Diametro de campo modal: Un dato fundamental en las fibras ópticas monomodo

Cuando se analizan las principales características de las fibras ópticas, rápidamente se establece la diferencia entre fibras multimodo y fibras monomodo. De la misma manera, cuando se consultan las características de las fibras multimodo, fácilmente se observa que las más utilizadas son las de 62,5/125 y las de 50/125, siendo estos números los diámetros en micras (milésimas de milímetro) del núcleo y del revestimiento respectivamente.

Fibras ópticas multimodo de Optral (www.optral.es)

Sin embargo, al analizar las características de las fibras monomodo se observa que, al contrario que en las fibras multimodo, en ningún momento se indica el diámetro del núcleo de la fibra.

Propiedades geométricas/mecánicas de las fibras monomodo G.652 (www.optral.es)

En el cuadro de  propiedades geométricas y mecánicas de las fibras monomodo se indican con precisión los diámetros del revestimiento y del recubrimiento primario, pero no aparece el dato correspondiente al núcleo. ¿Es un error? No parece, ya que en otros catálogos de otros proveedores de fibras ópticas sucede lo mismo.  Sin embargo, al analizar los datos correspondientes a las propiedades ópticas, aparece un dato denominado Diámetro Campo Modal cuyas dimensiones en micrómetros coinciden razonablemente con el diámetro esperado para una fibra óptica monomodo.

Propiedades ópticas de las fibras monomodo G.652 (www.optral.es)

 No obstante, hay algo que llama poderosamente la atención y es que, al parecer, este supuesto diámetro del núcleo cambia con la longitud de onda utilizada, lo cual da la impresión de ser algo imposible. Y efectivamente es así. El diámetro físico del núcleo es siempre el mismo, ya que es inherente al proceso de fabricación de las propias fibras monomodo, pero cuando la luz circula por el interior de estas fibras monomodo no lo hace solamente por el núcleo, sino que una parte significativa lo hace por el revestimiento o cladding. Por lo tanto, a efectos de acoples entre fibras no importa tanto el diámetro físico del núcleo como el diámetro efectivo ocupado por la luz al propagarse por la fibra óptica. Esto es lo que se conoce como diámetro de campo modal, el cual incluye al núcleo y a una pequeña parte del revestimiento.

En la imagen anterior se muestra la forma en que se propaga la luz por el interior de las  fibras monomodo.  En estas fibras solo existe un único modo (equivalente, de alguna manera, a un único rayo de luz) que avanza tanto por el núcleo como por el revestimiento, y la cantidad de luz que se propaga por el revestimiento o cladding depende de la longitud de onda utilizada, lo cual hace que el diámetro de campo modal dependa a su vez de dicha longitud de onda utilizada. En la siguiente tabla se muestran las propiedades ópticas de otro tipo de fibras monomodo, la G.657 de Optral. Se aprecia de nuevo que el diámetro de campo modal cambia significativamente con la longitud de onda utilizada.

Propiedades ópticas de las fibras monomodo G.657 (www.optral.es)

Cuando se intenta justificar por qué la luz se propaga de tal manera en las fibras monomodo, se debe de tener en cuenta que no es posible determinar la forma de propagación de la luz en las fibras ópticas monomodo mediante los procedimientos basados en la óptica geométrica, tal y como se puede hacer en las fibras multimodo. Cuando se analiza la propagación de la luz en una fibra monomodo es preciso acudir a la teoría ondulatoria, aplicando para ello las Ecuaciones de Maxwell. Ahora bien, realizar el estudio de propagación mediante dichas ecuaciones implica una complejidad matemática notable, fuera del alcance de los contenidos que se imparten a alumnos de ciclos formativos de grado superior y grado medio, y fuera también de los objetivos que se persiguen con los artículos publicados en este blog. Únicamente a modo de ejemplo se muestran a continuación las cuatro ecuaciones de Maxwell:

Estas ecuaciones permitieron por primera vez unificar los campos eléctricos y los campos magnéticos, estudiados hasta entonces como hechos separados. Además, le permitieron a Maxwell demostrar que siempre que existe un campo eléctrico variable también existe un campo magnético variable y viceversa, constituyendo estos dos campos un campo electromagnético. Una vez establecida la existencia de los campos electromagnéticos, Maxwell demostró matemáticamente la existencia de ondas electromagnéticas, las cuales debían de consistir en ondulaciones de ese campo electromagnético. Finalmente Maxwell propuso que la luz es también una onda electromagnética, es decir, una alteración u ondulación del campo electromagnético que se desplaza a través de dicho campo. Utilizando las ecuaciones de Maxwell se puede calcular de forma rigurosa como se produce la propagación de la luz por cualquier medio, incluidas las fibras ópticas. En cualquier caso, se debe de tener presente que las cuatro ecuaciones de Maxwell, a pesar de su aparente simplicidad, constituyen uno de los logros matemáticos más importantes en la historia de la física, constituyendo además uno de los pilares sobre los que Albert Einstein construyó su Teoría de la Relatividad Especial.

La resolución de las ecuaciones de Maxwell para la propagación de la luz en las fibras monomodo, al tratarse de ecuaciones diferenciales, dan lugar a una solución general y a un conjunto de soluciones particulares, las cuales se denominan modos.  Cuando se estudia la propagación de la luz por una fibra óptica desde el punto de vista de la óptica geométrica basta con que los rayos introducidos en la fibra lo hagan con un ángulo menor que el ángulo de aceptación máximo. Todos los rayos que entran en la fibra con esa condición se propagarán por el interior de la fibra mediante el fenómeno denominado reflexión total. En cambio, cuando se estudia la propagación de la luz en la misma fibra mediante la teoría de propagación electromagnética, se demuestra que no todos los rayos que entran en la fibra con el ángulo adecuado se propagan a través de ella. Los rayos que si se propagan por el interior de la fibra son los modos y se corresponden con las soluciones particulares a las ecuaciones de Maxwell indicadas anteriormente.

En el caso de las fibras monomodo solo existe un único modo de propagación posible, el modo fundamental, y como ya se ha indicado, avanza por el núcleo de la fibra pero también lo hace en menor medida por el revestimiento. En estos casos, la energía transmitida toma un valor máximo en el centro de la fibra y va disminuyendo de forma gradual hacia el exterior, siguiendo una curva aproximadamente de perfil gaussiano. El lugar donde la potencia transmitida toma un valor de e–² (aproximadamente 0,13) del valor máximo, determina el diámetro de campo modal.

A efectos prácticos, el diámetro de campo modal juega un papel fundamental en los siguientes aspectos:

1.- Unión de fibras ópticas monomodo: Es imprescindible que las fibras ópticas monomodo a fusionar o conectar tengan el mismo diámetro de campo modal, a fin de reducir las pérdidas en la unión al mínimo posible.

2.- Pérdidas por macrocurvaturas: Las fibras ópticas monomodo son muy sensibles a las pérdidas por macrocurvaturas y estas pérdidas son mayores cuanto mayor es el diámetro de campo modal. En la siguiente imagen se observa como aumentan las pérdidas por macrocurvaturas para dos fibras monomodo con diámetro de campo modal diferente, enrolladas ambas en un cilindro de 20 mm de diámetro. Se aprecia que hasta una longitud de onda determinada las pérdidas por macrocurvaturas son inapreciables en ambas fibras, pero una vez superado esa longitud de onda, las pérdidas aumentan mucho más fuertemente en la fibra monomodo cuyo diámetro de campo modal es mayor, la G.652D (curva de color violeta). En cambio, para la fibra G.657.A1, cuyo diámetro de campo modal es más pequeño y más parecido al diámetro físico del núcleo, las pérdidas por macrobending apenas aumentan, ya que la mayoría de la luz se transmite por el núcleo.

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Estas fibras ópticas monomodo con diámetro de campo modal reducido y por tanto con una transmisión de luz por el núcleo casi total, se denominan fibras ópticas insensibles a curvaturas. Todos los proveedores de fibras ópticas cuentan con uno o varios modelos de este tipo de fibras. Volviendo de nuevo al proveedor Optral, podemos comprobar que dispone de fibras ópticas monomodo compatibles con el estandar G.657, las cuales tienen las siguientes características:

Finalmente, visto todo lo anterior acerca de la importancia del diámetro de campo modal, es importante señalar que en cualquier proyecto de instalación de fibras ópticas monomodo es necesario especificar con claridad el tipo de fibras a utilizar y su diámetro de campo modal. A modo de ejemplo se muestran las especificaciones técnicas requeridas por el Gobierno Vasco para la instalación de la red de fibra óptica correspondiente a las comunicaciones del departamento de interior.

                                                       http://www.interior.ejgv.euskadi.net/