Tutorial de Comunicaciones Ópticas 
Tema I: Propagación de señales en F.O.

Pérdidas en Uniones de Fibra Óptica


1. Introducción
2. Pérdidas Intrínsecas

2.1. Uniones de Fibras Monomodo

2.2. Uniones de Fibras Multimodo

3. Pérdidas Extrínsecas

3.1. Reflexión de Fresnel

3.2. Uniones de Fibras Monomodo

3.3. Uniones de Fibras Multimodo

· Aplicación interactiva
4. Referencias

 
 

1. Introducción

    Las Fibras Ópticas tienen una longitud limitada, generalmente de hasta 2 Km. Por ello, para establecer los enlaces ópticos es necesaria su interconexión. Ésta se lleva a cabo mediante diferentes dispositivos o mecanismos. Todos ellos se engloban dentro del concepto de Uniones de Fibra Óptica. En ellas, se producen pérdidas de potencia en la señal óptica. Estas pérdidas son debidas tanto a factores intrínsecos (características de las fibras), como extrínsecos (cómo se produce la unión). En los siguientes puntos se desarrollarán todos estos factores. Para finalizar hay que reseñar que, en el caso de uniones de fibras monomodo, existe una fórmula global de la cual se extraen los diferentes casos particularizando para cada uno de ellos. La expresión general que permite el cálculo de pérdidas es la siguiente:
 

donde h es el coeficiente de acoplamiento y, como se puede observar, es igual a la relación entre la potencia que penetra en la segunda fibra (Pout) y la que sale de la primera (Pin).

    Cuando se habla de fibras monomodo la expresión global de las pérdidas es la siguiente:
 

donde h es la expresión que aparece entre corchetes. Para conocer el desglose de la misma consulte las referencias: [CO01][Pdg04].


 

2. Pérdidas Intrínsecas

    Este tipo de pérdidas son debidas a factores intrínsecos a la naturaleza de las fibras, como lo son los parámetros geométricos u ópticos de las mismas. En una unión de fibras ópticas, cualquier diferencia existente entre los mismos dará lugar a este tipo de pérdidas. Hay que hacer una diferenciación entre las uniones de fibras monomodo y las de fibras multimodo. En las primeras, estas pérdidas se engloban en las pérdidas por desajuste del radio de campo modal. En las segundas, se puede hablar de pérdidas por desajuste de la apertura numérica, por desajuste del diámetro del núcleo y por desajuste del perfil del índice de refracción del núcleo. 
 


 

2.1. Uniones de Fibras Monomodo

    En este tipo de uniones las pérdidas intrínsecas vienen determinadas por el desajuste del radio de campo modal. El radio de campo modal es un concepto asociado al de diámetro de campo modal (MFD). Éste último indica cómo se produce la distribución geométrica de la luz en el modo propagado (no olvidemos que se está hablando de fibras monomodo). Así, las diferencias entre los radio de campo modal de las fibras implicadas en la unión se traduce en pérdidas en la señal.

Diámetro de campo modal de una fibra monomodo

 

 La expresión que caracteriza estas pérdidas es la siguiente:
 

donde w1 y w2 son los radios de campo modal de las fibras transmisora y receptora.


 

2.2. Uniones de Fibras Multimodo

    En este tipo de uniones las pérdidas intrínsecas vienen determinadas por el desajuste de la apertura numérica, el desajuste del diámetro del núcleo y el desajuste del perfil del índice de refracción del núcleo de las fibras. Cualquier desavenencia entre estas magnitudes en las fibras involucradas en la unión provocará una pérdida de potencia en la señal. Las expresiones que modelan estas pérdidas se presentan a continuación:


 

3. Pérdidas Extrínsecas

    Este tipo de pérdidas son debidas a factores extrínsecos a la naturaleza de las fibras, como lo son aquellos que vienen determinados por el estado en que se produzca la unión; se está haciendo referencia al medio existente entre las fibras, a su separación y a las desviaciones laterales y angulares entre los ejes de las mismas. En primer lugar se hablará de las pérdidas por reflexión de Fresnel que toman la misma expresión independientemente del tipo de fibra involucrada en la unión.

Fenómeno de la reflexión de Fresnel

 

Separación longitudinal entre fibras

 

Desviación lateral entre fibras

 

Desviación angular entre fibras 
 


 

3.1. Reflexión de Fresnel

    Este tipo de pérdida es la que tiene lugar debido a un salto o variación del índice de refracción en la interfaz de la unión, de manera que una pequeña proporción de luz puede ser reflejada hacia la fibra transmisora. La expresión que caracteriza estas pérdidas es la siguiente:
 

donde r es la reflectividad, que viene determinada por:

siendo n1 y n los índices de refracción del núcleo de las fibras y del medio entre ellas respectivamente.


 

3.2. Uniones de Fibras Monomodo

    En este tipo de uniones las pérdidas extrínsecas, a las que hay que añadir las pérdidas por reflexión de fresnel, vienen determinadas por la existencia de una separación longitudinal entre los ejes, de una desviación lateral entre los mismos o de una desviación angular. Las expresiones para cada uno de los tipos de pérdidas son:


 

3.3. Uniones de Fibras Multimodo

    En este tipo de uniones las pérdidas extrínsecas, a las que hay que añadir las pérdidas por reflexión de fresnel, vienen determinadas por la existencia de una separación longitudinal entre los ejes, de una desviación lateral entre los mismos o de una desviación angular. Las expresiones para cada uno de los tipos de pérdidas son: 
 


  Aplicación interactiva

    Para observar fácilmente el comportamiento de las pérdidas en uniones de fibra óptica, se ha diseñado e implementado la siguiente Aplicación interactiva . Con ella se podrán visualizar las diferentes pérdidas que acontecen en las uniones de fibras ópticas.
 


 

4. Referencias
 

[CO01]  Asignatura de Comunicaciones Ópticas, 2001.
[Kei00]   Gerd Keiser. Optical Fiber Communications. McGraw-Hill Series in Electrical and Computer Engineering, 3rd Edition, 2000.
[Sen92] John M. Senior. Optical Fiber Communications, Principles and Practice. Prentice Hall, International Series in Optoelectronics, 2nd Edition, 1992.
[AO76]  F. L. Thiel and R. M. Hawk. ‘Optical Waveguide Cable Connection’. Applied Optics, Vol. 15, No. 11, pp. 2785-2791, November 1976.
[AO77]  Haruhiko Tsuchiya, Hiroshi Nakagome, Nobuo Shimizu, and Seiji Ohara. ‘Double Eccentric Connectors For Optical Fibers’. Applied Optics, Vol. 16, No. 5, pp. 1323-1331, May 1977.
[Pdg04]  Pedro Díez García. PFC: Caracterización de Pérdidas en Uniones de Fibra Óptica para un Tutorial de Comunicaciones Ópticas, 2004.