Fibra óptica

Física II Fibra Óptica

Alejandro Vigil Juárez, Alberto Aguilar Espinosa
Universidad Cristóbal Colón

Fibra óptica
Qué es?
La fibra óptica es un medio de transmisión por el que se envían pulsos de luz. Consta de un núcleo por el que viajan dichos pulsos, un revestimiento que refleja los mismos de nuevo al núcleo y una capa protectora de que protege a ambos dela humedad y el medio ambiente. Es muy usado actualmente para la transmisión de datos (representados por los pulsos de luz).
Cómo funciona?
Los principios básicos de funcionamiento se justifican aplicando las leyes de la óptica geométrica, principalmente, la ley de la refracción (principio de reflexión interna total) y la ley de Snell.
Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo dela fibra un haz de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando. Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al ángulo limite.
Para comprender mejor como sucede esto es necesario conocer los principios de la refracción internar total.Reflexión interna total
Se denomina reflexión interna total al fenómeno que se produce cuando un rayo de luz, atravesando un medio de índice de refracción n más grande que el índice de refracción en el que este se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente.
Este fenómeno solo se produce para ángulos de incidenciasuperiores a un cierto valor crítico, θc. Para ángulos mayores la luz deja de atravesar la superficie y es reflejada internamente de manera total. La reflexión interna total solamente ocurre en rayos viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción.
La reflexión interna total se utiliza en fibra óptica para conducir la luz a través de la fibra sin pérdidas deenergía.

El ángulo crítico viene dado por:
,

donde n1 y n2 son los índices de refracción de los medios con n2 < n1. Esta ecuación es una simple aplicación de la ley de Snell donde el ángulo de refracción es 90°.
Un rayo de luz propagándose en un medio con índice de refracción n1 incidiendo con un ángulo θ1 sobre una superficie Ssobre un medio de índice n2 con n1 >n2 puede reflejarsetotalmente en el interior del medio de mayor índice de refracción. Este fenómeno se conoce como reflexión interna total o ángulo límite y se produce para ángulos de incidencia mayores que un valor crítico cuyo valor es:

En la ley de Snell:

si n1>n2 , entonces θ1> θ2 . Eso significa que cuando θ1 aumenta, θ2 llega a radianes (90°) antes que θ1 . el rayo refractado (o transmitido) saleparalelo a la frontera. Si θ1 aumenta aún más, como θ2 no puede ser mayor que , no hay transmisión al otro medio y la luz se refleja totalmente.
La reflexión es realmente total (100%) y sin pérdidas. Es decir, mejor que los espejos metálicos (plata, aluminio) que solo reflejan 96% de la potencia luminosa incidente.
Tipos
Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en elinterior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo.

Fibra multimodo
Una fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modo o camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodose usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km; es simple de diseñar y económico.
Su distancia máxima es de 2 km y usan diodos láser de baja intensidad.
El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene...