La fibra optica es un filament flexible de seccio circular fet d'un tipus de vidre o plastic capac de transportar feixos de llum en el seu interior. Funciona com una guia d'ones per al rang de frequencies compreses entre 10¹⁴ Hz i 10 ¹⁵ Hz . Es molt important generar la frequencia de llum adequada segons el tipus de fibra amb que es treballa. ^[1]

Es necessari tambe disposar d'una font de llum que emeti un feix molt direccional, de manera que es pugui introduir a la fibra optica amb la major eficiencia possible, ja que aquestes tenen un diametre molt petit, una fraccio de mil·limetre, aproximadament. Les utilitzades son els LED i els lasers . Es trien en funcio de la propagacio a traves de la fibra optica.

Origen i evolucio [ modifica ]

La idea de transmetre informacio per mitja de llum com a portadora es va comencar a desenvolupar cap a mitjans del segle  xix . El 1870 el fisic britanic John Tyndall (1820-1893) fou el primer a demostrar que un prim corrent d'aigua podia contenir i guiar la llum. Als voltants de 1880 Alexander Graham Bell va construir el fotofon que enviava missatges vocals a curta distancia per mitja de la llum. No obstant aixo, resultava inviable per la falta de fonts de llum adequades. Amb la invencio i construccio del laser en la decada de 1960 va tornar a prendre idea la possibilitat d'utilitzar la llum com a suport de comunicacions fiables i d'alt potencial d'informacio a causa de la seva elevada frequencia portadora. En aquells dies, van comencar els estudis basics sobre modulacio i deteccio optica. Els primers experiments sobre transmissio atmosferica van posar de manifest diversos obstacles com l'escassa fiabilitat deguda a precipitacions, contaminacio o turbulencies atmosferiques. La utilitzacio de fibres de vidre com a medi guia no va trigar a ressaltar com a possible solucio: mida, pes, facilitat de maneig, flexibilitat i cost. En concret, les fibres de vidre permetien guiar la llum mitjancant multiples reflexions internes dels feixos de llum, no obstant aixo, al principi presentaven elevades atenuacions. El 1966 es va publicar un article en el qual s'assenyalava que l' atenuacio observada fins llavors en les fibres de vidre, no era deguda al sistema utilitzat sino a impureses originades en el proces de fabricacio. A partir d'aquesta data comencen a produir-se esdeveniments que donaran com a resultat final la implantacio i utilitzacio cada vegada major de la Fibra Optica com a alternativa als cables de coure, ja que aquests presenten alguns inconvenients que fan necessari buscar altres vies per a la transmissio de dades.

Despres d'anys d'investigacio, el 1977 es duu a terme un experiment amb gran exit que demostra la capacitat de la fibra optica en comunicacions de veu, video i dades utilitzant lasers i LED com a fonts de llum. Aixo deriva en el gran desenvolupament d'aquest material en el camp de les telecomunicacions . Aixi, el 1988 es posa en funcionament el TAT-8 , el primer enllac transoceanic fet de fibra optica.

Caracteristiques [ modifica ]

La fibra optica esta formada per tres parts diferenciades:

• Nuclis : Filament translluent fet d'algun tipus de vidre o plastic el diametre del qual esta compres entre 69 i 96 micres depenent del tipus de fibra optica. Te un index de refraccio alt.
• Revestiment : Permet retenir la llum dins el nucli i provocar la reflexio total d'aquesta. Perque aixo sigui possible, l' index de refraccio del revestiment ha de ser inferior al del nucli.
• Coberta : Protegeix la fibra fent-la mes robusta i evitant que es malmeti. Esta formada per material plastic

Funcionament [ modifica ]

El funcionament de les fibres optiques es basa en el principi optic de la reflexio total. La llum incideix a la fibra amb un cert angle i es propaga fins a trobar-se la superficie que separa el nucli i el revestiment. Com que aquestes dues superficies tenen indexs de refraccio diferents, en aquest punt la llum pateix una reflexio total de manera que tot el feix es reflecteix dins del filament sense deixar escapar llum, i per aixo no s'aprecien perdues. Aquest principi optic es compleix arran del fet que l'index de refraccio del revestiment es inferior al del nucli, i tambe perque la llum penetra dins de la fibra amb un angle determinat calculat previament. Aquest angle d'incidencia no pot ser inferior a l' angle critic (respecte a la normal perpendicular a ambdos materials) establert pels materials del nucli i el revestiment. Si no es complis aquesta condicio, no es donaria la reflexio total i per tant s'observarien perdues.

Els sistemes de comunicacio optica utilitzen la part de la banda infraroja mes propera a l' espectre visible . La longitud d'ona que s'utilitza depen dels dispositius dels que es disposa. Actualment es treballa en les bandes de frequencia seguents, tambe conegudes amb el nom de finestres:

- 1a finestra: 850 nm

- 2a finestra 1300 nm

- 3a finestra 1550 nm

Es possible, tambe, utilitzar senyals amb una longitud d'ona dins de l'espectre visible, per exemple en certes aplicacions industrials, ja que el fet que es puguin veure pot resultar util malgrat les perdues que es donen.

Tipus [ modifica ]

La seguent classificacio s'estableix en funcio de la propagacio de la llum a l'interior de la fibra:

Monomode [ modifica ]

En la fibra monomode, el diametre del nucli es redueix a dimensions de l'ordre de la longitud d'ona . Aixo provoca que nomes hi passi un sol mode: el raig optic central, tambe conegut com a raig axial. Aquest unic cami generat a causa de les petites dimensions del nucli evita la dispersio multimodal.

S'utilitza en aplicacions de llarga distancia, ja que ofereix mes prestacions, tot i que es mes cara. La font de llum es laser , concretament s'utilitza el dispositiu ILD ( injection laser diode ). Normalment la fibra monomode es fa servir en la segona i la tercera finestra.

Multimode [ modifica ]

En aquest cas el diametre es major que el de les fibres monomode, de manera que la llum viatja seguint molts camins que depenen de la longitud d'ona, la frequencia i l'angle d'insercio de la llum. La font de llum que s'utilitza es el LED . S'utilitza normalment en la primera i la segona finestra.

Dintre de les fibres multimode existeixen dos tipus diferents en funcio de les caracteristiques dels indexs de refraccio:

- Index discret

Els indexs de refraccio del nucli i del revestiment son diferents pero uniformes i per tant el senyal es guia a causa de la reflexio total en la superficie de separacio d'aquests. La reflexio total es dona per a molts angles. Aquestes caracteristiques possibiliten diversos modes de propagacio luminica, i per tant, diversos temps de recorregut luminic. Aquest tipus de fibres son les mes utilitzades en enllacos de distancies curtes, fins a un km, i la seva aplicacio mes important esta en les xarxes locals .

- Index gradual

Es produeix un disminucio gradual de l' index de refraccio del nucli des de l'interior a l'exterior fet que provoca una propagacio ondulada a l'interior de la fibra. Aquest tipus no origina tants modes de propagacio com l'anterior i son les utilitzades en enllacos de fins a 10 km.

Elements d'un sistema de fibra optica [ modifica ]

Els sistemes de fibra optica estan composts per un emissor, que te com a funcio convertir el senyal electric en senyal optic per a enviar-lo a traves d'una fibra optica. En l'extrem oposat de la fibra es troba el detector, que converteix el senyal optic novament en senyal electric. S'utilitza modulacio d'amplitud , modulant la intensitat de llum generada per l'emissor.

Com que els emissors i els detectors introdueixen no linealitats al convertir el senyal electric a optic i viceversa, i tambe al soroll que s'afegeix en aquest tipus de sistemes, la transmissio es molt mes apropiada per a senyals digitals (estats d'ences-apagat de l'emissor) que no pas analogics, tot i que tambe es possible treballar amb aquests ultims.

- Emissors

Els dispositius utilitzats com a emissors de radiacio lluminosa en els sistemes de comunicacions optiques son el diode laser i el LED com ja s'ha vist anteriorment, i son tambe anomenats convertidors electro-optics (E/O). En funcio del sistema escollim un o l'altre. El laser ofereix millor rendiment en amplades de banda grans i llargues distancies, mentre que el LED se sol escollir per a amplades de banda menors i curtes distancies, ja que tant el circuit d'atac com el de control son mes senzills.

- Detectors

El detector es un dispositiu que s'encarrega de convertir fotons en electrons, que tambe es coneix com a convertidor opto-electronic (O/E). Els fotodetectors utilitzats en les comunicacions optiques son el fotoconductor , el diode P-N i el fotodiode d'allau. La major part de sistemes instal·lats usen diodes PIN.

- Repetidors

El senyal optic que es propaga a traves de la fibra optica es degrada per l' atenuacio i restriccio de l' amplada de banda de la fibra. El millor metode per a regenerar el senyal transmes es tractar el senyal de forma electrica. Per tant, els convertidors I/O i O/I son components indispensables en un repetidor optic. L' amplificador i l' igualador del senyal electric son similars als dels sistemes de transmissio convencionals.

Avantatges i desavantatges [ modifica ]

Els sistemes de comunicacio per fibra optica presenten un conjunt important d'avantatges sobre altres suports utilitzats en la transmissio de senyals analogics i digitals, com per exemple:

• Molt flexible, menor pes i volum.
• Gran amplada de banda : permet la transmissio d'un gran volum d'informacio.
• Baixa atenuacio : permet realitzar enllacos de major longitud sense necessitat de repetidors. L'atenuacio depen del tipus de fibra optica i de la longitud d'ona utilitzada.
• No es afectada per les interferencies electromagnetiques . Es deu al fet que dintre seu no viatja senyal electric sino llum. S'aconsegueix un index menor d'errors en la transmissio de senyals digitals . ^[2]
• Seguretat i aillament electric . Molt util en determinades aplicacions en ambients perillosos (ambients explosius o inflamables), on no es poden produir descarregues electriques o espurnes.
• Seguretat enfront de possibles intervencions en la linia: Encara que no es impossible "punxar" una fibra optica, es mes dificil que en altres suports i normalment la intervencio es pot detectar.
• Mes resistent a condicions ambientals desfavorables.
• Molt fiable: Les fibres no perden llum degut a la reflexio total.

La fibra optica tambe presenta alguns inconvenients:

• Cost elevat en comparacio amb els altres mitjans de comunicacio mes habituals
• No hi ha una estandarditzacio dels productes: planteja problemes de compatibilitat.
• La instal·lacio dels connectors es complexa i requereix un personal amb formacio adequada.
• Les fibres son fragils i la reparacio d'un cable trencat o malmes es dificultosa.

Aplicacions [ modifica ]

El camp d'aplicacio de les fibres optiques es molt ample i augmenta dia a dia. Algunes de les aplicacions mes importants son:

• Telecomunicacions . En aquest apartat cal incloure la xarxa d'enllacos i la xarxa d'abonament de les administracions publiques de telefonia . Cal destacar la importancia de les fibres optiques en el context de la xarxa digital de serveis integrats ( RDSI ).
• Xarxes locals i comunicacio entre ordinadors.
• Enllacos de televisio . Aplicacio molt util en enllacos de televisio per a aplicacions de seguretat.
• Electromedicina : Transmissio de llum a punts dificils d'il·luminar, cirurgia amb laser...
• Aplicacions industrials: sensors , automatitzacio industrial...
• Il·luminacio, decoracio i senyalitzacio.
• Aplicacions militars: Les comunicacions per fibra optica ofereixen molta seguretat.
• Altres: Degut a la seva lleugeresa i alta capacitat de transmissio de dades, son molt utils quan el pes es determinant, com per exemple en avions i vaixells.

Mentre que el preu del cable de coure augmenta any a any, en els sistemes de fibra optica la tendencia es al reves. A mes a mes, la investigacio en aquest camp es intensa i hi ha continus progressos. Per aixo es previsible que en el futur la importancia de la fibra optica en tots els camps sigui creixent.

Proces de fabricacio [ modifica ]

Per a la creacio de la preforma existeixen quatre processos que son principalment utilitzats.

L'etapa de fabricacio de la preforma pot ser a traves d'algun dels seguents metodes:

• M.C.V.D (Modified Chemical Vapor Deposition)

Va ser desenvolupat originalment per Corning Glass i modificat pels Laboratoris Bell per al seu us industrial. Utilitza un tub de quars pur d'on es parteix i es dipositada en el seu interior la barreja de dioxid de silici i additius de dopat en forma de capes concentriques. A continuacio en el proces industrial s'instal·la el tub en un torn giratori. El tub es escalfat fins a aconseguir una temperatura compresa entre 1.400 °C i 1.600 °C mitjancant un cremador d'hidrogen i oxigen. En girar el torn, el cremador comenca a desplacar-se al llarg del tub. Per un extrem del tub s'introdueixen els additius de dopat, part fonamental del proces, ja que de la proporcio d'aquests additius dependra el perfil final de l'index de refraccio del nucli. La deposicio de les successives capes s'obtenen de les successives passades del cremador, mentre el torn gira; quedant d'aquesta forma sintetitzat el nucli de la fibra optica. L'operacio que resta es el col·lapse, s'aconsegueix igualment amb el continu desplacament del cremador, solament que ara a una temperatura compresa entre 1.700 °C i 1.800 °C. Precisament es aquesta temperatura la que garanteix l'estovament del quars, convertint-se aixi el tub en el cilindre massis que constitueix la preforma. Les dimensions de la preforma solen ser d'un metre de longitud util i d'un centimetre de diametre exterior.

• V.A.D (Vapor Axial Deposition)

El seu funcionament es basa en la tecnica desenvolupada per la Nippon Telephone and Telegraph (N.T.T), molt utilitzat al Japo per companyies dedicades a la fabricacio de fibres optiques. La materia primera que utilitza es la mateixa que el metode M.C.V.D, la seva diferencia amb est radica, que en aquest ultim solament es dipositava el nucli, mentre que en aquest a mes del nucli de la FO es diposita el revestiment. Per aquesta rao ha de cuidar-se que a la zona de deposicio axial o nucli, es dipositi mes dioxid de germani que en la periferia, la qual cosa s'aconsegueixen a traves de la introduccio dels parametres de disseny al programari que serveix de recolzo en el proces de fabricacio. A partir d'un cilindre de vidre auxiliar que serveix de suport per la preforma, s'inicia el proces de creacio d'aquesta, dipositant-se ordenadament els materials, a partir de l'extrem del cilindre quedant aixi conformada la trucada "preforma porosa". Conformi la seva taxa de creixement es va desprenent del cilindre auxiliar de vidre. El seguent pas consisteix en el col·lapsat, on se sotmet la preforma porosa a una temperatura compresa entre els 1.500 °C i 1.700 °C, aconseguint-se aixi el reblaniment del quars. Quedant convertida la preforma porosa buida en el seu interior en el cilindre massis i transparent, mitjancant el qual se sol descriure la preforma.

Comparat amb el metode anterior (M.C.V.D) te l'avantatge que permet obtenir preformes amb major diametre i major longitud, alhora que precisa una menor aportacio energetica. L'inconvenient mes destacat es la sofisticacio de l'equipament necessari per a la seva realitzacio.

• O.V.D (Outside Vapor Deposition)

Desenvolupat per Corning Glass Work . Part d'una vareta de substrat ceramica i un cremador. En la flama del cremador son introduits els clorurs vaporosos i aquesta caldea la vareta. A continuacio es realitza el proces denominat sintesi de la preforma, que consisteix en l'assecat de la mateixa mitjancant clor gasos i el corresponent col·lapsat de forma analoga als realitzats amb el metode V.A.D, quedant aixi sintetitzats el nucli i revestiment de la preforma.

Entre els Avantatges, es de citar que les taxes de deposicio que s'aconsegueixen son de l'ordre de ${\displaystyle 4.3g/min}$, la qual cosa representa una taxa de fabricacio de FO de ${\displaystyle 5km/h}$, havent estat eliminades les perdues inicials en el pas d'estiratge de la preforma. Tambe es possible la fabricacio de fibres de molt baixa atenuacio i de gran qualitat mitjancant l'optimitzacio en el proces d'assecat, perque els perfils aixi obtinguts son llisos i sense estructura anul·lar recognoscible.

• P.C.V.D (Plasma Chemical Vapor Deposition)

Es desenvolupat per l'empresa neerlandesa Philips i es caracteritza per l'obtencio de perfils llisos sense estructura anul·lar recognoscible. El seu principi es basa en l'oxidacio dels clorurs de silici i germani, creant en aquests un estat de plasma, seguit del proces de deposicio interior.

Etapa d'estirament de la preforma [ modifica ]

Qualsevol tecnica que s'utilitzi que permeti la construccio de la preforma es comuna en tots els processos d'estirament d'aquesta. La tecnica consisteix basicament en l'existencia d'un forn tubular obert en l'interior del qual se sotmet la preforma a una temperatura de 2000 °C per aconseguir el reblaniment del quars i que quedi fix el diametre exterior de la FO. Aquest diametre s'ha de mantenir constant mentre s'aplica una tensio sobre la preforma. Per aconseguir aixo, els factors que ho permeten son precisament la constancia i uniformitat de la tensio de traccio i l'absencia de corrents de conveccio a l'interior del forn. En aquest proces s'ha de cuidar que l'atmosfera interior del forn estigui aillada de particules provinents de l'exterior per evitar que la superficie estovada de la FO pugui ser contaminada, o que es puguin crear microfisures amb la consequent inevitable trencament de la fibra. Aqui es on tambe s'aplica a la fibra un material sintetic que generalment es un polimer viscos, el qual possibilita les elevades velocitats d'estiratge compreses entre ${\displaystyle 1m/sg}$ i ${\displaystyle 3m/sg}$, formant-se aixi una capa uniforme sobre la fibra totalment lliure de bombolles i impureses. Posteriorment es passa a l'enduriment de la proteccio abans descrita, quedant aixi la capa definitiva de polimer elastic. Aixo es realitza habitualment mitjancant processos termics o a traves de processos de reaccions quimiques mitjancant l'ocupacio de radiacions ultraviolades .

Referencies [ modifica ]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimedia relatiu a: Fibra optica