la independencia de la electricidad y el magnetismo

en 1873. En su “A Treatise on Electricity an Magnetism” publico la primera teoría unificada electromagnética. Postulo que la luz era de naturaleza electromagnética y que era posible su radiación a otras longitudes de onda.

A pesar de que las ecuaciones de Maxwell tenían una gran importancia y que con las condiciones de frontera forman los fundamentos de la actual teoría electromagnética, muchos científicos de la época fueron escépticos sobre dichas teorías. Habría que esperar a los experimentos de Hertz para demostrarlas. Desarrollo de las antenas con experimentos de radio

En 1842, Joseph Henrry, inventor de la telegrafía de Hilos, demostró que con un circuito de descarga podía magnetizar agujas situadas en el sótano, 2 pisos más abajo. Utilizando un hilo vertical detecto rayos a una distancia de 12 Km.

En 1875 Edison descubrió q las chispas de los interruptores eléctricos producían radiaciones, en 1885 patento un sistema de comunicaciones utilizando antenas monopolo con carga capacitiva.

En 1887 H.Hertz probo la validez de la teoría de Maxwell. Para su

experimento Hertz utilizo un dipolo alimentado en su centro con las descargas de una bobina. Como antena receptora utilizo una espira cuadrada con un entrehierro en el que se producían descargas. Hertz consiguió sintonizar el sistema añadiendo esferas a los brazos del dipolo, equivalentes a carga capacitiva y bobina serie y condensadores paralelos a la espira receptora.

El físico francés Edouard Branly construyo en 1891 el primer receptor de ondas electromagnéticas al que determino cohesor. Consistía en un tubo lleno de limaduras de hierro conectado a una pila y un galvanómetro.

En 1894, una conferencia dada por Lodge en la Royal Institution, tuvo una gran difusión e influencio los futuros desarrollos de Marconi y Popoff.

En 1897 Oliver J. Lodge patenta una serie de importantes avances: Los dipolos bicónicos, las cargas inductivas y la sintonía con circuitos resonantes.

Las agrupaciones de antenas fueron propuestas en 1889 por Sydney George Brown y James Erskine-Murray, aunque los primeros experimentos no se produjeron hasta 7 años después.

Las antenas de microondas, como reflectores parabólicos, lentes, bocinas y guías de onda ya se usaron antes de 1900.

Marconi consiguió establecer una comunicación entre antenas parabólicas en 1895.

Invención de la ranra resonente. En 1939 A.D. Blumlein patento un cilindro ranurado excitado por una espira o bien mediante la conexión directa de una línea bifilar a los extremos de la ranura. La polarización era perpendicular a la dimensión mayor de la ranura. Se propuso una agrupación lineal de ranuras. También se descubrieron los efectos de la carga inductiva serie y capacitiva paralelo.

Hubo avances en las tecnologías de radar y radioastronomía

La segunda guerra mundial supuso un esfuerzo considerable en el desarrollo de todas las tecnologías asociadas a las comunicaciones y a los sistemas de radar. Las investigaciones realizadas sentaron las bases para los desarrollos futuros de sistemas de aplicación civil.

Durante esta época se utilizaron las guias de

onda abiertas para alimentar teflectores o lentes, y las bocinas como radiadores poco directivos. También se desarrollaron las bocinas con dos modos para controlar la distribución de campos de apertura.

Se inventaron las antenas “pillbox”, se diseñaron arrays de guias ranuradas.

En el periodo de la postguerra y la década de los 50 se desarrollo la antena de hélice. Se aplico la construcción de un radiotelescopio. Uno de los avances mas significativos de la época lo constituyo el desarrollo de antenas independientes de la frecuencia y de banda ancha. Se crearon antenas en espiral planas y conicas y antenas con características logoperiodicas.

Los inicios de la televisión se remontan a los experimentos de John L. Baird a finales de la década de los 20. Los avances en la segunda guerra mundial permiten que se desarrollen los sistemas para el control de tráfico aéreo.

Después de la segunda guerra mundial resurgió la radioastronommia. Se construyeron grandes instalaciones de observación.

Telecomunicación Espacial: Arthur Clarke, el autor de 2001, una odisea en el espacio propuso en 1945 la utilización de los satélites geoestacionarios para los sistemas de comunicaciones de cobertura mundial. Clarke indico que un satélite en orbita circular ecuatorial de radio 42.242 km tendría una velocidad angular igual a la de la tierra, y por lo tanto se veria desde la tierra siempre en la misma posición. Un satélite cubriría casi un hemisferio y con tres satélites espaciados 120 grados se tendría una cobertura mundial.

Entre los avances recientes se encuentra el uso de ordenadores para los cálculos, la transformada rápida de Fourier (FFT), Teoría Geométrica de la Difracción (GTD), Espectro Angular de Ondas Planas (PWS), Método de los Momentos, arrays de barrido de fase y desarrollo en las tecnologías de comunicación espacial.

PARAMETROS DE UNA ANTENA Diagrama de radiación o Patrón de radiación

El diagrama de radiación de una antena es la representación gráfica de sus propiedades de radiación en las distintas direcciones del espacio. Lo habitual es representar el campo eléctrico en coordenadas esféricas, con la

antena situada en el origen de coordenadas y tomando como referencia el valor máximo de la magnitud. El resto serán valores relativos a él.

Diagrama de radiacion

Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son:

Los parámetros más importantes del diagrama de radiación son los siguientes: 1) Dirección de apuntamiento: Es la de máxima radiación. 2) Lóbulo principal: Es el margen angular en torno a la dirección de máxima radiación. Está comprendido entre dos mínimos relativos. 3) Lóbulos secundarios: Son el resto de máximos relativos, de valor inferior al principal. 4) Ancho de haz: Es el margen angular de direcciones en las que el diagrama de radiación de un haz toma el valor de la mitad del máximo (3dB). 5) Relación de lóbulo principal a secundario (SLL): Es el cociente en dB entre el valor máximo del lóbulo principal y el valor máximo del lóbulo secundario. 6) Relación delante-atrás (FBR): Es el cociente en dB entre el valor de máxima radiación y el de la misma dirección y sentido opuesto.

Ancho de banda

Es el margen de frecuencias en el cual los parámetros de la antena cumplen unas determinadas características. Se puede definir un ancho de banda de impedancia, de polarización, de ganancia o de otros parámetros.

Directividad

La Directividad (D) de una antena se define como la relación entre la intensidad de radiación de una antena en la dirección del máximo y la intensidad de radiación de una antena isotrópica que radia con la misma potencia total.

D = U(max) / U(iso)

La Directividad no tiene unidades y se suele expresar en unidades logarítmicas (dBi) como:

D = 10 * log(U(max) / U(iso))dBi

Ganancia

Se define como la ganancia de potencia en la dirección de máxima radiación. La Ganancia (G) se produce por el efecto de la directividad al concentrarse la potencia en las zonas indicadas en el diagrama de radiación.

G = 10log[4pi * U(max) / P(in)]

La unidad de Ganancia (G) de una antena es el dBd o dBi, dependiendo si esta se define respecto a un dipolo de media onda o a la isotrópica.

Eficiencia

Relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la antena.

También se puede definir como la relación entre ganancia y directividad.

e = P(r) / P(in) = G / D

El parámetro e (eficiencia) es adimensional

Impedancia de entrada

Es la impedancia de la antena en sus terminales. Es la relación entre la tensión y la corriente de entrada. . La impedancia es un número complejo. La parte real de la impedancia se denomina Resistencia de Antena y la parte imaginaria es la Reactancia. La resistencia de antena es la suma de la resistencia de radiación y la resistencia de pérdidas. Las antenas se denominan resonantes cuando se anula su reactancia de entrada.

Anchura de haz

Es un parámetro de radiación, ligado al diagrama de radiación. Se puede definir el ancho de haz a -3dB, que es el intervalo angular en el que la densidad de potencia radiada es igual a la mitad de la potencia máxima (en la dirección principal de radiación). También se puede definir el ancho de haz entre ceros, que es el intervalo angular del haz principal del diagrama de radiación, entre los dos ceros adyacentes al máximo.

Polarización

Las antenas crean campos electromagnéticos radiados. Se define la polarización electromagnética en una determinada dirección, como la figura geométrica que traza el extremo del vector campo eléctrico a una cierta distancia de la antena, al variar el tiempo. La polarización puede ser lineal,

circular y elíptica. La polarización lineal puede tomar distintas orientaciones (horizontal, vertical, +45º, -45º). Las polarizaciones circular o elíptica pueden ser a derechas o izquierdas (dextrógiras o levógiras), según el sentido de giro del campo (observado alejándose desde la antena).

En el marco de antenas se define un coeficiente de desacoplo por polarización. Este mide la cantidad de potencia que es capaz de recibir una antena polarizada de una forma con una longitud

efectiva de un campo eléctrico incidente

con una determinada polarización . De este modo, el coeficiente de desacoplo por polarización se define como:

De esta manera, obtenemos la fracción de potencia que finalmente la antena es capaz de recibir, multiplicando la potencia incidente en la antena por este coeficiente definido anteriormente, de la forma:

Se llama diagrama copolar al diagrama de radiación con la polarización deseada y diagrama contrapolar (crosspolar, en inglés) al diagrama de radiación con la polarización contraria.

Relación Delante/Atrás

Este parámetro se define como la relación existente entre la máxima potencia radiada en una dirección geométrica y la potencia radiada en la dirección opuesta a esta.

Cuando esta relación es reflejada en una gráfico con escala en dB, el ratio F/B (Front/Back) es la diferencia en dB entre el nivel de la máxima radiacción y el nivel de radiacción a 180 grados. Este parámetro es

especialmente útil cuando la interferencia hacia atrás es crítica en la elección de la antena que vamos a utilizar.

Esta relación, además lo podemos ver desde otro punto de vista, indicando lo buena que es la antena en el rechazo de las señales provenientes de la parte trasera. Rara vez es verdaderamente importante, ya que la interferencias por la parte trasera no ocurren habitualmente, pero puede suceder.

La relación F / B no es un número muy útil, ya que a menudo varía enormemente de un canal a otro. Por supuesto, si se tiene el patrón de radiación, entonces no se necesita la relación F/B.

Resistencia de radiación

Cuando se le suministra potencia a una antena, parte de ella se irradia y otra parte, se convierte en calor disipándose.Cuando se habla de resistencia de radiación, se hace teniendo en cuenta que no se puede medir de forma directa.

Si se reemplaza la antena por la resistencia de radiación, esta, haría su trabajo, es decir, disiparía la misma cantidad de potencia que la irradiaría la antena.La resistencia de radiación es igual a la relación de la potencia radiada por la antena al cuadrado de la corriente en su punto de alimentación.

Siendo:

Rr= Resistencia de radiación (Ohms) P = Potencia radiada por la antena (Watts) i = Corriente de la antena en el punto de alimentación (Amperes)

Se podría obtener la eficiencia de una antena, dada que es la relación de la potencia radiada y la potencia disipada.

CLASIFICACION DE LAS ANTENAS Antenas de hilo

Las antenas de hilo son antenas cuyos elementos radiantes son conductores de hilo que tienen una sección despreciable respecto a la longitud de onda de trabajo. Las dimensiones suelen ser como máximo de una longitud de onda. Se utilizan extensamente en las bandas de MF, HF, VHF y UHF. Se pueden encontrar agrupaciones de antenas de hilo. Ejemplos de antenas de hilo son:

El monopolo vertical El dipolo y su evolución, la antena Yagi La antena espira La antena helicoidal es un tipo especial

de antena que se usa principalmente en VHF y UHF. Un conductor describe una hélice, consiguiendo así una polarización circular.

Las antenas de hilo se analizan a partir de las corrientes eléctricas de los conductores.

Antenas de apertura

La antenas de apertura son aquellas que utilizan superficies o aperturas para direccionar el haz electromagnético de forma que concentran la emisión y recepción de su sistema radiante en una dirección. La más conocida y utilizada es la antena parabólica, tanto en enlaces de radio terrestres como de satélite. La ganancia de dichas antenas está relacionada con la superficie de la parábola, a mayor tamaño mayor colimación del haz tendremos y por lo tanto mayor directividad.

El elemento radiante es el alimentador, el cual puede iluminar de forma directa a la parábola o en forma indirecta mediante un subreflector. El alimentador está generalmente ubicado en el foco de la parábola. El alimentador, en sí mismo, también es una antena de apertura (se denominan antenas de bocina) que puede

utilizarse sin reflector, cuando el objetivo es una cobertura más amplia (e.g. cuando se pretende cubrir la totalidad de la superficie de la tierra desde un satélite en órbita geoestacionaria).

Se puede calcular la directividad de este cierto tipo de antenas, , con la siguiente expresión, donde es el área y es la longitud de onda:

Reflectores Parabolicos

Hay varios tipos de antenas de apertura, como la antena de bocina, la antena parabólica, la antena parabólica del Radar Doppler y superficies reflectoras en general.

Antenas planas

Un tipo particular de antena plana son las antenas de apertura sintética, típicas de los radares de apertura sintética (SAR).

Antenas de Array

Antena de Array

Las antenas de array están formadas por un conjunto de dos o más antenas idénticas distribuidas y ordenadas de tal forma que en su conjunto se comportan como una única antena con un diagrama de radiación propio.

La característica principal de los arrays de antenas es que su diagrama de radiación es modificable, pudiendo adaptarlo a diferentes aplicaciones/necesidades. Esto se consigue controlando de manera individual la amplitud y fase de la señal que alimenta a cada uno de los elementos del array.

A nivel de aplicación los arrays de antenas se utilizan para la construcción de antenas inteligentes.

Una definición básica de un sistema de antenas inteligentes es cualquier configuración adaptativa de múltiples antenas que mejoran el rendimiento de un sistema de comunicaciones inalámbricas.

Las características de las antenas inteligentes con unos haces de radiación con una mayor directividad (es decir, mayor ganancia y mayor selectividad angular), proporcionan múltiples ventajas:

Incremento de la zona de cobertura: Dado que la ganancia es mayor que en el caso de antenas omnidireccionales o sectorizadas.

Reducción de la potencia de transmisión: La mayor ganancia de la antena permite incrementar la sensibilidad.

Reducción del nivel de interferencia: La mejor selectividad espacial de la antena permitirá al receptor discriminar las señales de usuarios interferentes a favor de la señal del usuario deseado. Incluso

se pueden utilizar antenas inteligentes con configuración antena principal y secundarias donde las secundarias anulan las interferencias.

Reducción de la propagación multitrayecto: Debido a la menor dispersión angular de la potencia radiada, se reduce el número de trayectorias que debe seguir la señal antes de llegar al receptor.

Mejora de la seguridad: Gracias a que la transmisión es direccional, hay una probabilidad muy baja de que un equipo ajeno intercepte la comunicación.

Introducción de nuevos servicios: Al poder identificar la posición de usuarios se puede aplicar a radiolocalización, tarificación geográfica, publicidad en servicios cercanos.

Historia En la época de 1790, las personas trataban de buscar nuevas formas de transmitir información, entre ellas estaba el uso de la luz solar, por medio de espejos se usaba la reflexión de la luz como forma de transmisión de información, esto se podía lograr cada 16 minutos en un rango de 200km. Claude Chappe fue la persona encargada de crear este medio de transmisión, enviando información desde Paris hasta Lille. Gracias a esto Claude se convirtió en el magnate de las comunicaciones y dio un nuevo paso en la tecnología dándoles la oportunidad a los países de estar informados de manera más instantánea que con cartas enviadas por tierra. Inicialmente la mejor forma de transmitir información de un lado al otro era por medio de rayo laser, el problema de este era que no tenía un largo alcance y no tenía un conducto por donde transportarlo, por esta razón tenía muchas pérdidas de información, es decir, luz. En 1820 se dio un avance del sistema del laser, donde Agustin-Jean Fresnel tenía las ecuaciones de cómo trasmitir la luz por medio de un cristal liso, fue mucho después que esta idea se amplió gracias a D. Hondros y Peter Debye en 1910, quienes sacaron los famosos cables de vidrio. Antes de este avance, por los años de 1870 el físico John Tyndall descubrió que este laser podía viajar por medio reflexión interna en el agua, según este principio se dio varias aplicaciones como la iluminación de fuentes en la ciudad. Basado en esto J. L. Baird implemento barras de vidrio en las cuales también se daba propagación de la luz de una manera más eficaz, de igual forma siempre hubo grandes pérdidas de luz y no había sistemas de acoplamiento óptico. Fue ya en 1952 cuando se creó la fibra óptica gracias a Narinder Singh Kapany. La primera aplicación de la fibra óptica de esta época fue la endoscopia, pues era

posible transmitir imágenes por medio de ella, el problema de esta fibra del tamaño de un pelo era que después de 9 metros perdía el 99% de su intensidad. Para evitar estas pérdidas de intensidad Charles K. Kao dijo que las máximas perdidas debían ser de 20dB/km y con una banda pasante de 1GHz por kilometro, y asi finalmente se pudo remplazar los cables coaxiales y dejar todo en forma de fibra óptica. Esto último ya dio fin a una buena investigación en comunicaciones, ya con las bases de la fibra óptica solo quedaba optimizarla, hacerla cada vez más eficiente, hoy en día se tienen atenuaciones de 1dB/km que es mucho menos que las pérdidas que tenía un cable coaxial. Se fue modificando la fibra óptica haciendo uso de varios elementos, como impurezas de titanio en sílice, laser semiconductor y muchas más formas de fibra óptica. La mejor fibra hasta la época fue implementada en la época de 1977 cuando la empresa General Telephone Electronics envio la primera transmisión telefónica usando fibra óptica en Long Beach, California. Para mejorar las aplicaciones de la fibra óptica David Payne creó el amplificador óptico, esto redujo los costos de la fibra óptica pues con el uso del amplificador se podía llegar a distancias mucho más lejanas y a un menor precio, lo bueno de este amplificador es que amplifica la luz directamente de la fuente, es decir, no necesita transformar la señal lumínica en eléctrica para hacerlo, solo consta de fibra óptica dopada. Este dopaje se hace colocando impurezas a un material semiconductor supremamente puro.

Amplificador Óptico

Siguiendo el desarrollo de los cables de fibra óptica, se llego a recorrer más de 400,000 km solo en los Estados Unidos, para poderlo comparar, la circunferencia del planeta tierra solo mide de 40,000 a 45,000 km. Hoy en día ya hay cables intercontinentales que van por la profundidad del mar y no tienen ninguna desventaja debido al agua. ¿Qué es? Es un medio de transmisión de información como lo es el cable coaxial, a diferencia de este último la fibra óptica funciona con luz, es una hebra de vidrio que se crea con sílice o arena, materia prima que es muy abundante en el planeta. Tiene varias aplicaciones gracias a su largo alcance y a su gran ancho de banda. La fibra óptica es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. El grosor del filamento es comparable al grosor de un cabello humano, es decir, aproximadamente de 0,1 mm. En cada filamento de fibra óptica podemos encontrar 3 componentes:

La fuente de luz: LED o laser. el medio transmisor: fibra óptica. el detector de luz: fotodiodo.

Un cable de fibra óptica está compuesto por: Núcleo Manto Recubrimiento Tensores Chaqueta El sistema de transmisión de información funciona por medio de bits, los cuales se dan por el parpadeo del laser en la fuente de la fibra. Convencionalmente, un pulso de luz indica un bit 1 y la ausencia de luz indica un bit 0. El detector genera un pulso eléctrico cuando la luz incide en él. Éste sistema de transmisión tendría fugas de luz y sería inútil en la práctica excepto por un principio interesante de la física. Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, el rayo se refracta (se dobla)

entre las fronteras de los medios, el grado de refracción depende de las propiedades de los dos medios (en particular, de sus índices de refracción). Para ángulos de incidencia por encima de cierto valor crítico, la luz se refracta de regreso; ninguna función escapa hacia el otro medio, de esta forma el rayo queda atrapado dentro de la fibra y se puede propagar por muchos kilómetros virtualmente sin pérdidas, a esto se le conoce como reflexión total interna.

Fibra óptica

¿Cómo se hace? Existen 2 formas básicas de hacer la fibra óptica, ya después de saber que material se va a usar, vidrio o plástico, están:

Técnicas convencionales en las cuales se mantiene el material vítreo en estado fundido produciéndose así una estructura de vidrio multicapa.

Métodos de deposición en fase

vapor que permiten fabricar vidrios silicatados que no podrían procesarse en fase líquida debido a su alto punto de fusión.

Técnica de fase liquida Para poder realizar esta técnica se necesita de materiales puros, normalmente son Oxidos como SiO2, GeO2 y carbonatos como Na2CO3, K2CO3 y muchos más.

Estos materiales tienen que ser secados adecuadamente para que suelten iones OH y es así como quedan en el estado más puro y en una buena mezcla sin burbujas. Todo este proceso se realiza a una temperatura entre 900 y 1300°C y se hace en un recipiente de sílice.

Técnica de fase liquida

Una vez ya se tiene la mezcla deseada, con los índices de refracción generados en el material, este se enfría obteniendo así unos pequeños cilindros de fibra. Este método de fabricación tiene 2 desventajas a considerar, la primera es que mucha de la contaminación ambiental puede filtrarse en la mezcla y dejarla impura, la segunda desventaja es que puede haber incorporaciones del material del recipiente en la mezcla, de igual forma este último problema tiene solución, pues el material del recipiente se puede hacer de platino o también se puede usar otro método de calentamiento para evitar que el recipiente se caliente. Para este proceso solo se necesita de cilindros huecos de vidrio, los cuales serán calentados y estirados para la fabricación de la fibra, entre más rápido se estire el vidrio caliente menor será el grosor de la fibra. Así como se ve en la siguiente figura, el vidrio al

calentarse genera su propio núcleo y después se estira, es importante tener en cuenta que en este proceso no se deben dejar burbujas dentro de la fibra, pues esto dañaría cualquier tipo de información.

Estiramiento del vidrio

Técnica de fase vapor En este tipo de fabricación de la fibra se requiere de gases formantes del sílice, los cuales van a ser introducidos en el núcleo de la fibra para poder tener un buen índice de refracción y mucha transparencia para que la luz pase sin problemas, como se menciono anteriormente, estos gases finalmente se solidifican y forman el sílice, su índice de refracción depende de la cantidad del dopante que se le introduzca a la mezcla de gases. VIDEO DE LA FABRICACIÓN DE LA FIBRA OPTICA http://www.youtube.com/watch?v=E5HwR0WUaWk En el video anterior se puede observar como se hace la fibra óptica por medio del calentamiento de cilindros de vidrio huecos a los cuales se le introduce una mezcla de gases semiconductores, los cuales van a ser atrapados por el mismo vidrio y se convertirán en el núcleo de la fibra óptica, es decir los encargados de llevar la luz a largas distancias, pues la función de la cobertura de

vidrio es generar un índice de refracción específico para que se genere reflexión total interna. El grosor de la fibra depende del proceso de estiramiento, pues mientras el vidrio está caliente se debe estirar a una velocidad constante para poder obtener el grosor deseado, esto se puede ver en la siguiente figura. Estos gases pueden ser creados de diferentes formas:

Oxidación externa en fase de vapor (OVPO)

Deposición de vapor axial (VAD) Deposición química de vapor

modificada (MCVD) Deposición química activada por

plasma (PCVD) Fibras de fluoruros

Oxidación externa en fase de vapor (OVPO) Para generar los formantes de la sílice, se calienta el vidrio con una llama generada por una reacción OH, debido a esto los vapores se hidrolizan y se adhieren a la superficie del vidrio creando una capa de sílice, el tubo que queda en el interior se retira y se limpia de todas las impurezas que halla, finalmente se quita toda la porosidad de la masa del sílice y se retira el aire posible para poder ir al proceso de estiramiento.

a) Deposición del material, b) eliminación de la porosidad, c) estirado de la fibra

Deposición de vapor axial (VAD) Consiste en la deposición de los materiales de formación de la fibra en un extremo en lugar de sobre toda la superficie. La barra de material se va desplazando durante el transcurso de la deposición y sigue los mismos pasos que el proceso anterior eliminando los pasos determinados por la barra intermedia. Ahora la barra inicial crece en dirección axial y se desplaza a la velocidad de crecimiento, el perfil es controlado por la temperatura en los distintos tipos del sustrato que se fija según las condiciones de los flujos de gases. Deposición química de vapor modificada (MCVD) Consiste en la utilización de un compuesto muy volátil del Si, típicamente SiH4 que entra en contacto con oxígeno y forma el SiO2 + H2O, pero hace falta una superficie inicial donde se produzca la reacción. En el caso de la producción de fibra, esta superficie es el interior de un tubo de sílice frio, las moléculas de gas que viajan en el interior del tubo forman partículas de vidrio que se depositan en las paredes del tubo. El tubo puede ser la envoltura de la fibra o una simple estructura de soporte que no va a participar en el guiado óptico. El núcleo se va formando por capas moviendo axialmente el horno sobre el tubo contenedor, finalmente la estructura resultante que es hueca pasa por otro horno se colapsa y se forma la fibra resultante.

Proceso de MCVD

Esta es la práctica más usada en la actualidad pues se reduce la producción de agua y esto

evita que las impurezas del ambiente se eliminen casi en un 100%. Puede tener atenuaciones de 0.35dB/km y un ancho de banda de 5GHz.km. Deposición química activada por plasma (PCVD) Este proceso se deriva del anterior, la única diferencia es que en este caso se calienta mediante plasma evitando la formación de partículas que queden libres antes de su deposición sobre la película. Fibras de fluoruros Para los problemas de atenuación que han tenido las diferentes formas de producción de la fibra, se llego a la conclusión que lo mejor para poder hacer el núcleo con una atenuación muy baja son los fluoruros, exactamente los fluorozincronatos y los fluorohafnatos.

a) Deposición por capas b) Colapso del cilindro previo para obtener el cilindro preformado c) Estirado de la fibra. Tipos de fibra óptica Las fibras ópticas usadas en la actualidad se clasifican en dos categorías, las multimodo y las monomodo. Fibras Multimodo

Las fibras multimodo pueden tener más propagación en varias direcciones, es decir puede haber más rayos de luz a la vez, el problema es que no tienen un largo alcance. Fibra Monomodo

Las fibras monomodo tienen un diámetro del núcleo mas pequeño que las multimodo, por esta razón solo permite un rayo de luz, la ventaja de esta es que tiene mucho mayor alcance que una fibra multimodo. Tipos de cables contenedores de la fibra óptica Cable de estructura holgada

Este tipo de cable mantiene a las fibras en muy buena protección, pues en el centro contiene un miembro de refuerzo el cual puede ser de acero y su función es aguantar toda fuerza externa que se le genere al cable, para que esta fuerza no caiga sobre las fibras. Las fibras están contenidas en cables de caucho de 2 a 3 mm de diámetro que están rellenos de un gel que evita que las fibras estén en contacto con el agua.

Esta clase de cables se usan en aplicaciones aéreas o simplemente para mantenerlos en instalaciones exteriores. Cable de estructura ajustada

Este cable está diseñado para la instalación en el interior de edificios, casas, etc. Es más flexible que el holgado ya que tiene una protección secundaria que cubre el miembro central de tracción. Reduce mucho los costos, pues no se necesita de tantos conectores ni empalmes debido a su configuración, básicamente se podría conectar directamente al receptor. Cable blindado

Tienen tina coraza protectora o armadura de acero debajo de la cubierta de polietileno. Esto proporciona al cable una resistencia excelente al aplastamiento y propiedades de protección frente a roedores. Se usa fre-cuentemente en aplicaciones de

enterramiento directo o para instalaciones en entornos de industrias pesadas. Cable aéreo autoportante Es un cable de estructura holgada diseñado para ser utilizado en estructuras aéreas. No requiere un fijador corno soporte. Para asegurar el cable directamente a la estructura del poste se utilizan abrazaderas especiales. El cable se sitúa bajo tensión mecánica a lo largo del tendido. Cable submarino Es un cable de estructura holgada diseñado para permanecer sumergido en el agua. Actualmente muchos continentes están conectados por cables submarinos de fibra óptica transoceánicos. Cable compuesto tierra-óptico (OPGW) Es un cable de tierra que tiene fibras ópticas insertadas dentro de un tubo en el núcleo central del cable. Las fibras ópticas están completamente protegidas y rodeadas por pesados cables a tierra. Es utilizado por las compañías eléctricas para suministrar comunicaciones a lo largo de las rutas de las líneas de alta tensión. Cables híbridos Es un cable que contiene tanto fibras ópticas como pares de cobre. Cable en abanico Es un cable de estructura ajustada con un número pequeño de fibras y diseñado para una conexión directa y fácil (no se requiere un panel de conexiones). Ley de snell La ley de snell es una fórmula para calcular el ángulo de refracción de la luz cuando esta pasa de un medio a otro. La ley fue creada por el matemático holandés Willerbrord Snel Van Royen, le dieron el nombre de Snell con doble l, pues su nombre se escribía con ll.

En la siguiente figura se puede observar cómo se genera esta ley debido al índice de refracción diferente en los 2 medios.

Refracción, ley de Snell

Donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios y Ө1 y Ө2 los ángulos de incidencia del rayo y refracción respectivamente. Reflexión total interna

Reflexión total interna Este fenómeno se da cuando el índice de refracción de un medio es mucho mayor al otro, para un ángulo específico, llamado ángulo crítico Өc, se genera una reflexión total dentro del material con el índice de refracción mayor.

Para comprender bien la ecuación, es solo tener en cuenta la relación de los índices de refracción de cada elemento, pues eso es lo que genera que el ángulo del rayo incidente llegue a la frontera de los medios mucho después del ángulo del rayo reflejado. Aplicaciones La fibra óptica, por su gran rapidez de transmitir la información tiene varias aplicaciones en los diferentes campos de la industria:

Medicina Arqueología Aplicaciones militares Iluminación Telecomunicaciones Otros

En medicina En este campo son evidentes las ventajas que puede aportar el uso de la fibra óptica como ayuda a las técnicas endoscópicas clásicas y, de hecho, están siendo sustituidos los sistemas tradicionales por los modernos fibroscopios. Diversos aparatos como laringoscopios, rectoscopios, broncoscopios, vaginoscopios gastroscopios y laparoscopios, incluyen ya esta tecnología, la cual nos permite con gran precisión la exploración de cavidades internas del cuerpo humano. El gran avance en esta área, es que gracias a la rapidez de la transferencia de información los médicos pueden operar en tiempo real, pacientes que están al otro lado del planeta. En Arqueología En este campo, la fibra óptica se usa habitualmente con el fin de poseer un acceso visual a zonas que son inaccesibles mediante otros sistemas. Como en medicina también se usa un endoscopio.

Aplicaciones militares Los beneficios de esta tecnología para los militares radican fundamentalmente en la seguridad de este medio de transmisión frente a las comunicaciones por radio y cables convencionales. De este modo se reduce notablemente la necesidad de la codificación de mensajes en virtud de la seguridad anti detección inherente a las fibras. Iluminación

Árbol de navidad de fibra óptica Queda claro que lo que transporta la fibra óptica es luz, por esta razón se pueden hacer varias aplicaciones en la iluminación. Por ejemplo en las piscinas, edificios, carreteras y cómo podemos ver en la figura anterior hasta arbolitos de navidad. Telecomunicaciones Es la aplicación más importante de la fibra óptica, pues gracias a ella las comunicaciones entre países ahora es mucho más eficiente y clara, de igual forma la velocidad de transmisión es lo que interesa, pues así todo el planeta está enterado de los eventos que ocurren día a día. Con el uso del internet la fibra óptica es muy importante pues la conexión de Internet mediante fibra aparte de ser mucho más

rápida, no nos plantea un gran problema que sucede con el método convencional: caerse de la red continuamente. En telefonía la fibra nos permite una comunicación libre de interferencias, así como de posibilidad de boicoteo de la línea (tan común en las líneas de cobre). El sonido es mucho más nítido, y no hace falta, como en el resto de las telecomunicaciones por fibra el empleo de amplificadores de señal cada pocos kilómetros.

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