Fibra

Atenuación

Rayleigh, agua y metales, curvaturas; las tres ventanas

Idea clave. La fibra pierde potencia con la distancia: por esparcimiento Rayleigh (un límite físico), por absorción del agua y de los metales, y por curvaturas. Una monomodo moderna pierde ≈ 0,2 dB/km. Las ventanas son las zonas de λ donde se pierde poco.

Qué es la atenuación

Práctica 3 (OTDR) · conviene dominarlo

Es la pérdida de potencia con la distancia, porque la luz se absorbe o se esparce (scattering). Se mide en dB/km. Como la pérdida crece de forma exponencial con la longitud, en dB se suma: la pérdida total de un enlace es $\alpha \cdot L$ más las pérdidas de empalmes y conectores.

Una fibra monomodo moderna tiene $\alpha \approx 0{,}2$ dB/km. Como 3 dB es la mitad de la potencia, pierde la mitad cada ≈ 15 km ( $3 / 0{,}2$ ).

P(L) = P_0 \cdot 10^{-\alpha L / 10}

Causas intrínsecas: Rayleigh y absorción

Son pérdidas que vienen de la propia fibra: de su fabricación o de los contaminantes que lleva dentro.

Esparcimiento Rayleigh. Cuando la luz encuentra estructuras de un tamaño parecido a su λ, se esparce en todas direcciones. En la fibra, esas estructuras son las moléculas de la red de óxido de silicio, que es amorfo: por su propia estructura molecular produce Rayleigh. Es proporcional a $1/\lambda^4$ (longitud de onda pequeña, esparcimiento grande) y es el límite físico: mientras haya vidrio, habrá Rayleigh. Es la causa de casi todas las pérdidas (y la razón de que el cielo sea azul).
Absorción del propio SiO₂: en la banda de 1550 nm absorbe poco.
Agua: los iones OH⁻ absorben mucho, con un pico en 1383 nm, entre las dos ventanas modernas. Al fabricar la fibra se lava con cloro para quitar la humedad; las fibras G.652.C/D casi no tienen pico.
Metales: contaminantes que vienen del proceso de purificación del silicio y de los contenedores.

Causas extrínsecas: curvaturas

Si la fibra se curva, parte de la luz llega a la frontera núcleo-recubrimiento con un ángulo menor que el crítico: deja de cumplir la condición de reflexión total y se escapa.

Macrocurvaturas: curvas grandes, de la instalación (forzar el cable en una esquina).
Microcurvaturas: pequeñas ondulaciones del hilo cilíndrico, de la fabricación.

Las ventanas

La atenuación cambia mucho con la λ, y de ahí salen las ventanas de trabajo:

Ventana	λ	Por qué
1.ª	850 nm	Histórica. Pierde mucho: solo para distancias cortas
2.ª	1310–1360 nm	Mínima dispersión
3.ª	1550 nm	Mínima atenuación (y la banda del EDFA)

Se conecta con

01Estructura de la fibra y propagaciónSi una curvatura rompe la condición de ángulo crítico, la luz se escapa: atenuación por curvatura.
05Fabricación y cableadoEl OTDR mide la luz que el esparcimiento Rayleigh devuelve hacia atrás.
03DispersiónLa fibra de dispersión desplazada junta en 1550 nm la mínima dispersión y la mínima atenuación.
11Amplificadores ópticosEl EDFA trabaja en la banda de 1550 nm, la ventana de mínima atenuación.

Preguntas de examen

¿Cuál es la atenuación máxima que puede tener una fibra óptica monomodo moderna?

≈ 0,2 dB/km: pierde la mitad de la potencia (3 dB) cada ≈ 15 km. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

¿Qué es el esparcimiento Rayleigh y por qué limita la atenuación mínima de una fibra?

Es el esparcimiento de la luz al chocar con estructuras de tamaño parecido a su λ: en la fibra, las moléculas de la red amorfa de óxido de silicio. Es proporcional a $1/\lambda^4$ , así que pesa mucho en λ cortas. Lo produce el propio vidrio, por lo que no se puede eliminar: es el límite físico de la atenuación. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

Explica las causas de atenuación en una fibra óptica.

Intrínsecas (fabricación o contaminación de la fibra): esparcimiento Rayleigh de las moléculas del SiO₂ ( $\propto 1/\lambda^4$ , límite físico); absorción del agua (OH⁻, pico en 1383 nm; se elimina con cloro y las G.652.C/D casi no lo tienen) y de metales del proceso de purificación y de los contenedores.
Extrínsecas: macrocurvaturas (instalación) y microcurvaturas (fabricación). La luz deja de cumplir la condición de ángulo crítico y se escapa.

(Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

¿Qué son las ventanas de transmisión y por qué se usan esas λ?

Son las zonas de λ donde la fibra pierde poco. La 1.ª, 850 nm, es histórica y atenúa mucho (corta distancia). La 2.ª, 1310–1360 nm, es la de mínima dispersión. La 3.ª, 1550 nm, es la de mínima atenuación. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

Una fibra de 50 km pierde 0,2 dB/km. ¿Qué fracción de la potencia llega al final?

$0{,}2 \cdot 50 = 10$ dB, es decir, un factor $10^{-10/10} = 0{,}1$ : llega la décima parte (sin contar empalmes ni conectores). (Cálculo propio: no aparece en el material.)

Material del curso usado: Apuntes de Miguel · Comunicaciones Ópticas (PDF de clase), §2.1–2.2.