Los sistemas de fibra óptica se utilizan en sistemas de comunicación para transmitir información usando la luz como portadora. Dado que la luz, como una onda electromagnética, tiene frecuencias del orden de 1014 Hertz, es posible transferir una gran cantidad de datos usando sistemas de fibra óptica.
La fibra óptica en sí se utiliza para guiar la luz a lo largo de un tubo delgado, largo y flexible de vidrio llamado núcleo, que tiene un índice de refracción alto. El núcleo está rodeado por un revestimiento con un índice de refracción más bajo, de modo que se produce la reflexión total interna en la frontera núcleo-revestimiento. Luego, la fibra en sí está protegida contra daños físicos por una cubierta.
Una fibra óptica consta de un núcleo y un revestimiento, como se muestra en el diagrama anterior. El núcleo tiene un índice de refracción n1 y el revestimiento tiene un índice de refracción n2, tal que n1 > n2 o n1 / n2 > 1.
Usa la ley de Snell para escribir n1 sin i = n2 sin r
La ecuación anterior se puede escribir como: n1 / n2 = sin r / sin i
Dado que n1 / n2 > 1 entonces sin r / sin i > 1
Los ángulos i y r son menores de 90 °, por lo tanto, usando sin r / sin i > 1 podemos escribir
r / i > 1 o r > i.
Si comenzamos a aumentar i desde 0, en algún momento r = 90 °. Dejemos que i = ic para r = 90 °
n1 sin ic = n2 sin 90°
ic se llama ángulo crítico.
n1 sin ic = n2
sin ic = n2 / n1
Ahora seguimos aumentando i > ic
sin i > sin ic
sin i = n2 / n1 sin r y sin ic = n2 / n1
Sustituimos sin i por n2 / n1 sin r y sin ic por n2 / n1 en la desigualdad anterior para obtener
n2 / n1 sin r > n2 / n1
Simplificamos para obtener
sin r > 1
El seno de un ángulo real no puede ser mayor que 1. Por lo tanto, el ángulo r no existe y, por lo tanto, no hay refracción de la luz; toda se refleja de vuelta al núcleo. Esto se llama reflexión interna total. Por lo tanto, la luz se guía a través de sucesivas reflexiones en la frontera núcleo-revestimiento a lo largo de grandes distancias con pérdidas aceptables.
1) El portador en la fibra óptica es la luz, que tiene una mayor frecuencia, por lo tanto, la tasa de información enviada a través de las fibras ópticas es mucho mayor que en los cables.
2) La atenuación de señales en las fibras ópticas es menor que en los cables.
3) No es fácil intervenir una fibra óptica, por lo que la información enviada a través de fibras ópticas es más segura.
4) Las fibras ópticas son más ligeras y de menor tamaño que los cables.
5) Las señales electromagnéticas externas no afectan las señales en las fibras ópticas.
6) Las fibras ópticas son más caras de fabricar, mantener y proteger.
Las fibras ópticas se utilizan
1) en sistemas de comunicación para transportar señales codificadas digitalmente a alta velocidad.
2) en medicina, aplicadas en endoscopias.
3) como sensores para medir presión, temperatura.
4) en aplicaciones sísmicas.
5) en numerosas aplicaciones submarinas.
Ejemplo 1
En la fibra óptica de abajo, el núcleo tiene un índice de refracción igual a 1.5 y un revestimiento con un índice de refracción de 1.4.
a) ¿Cuál es la velocidad de la luz dentro del núcleo?
b) ¿Cuál es el ángulo crítico en la interfaz núcleo-revestimiento?
c) ¿Cuál es el ángulo máximo t que los rayos que salen de la fuente de luz deben formar con el eje de la fibra para que se produzca la reflexión interna total en la interfaz núcleo-revestimiento?
Solución
a)
El índice de refracción n1 del núcleo se define como: n1 = c / v, donde c = 3×108 m/s es la velocidad de la luz en el vacío y v es la velocidad en el núcleo.
Por lo tanto, v = c / n1 = 3×108 m/s / 1.5 = 2×108 m/s
b)
El ángulo crítico ic es tal que sin ic = n2 / n1
ic = arcsin ( n2 / n1 ) = arcsin (1.4 / 1.5) ≈ 69°
c)
Para que ocurra reflexión interna total, necesitamos que i > ic
i = 90 - t
Por lo tanto,
90 - t > ic
t < 90 - ic
t < 21°
El tamaño máximo del ángulo t debe ser menor de 21° para que ocurra reflexión interna total en la interfaz núcleo-revestimiento.