Fibra óptica

La fibra óptica se utiliza como medio para telecomunicaciones y redes informáticas debido a su flexibilidad y a que puede agruparse en cables. Resulta especialmente ventajosa para las comunicaciones de larga distancia, ya que la luz infrarroja se propaga a través de la fibra con una atenuación mucho menor que la de la electricidad en los cables eléctricos. Esto permite cubrir grandes distancias con pocos repetidores .

Una tasa de transferencia de datos de 10 o 40  Gbit/s es típica en los sistemas implementados. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

El uso de la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) permite que cada fibra transporte muchos canales independientes, cada uno utilizando una longitud de onda de luz diferente. La tasa de datos neta (tasa de datos sin bytes de sobrecarga) por fibra es la tasa de datos por canal reducida por la sobrecarga de corrección de errores hacia adelante (FEC), multiplicada por el número de canales (generalmente hasta 80 en sistemas WDM densos comerciales a partir de 2008).).

Para aplicaciones de corta distancia, como una red en un edificio de oficinas (véase fibra hasta la oficina ), el cableado de fibra óptica permite ahorrar espacio en los conductos de cables. Esto se debe a que una sola fibra puede transmitir muchos más datos que los cables eléctricos, como el cable estándar de categoría 5 , que suele funcionar a velocidades de 100  Mbit/s o 1  Gbit/s. Las fibras también se utilizan con frecuencia para conexiones de corta distancia entre dispositivos. Por ejemplo, la mayoría de los televisores de alta definición ofrecen una conexión óptica de audio digital. Esto permite la transmisión de audio mediante luz, utilizando el protocolo S/PDIF a través de una conexión óptica TOSLINK .

Las fibras ópticas se utilizan como guías de luz en aplicaciones médicas y de otro tipo donde se necesita proyectar luz brillante sobre un objetivo sin una línea de visión directa. Muchos microscopios utilizan fuentes de luz de fibra óptica para proporcionar una iluminación intensa de las muestras que se estudian.

En algunos edificios, las fibras ópticas dirigen la luz solar desde el techo a otras partes del edificio (véase óptica no formadora de imágenes ). Las lámparas de fibra óptica se utilizan para la iluminación en aplicaciones decorativas, como letreros , obras de arte , juguetes y árboles de Navidad artificiales . La fibra óptica es un componente intrínseco del producto de construcción de hormigón translúcido LiTraCon .

Las fibras tienen múltiples usos en la teledetección . En algunas aplicaciones, la propia fibra actúa como sensor (canaliza la luz óptica hacia un dispositivo de procesamiento que analiza los cambios en sus características). En otros casos, se utiliza para conectar un sensor a un sistema de medición. Las fibras ópticas pueden emplearse como sensores para medir deformación , temperatura , presión y otras magnitudes, modificando la fibra de manera que la propiedad medida module la intensidad , la fase , la polarización , la longitud de onda o el tiempo de tránsito de la luz en ella. Los sensores que varían la intensidad de la luz son los más sencillos, ya que solo requieren una fuente y un detector simples. Una característica especialmente útil de estos sensores de fibra óptica es su capacidad para proporcionar detección distribuida a distancias de hasta un metro, si se requiere. La detección acústica distribuida es un ejemplo de ello. La fibra óptica también puede utilizarse en la monitorización del estado estructural . Este tipo de sensor puede detectar tensiones que podrían tener un impacto duradero en las estructuras . Se basa en el principio de medición de la atenuación analógica.

En cambio, se pueden obtener mediciones altamente localizadas integrando elementos sensores miniaturizados en la punta de la fibra. ^{[ 61 ]} Estos se pueden implementar mediante diversas tecnologías de micro y nanofabricación , de modo que no superen el límite microscópico de la punta de la fibra, lo que permite aplicaciones como la inserción en vasos sanguíneos mediante una aguja hipodérmica.

Los sensores de fibra óptica extrínsecos utilizan un cable de fibra óptica , normalmente multimodo, para transmitir luz modulada desde un sensor óptico convencional o un sensor electrónico conectado a un transmisor óptico. Una de las principales ventajas de los sensores extrínsecos es su capacidad para alcanzar lugares de difícil acceso. Un ejemplo es la medición de la temperatura en el interior de los motores a reacción mediante una fibra que transmite la radiación a un pirómetro situado fuera del motor. Los sensores extrínsecos pueden utilizarse de la misma manera para medir la temperatura interna de los transformadores eléctricos , donde los campos electromagnéticos extremos presentes imposibilitan otras técnicas de medición. Los sensores extrínsecos miden vibración, rotación, desplazamiento, velocidad, aceleración, par y torsión. Se ha desarrollado una versión de estado sólido del giroscopio, que utiliza la interferencia de la luz. El giroscopio de fibra óptica (FOG) no tiene partes móviles y aprovecha el efecto Sagnac para detectar la rotación mecánica.

Entre los usos comunes de los sensores de fibra óptica se incluyen los sistemas avanzados de seguridad para la detección de intrusiones . La luz se transmite a través de un cable sensor de fibra óptica colocado en una valla, tubería o cableado de comunicaciones, y la señal de retorno se monitoriza y analiza para detectar perturbaciones. Esta señal de retorno se procesa digitalmente para detectar perturbaciones y activar una alarma si se ha producido una intrusión. Las fibras ópticas se utilizan ampliamente como componentes de sensores químicos ópticos y biosensores ópticos . ^{[ 62 ]}

La fibra óptica también se utiliza en óptica de imagen. Un haz coherente de fibras, a veces junto con lentes, se emplea en un dispositivo de imagen largo y delgado llamado endoscopio , que se utiliza para observar objetos a través de un pequeño orificio. Los endoscopios médicos se utilizan para procedimientos exploratorios o quirúrgicos mínimamente invasivos. Los endoscopios industriales (véase fibroscopio o boroscopio ) se utilizan para inspeccionar objetos de difícil acceso, como el interior de los motores a reacción.

La fibra óptica puede utilizarse para transmitir energía mediante una célula fotovoltaica que convierte la luz en electricidad. ^{[ 63 ]} Si bien este método de transmisión de energía no es tan eficiente como los convencionales, resulta especialmente útil en situaciones donde se desea evitar un conductor metálico, como en el caso de su uso cerca de máquinas de resonancia magnética, que generan fuertes campos magnéticos. ^{[ 64 ]} Otros ejemplos incluyen la alimentación de componentes electrónicos en elementos de antenas de alta potencia y dispositivos de medición utilizados en equipos de transmisión de alto voltaje.

En espectroscopia , haces de fibra óptica transmiten luz desde un espectrómetro a una sustancia que no puede colocarse dentro del espectrómetro, para analizar su composición. Un espectrómetro analiza sustancias haciendo rebotar la luz en ellas y atravesándolas. Mediante el uso de fibras, un espectrómetro puede utilizarse para estudiar objetos de forma remota. ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]}

Una fibra óptica dopada con ciertos elementos de tierras raras , como el erbio, puede utilizarse como medio de ganancia de un láser de fibra o un amplificador óptico . Las fibras ópticas dopadas con tierras raras pueden emplearse para amplificar la señal mediante la inserción de un segmento corto de fibra dopada en una línea de fibra óptica convencional (sin dopar). La fibra dopada se bombea ópticamente con una segunda longitud de onda láser que se acopla a la línea, además de la onda de señal. Ambas longitudes de onda de luz se transmiten a través de la fibra dopada, que transfiere energía de la segunda longitud de onda de bombeo a la onda de señal. El proceso que provoca la amplificación es la emisión estimulada .

La fibra óptica también se utiliza ampliamente como medio no lineal. El medio de vidrio admite una gran variedad de interacciones ópticas no lineales, y las largas longitudes de interacción posibles en la fibra facilitan diversos fenómenos, que se aprovechan para aplicaciones e investigación fundamental. ^{[ 68 ]} Por el contrario, la no linealidad de la fibra puede tener efectos perjudiciales en las señales ópticas, y a menudo se requieren medidas para minimizar dichos efectos no deseados. Las fibras ópticas dopadas con un desplazador de longitud de onda recogen la luz de centelleo en experimentos de física . Las miras de fibra óptica para pistolas, rifles y escopetas utilizan trozos de fibra óptica para mejorar la visibilidad de las marcas en la mira.

Las fibras ópticas se utilizan como componentes en los textiles electrónicos . Esto lo hizo por primera vez Harry Wainwright en la década de 1980. ^{[ 69 ]} Utilizó fibra óptica para crear "una sudadera con un dragón que escupía llamas y se transformaba en un pájaro".

El índice de refracción es una forma de medir la velocidad de la luz en un material. La luz viaja más rápido en el vacío , como en el espacio exterior. La velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 300 000 kilómetros (186 000 millas) por segundo. El índice de refracción de un medio se calcula dividiendo la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en ese medio. Por lo tanto, el índice de refracción del vacío es 1, por definición. Una fibra monomodo típica utilizada para telecomunicaciones tiene un revestimiento de sílice pura, con un índice de 1,444 a 1500  nm, y un núcleo de sílice dopada con un índice de alrededor de 1,4475. ^{[ 70 ]} Cuanto mayor sea el índice de refracción, más lenta será la velocidad de la luz en ese medio. A partir de esta información, una regla general sencilla es que una señal que utiliza fibra óptica para la comunicación viajará a unos 200 000 kilómetros por segundo. Así, una llamada telefónica transmitida por fibra entre Sídney y Nueva York, una distancia de 16.000 kilómetros, significa que hay un retraso mínimo de 80 milisegundos (aproximadamente${\displaystyle {\tfrac {1}{12}}}$de un segundo) entre el momento en que una persona que llama habla y la otra escucha. ^{[ c ]}

Cuando la luz que viaja en un medio ópticamente denso choca contra un límite con un ángulo de incidencia pronunciado (mayor que el ángulo crítico del límite), la luz se refleja completamente. Esto se denomina reflexión interna total . Este efecto se utiliza en las fibras ópticas para confinar la luz en el núcleo. La mayoría de las fibras ópticas modernas son de guía débil , lo que significa que la diferencia en el índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento es muy pequeña (normalmente menos del 1%). ^{[ 72 ]} La luz viaja a través del núcleo de la fibra, rebotando de un lado a otro en el límite entre el núcleo y el revestimiento.

Debido a que la luz debe incidir en el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico, solo la luz que entra en la fibra dentro de un cierto rango de ángulos puede viajar a través de ella sin perderse. Este rango de ángulos se denomina cono de aceptación de la fibra. Existe un ángulo máximo con respecto al eje de la fibra en el que la luz puede entrar en ella para propagarse, o viajar, por el núcleo de la fibra. El seno de este ángulo máximo es la apertura numérica (AN) de la fibra. Una fibra con una AN mayor requiere menos precisión para empalmar y manipular que una fibra con una AN menor. El tamaño de este cono de aceptación es función de la diferencia del índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento de la fibra. La fibra monomodo tiene una AN pequeña.

Las fibras ópticas con un diámetro de núcleo grande (superior a 10  micrómetros) pueden analizarse mediante óptica geométrica . Estas fibras se denominan fibras multimodo , según el análisis electromagnético (véase más adelante). En una fibra multimodo de índice escalonado, los rayos de luz se guían a lo largo del núcleo de la fibra mediante reflexión interna total. Los rayos que inciden en la interfaz núcleo-revestimiento con un ángulo (medido con respecto a una línea normal a dicha interfaz) mayor que el ángulo crítico para esta interfaz, se reflejan completamente. El ángulo crítico está determinado por la diferencia en el índice de refracción entre los materiales del núcleo y del revestimiento. Los rayos que inciden en la interfaz con un ángulo pequeño se refractan desde el núcleo hacia el revestimiento, donde terminan. El ángulo crítico determina el ángulo de aceptación de la fibra, que a menudo se expresa como apertura numérica . Una apertura numérica elevada permite que la luz se propague a lo largo de la fibra en rayos cercanos al eje y en diversos ángulos, lo que permite un acoplamiento eficiente de la luz a la fibra. Sin embargo, esta elevada apertura numérica aumenta la cantidad de dispersión , ya que los rayos que inciden en diferentes ángulos tienen diferentes longitudes de trayectoria y, por lo tanto, tardan diferentes cantidades de tiempo en atravesar la fibra.

En la fibra de índice gradual, el índice de refracción en el núcleo disminuye continuamente entre el eje y el revestimiento. Esto provoca que los rayos de luz se curven suavemente al acercarse al revestimiento, en lugar de reflejarse bruscamente en la interfaz núcleo-revestimiento. Las trayectorias curvas resultantes reducen la dispersión por trayectos múltiples, ya que los rayos de ángulo elevado se propagan con mayor frecuencia a través de la periferia del núcleo, de menor índice, que a través del centro, de mayor índice. El perfil de índice se elige para minimizar la diferencia en las velocidades de propagación axial de los distintos rayos en la fibra. Este perfil de índice ideal se aproxima mucho a una relación parabólica entre el índice y la distancia al eje.

Las fibras con un diámetro de núcleo menor a aproximadamente diez veces la longitud de onda de la luz propagada no pueden modelarse mediante óptica geométrica. En cambio, deben analizarse como una estructura de guía de onda electromagnética, según las ecuaciones de Maxwell reducidas a la ecuación de onda electromagnética . ^{[ d ]} Como guía de onda óptica, la fibra admite uno o más modos transversales confinados mediante los cuales la luz puede propagarse a lo largo de la fibra. La fibra que admite solo un modo se denomina monomodo . ^{[ e ]} El análisis de la guía de onda muestra que la energía de la luz en la fibra no está completamente confinada en el núcleo. En cambio, especialmente en las fibras monomodo, una fracción significativa de la energía en el modo ligado viaja en el revestimiento como una onda evanescente . El tipo más común de fibra monomodo tiene un diámetro de núcleo de 8 a 10 micrómetros y está diseñado para su uso en el infrarrojo cercano . La fibra multimodo, en comparación, se fabrica con diámetros de núcleo tan pequeños como 50 micrómetros y tan grandes como cientos de micrómetros.

Algunas fibras ópticas de uso especial se construyen con un núcleo o revestimiento no cilíndrico, generalmente con una sección transversal elíptica o rectangular. Entre ellas se incluyen las fibras de mantenimiento de polarización utilizadas en sensores de fibra óptica y las fibras diseñadas para suprimir la propagación del modo de galería susurrante .

La fibra de cristal fotónico se fabrica con un patrón regular de variación del índice de refracción (a menudo en forma de orificios cilíndricos que recorren toda su longitud). Esta fibra utiliza efectos de difracción, en lugar de, o además de, la reflexión interna total, para confinar la luz en su núcleo. Las propiedades de la fibra se pueden adaptar a una amplia variedad de aplicaciones.

La propagación de la luz a través del núcleo de una fibra óptica se basa en la reflexión interna total de la onda luminosa, en términos de óptica geométrica, o en modos guiados, en términos de una guía de ondas electromagnética. En una fibra óptica monomodo típica, aproximadamente el 75 % de la luz se propaga a través del material del núcleo, que tiene un índice de refracción mayor, y aproximadamente el 25 % se propaga a través del revestimiento, que tiene un índice de refracción menor. La interfaz entre el núcleo y el revestimiento es excepcionalmente lisa y no produce pérdidas significativas por dispersión ni por imperfecciones en la guía de ondas. Las pérdidas por dispersión se originan principalmente por la dispersión de Rayleigh en el volumen de los vidrios que componen el núcleo y el revestimiento de la fibra.

La dispersión de la luz en la fibra de vidrio de calidad óptica se debe a irregularidades a nivel molecular (fluctuaciones composicionales) en la estructura del vidrio. De hecho, una corriente de pensamiento emergente sostiene que el vidrio es simplemente el caso límite de un sólido policristalino. Dentro de este marco, los dominios que presentan diversos grados de orden de corto alcance se convierten en los bloques de construcción de los metales, así como de los vidrios y las cerámicas. Entre estos dominios y dentro de ellos se distribuyen defectos microestructurales que proporcionan las ubicaciones más idóneas para la dispersión de la luz.

La dispersión depende de la longitud de onda de la luz dispersada y del tamaño de los centros de dispersión. La dependencia angular de la intensidad de la luz dispersada por una fibra óptica coincidió con la de la dispersión de Rayleigh, lo que indica que los centros de dispersión son mucho más pequeños que la longitud de onda de la luz propagada. Se origina a partir de las fluctuaciones de densidad impulsadas por la temperatura ficticia del vidrio y de las fluctuaciones de concentración de dopantes tanto en el núcleo como en el revestimiento. El coeficiente de dispersión de Rayleigh, R , se puede expresar como  :$${\displaystyle R=R_{\text{d}}+R_{\text{c}}}$$donde R _d representa la dispersión de Rayleigh en fluctuaciones de densidad y R _c representa la dispersión de Rayleigh en fluctuaciones de concentración de dopante. Los dopantes, como el dióxido de germanio o el flúor, se utilizan para crear la diferencia de índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento, para formar una estructura de guía de ondas. $${\displaystyle R_{\text{d}}={\frac {8\pi ^{3}}{3\lambda ^{4}}}n^{8}p^{2}\beta _{\text{c}}k_{\text{B}}T_{\text{f}}}$$ donde λ es la longitud de onda, n es el índice de refracción , p es el coeficiente fotoelástico, βc es la compresibilidad isotérmica, _kB es la constante de Boltzmann , Tf _{es la temperatura ficticia. La única variable físicamente significativa que afecta la dispersión en las fluctuaciones de} densidad es la temperatura ficticia del vidrio; una temperatura ficticia más baja resulta en un vidrio más homogéneo y una menor dispersión de Rayleigh. La temperatura ficticia puede reducirse drásticamente con aproximadamente 100 ppm en peso de dopante de óxido alcalino en el núcleo de la fibra, así como con un enfriamiento más lento de la fibra durante el proceso de estirado de la fibra. Estos enfoques se utilizan para producir fibras ópticas con la atenuación más baja, especialmente aquellas para cables de telecomunicaciones submarinos.

Para bajas concentraciones de dopante, R _c es proporcional a x (d n /d x ) ² , donde x es la fracción molar del dopante en el vidrio a base de SiO ₂ y n es el índice de refracción del vidrio. Cuando se utiliza dopante de GeO ₂ para aumentar el índice de refracción del núcleo de la fibra, aumenta el componente de fluctuación de concentración de la dispersión de Rayleigh y la atenuación de la fibra. Por esta razón, las fibras de menor atenuación no utilizan GeO ₂ en el núcleo, sino flúor en el revestimiento, para reducir el índice de refracción del revestimiento. R _c en la fibra de núcleo de sílice pura es proporcional a la integral de solapamiento entre el modo LP01 y el componente de fluctuación de concentración inducida por flúor en el revestimiento.

En el núcleo de la fibra de sílice pura dopada con potasio (KPSC), solo las fluctuaciones de densidad desempeñan un papel significativo, ya que las concentraciones de K₂O _, flúor y cloro son muy bajas. Estas fluctuaciones se ven atenuadas por la menor temperatura ficticia resultante del dopaje con potasio y se reducen aún más mediante el recocido durante el proceso de estirado de la fibra. Esto difiere del revestimiento, donde los niveles más altos de dopante de flúor y las consiguientes fluctuaciones de concentración aumentan las pérdidas. En estas fibras, la luz que viaja a través del núcleo experimenta menor dispersión y menor atenuación en comparación con la luz que se propaga a través del segmento de revestimiento.

A altas potencias ópticas, la dispersión también puede ser causada por procesos ópticos no lineales en la fibra. ^{[ 75 ] [ 76 ]}

Además de la dispersión de la luz, también puede producirse atenuación o pérdida de señal debido a la absorción selectiva de longitudes de onda específicas. Las consideraciones principales sobre los materiales incluyen tanto electrones como moléculas, como se detalla a continuación:

• A nivel electrónico, depende de si los orbitales electrónicos están espaciados (o "cuantizados") de tal manera que puedan absorber un cuanto de luz (o fotón) de una longitud de onda o frecuencia específica en el rango ultravioleta (UV) o visible. Esto es lo que da origen al color.
• A nivel atómico o molecular, depende de las frecuencias de las vibraciones atómicas o moleculares o de los enlaces químicos, de la densidad de empaquetamiento de sus átomos o moléculas y de si estos presentan o no orden de largo alcance. Estos factores determinarán la capacidad del material para transmitir longitudes de onda más largas en los rangos infrarrojo (IR), infrarrojo lejano, radiofrecuencia y microondas.

El diseño de cualquier dispositivo ópticamente transparente requiere la selección de materiales en función del conocimiento de sus propiedades y limitaciones. Las características de absorción de la estructura cristalina observadas en las regiones de baja frecuencia (rango de longitud de onda del infrarrojo medio al lejano) definen el límite de transparencia de longitud de onda larga del material. Estas características son el resultado del acoplamiento interactivo entre los movimientos de las vibraciones inducidas térmicamente de los átomos y moléculas constituyentes de la red sólida y la radiación de la onda luminosa incidente. Por lo tanto, todos los materiales están limitados por regiones de absorción causadas por vibraciones atómicas y moleculares (estiramiento de enlaces) en el infrarrojo lejano (>10 μm). 

En otras palabras, la absorción selectiva de luz infrarroja por un material en particular se produce porque la frecuencia seleccionada de la onda luminosa coincide con la frecuencia (o un múltiplo entero de la frecuencia, es decir, un armónico ) a la que vibran las partículas de dicho material. Dado que los distintos átomos y moléculas tienen diferentes frecuencias naturales de vibración, absorberán selectivamente diferentes frecuencias (o porciones del espectro) de luz infrarroja.

La reflexión y la transmisión de las ondas luminosas se producen porque las frecuencias de estas ondas no coinciden con las frecuencias de resonancia naturales de vibración de los objetos. Cuando la luz infrarroja de estas frecuencias incide sobre un objeto, la energía se refleja o se transmite.

La atenuación en un cable aumenta significativamente con la inclusión de conectores y empalmes. Al calcular la atenuación aceptable (presupuesto de pérdidas) entre un transmisor y un receptor, se incluye:

• pérdida de dB debido al tipo y longitud del cable de fibra óptica,
• pérdida de dB introducida por los conectores y
• pérdida de dB introducida por empalmes.

Los conectores bien pulidos suelen introducir 0,3  dB por conector. Los empalmes suelen introducir menos de 0,2  dB por empalme.

La pérdida total se puede calcular mediante:

Pérdida = pérdida en dB por conector × número de conectores + pérdida en dB por empalme × número de empalmes + pérdida en dB por kilómetro × kilómetros de fibra,

donde la pérdida en dB por kilómetro depende del tipo de fibra y se puede encontrar en las especificaciones del fabricante. Por ejemplo, una  fibra monomodo típica de 1550 nm tiene una pérdida de 0,3  dB por kilómetro.

El presupuesto de pérdidas calculado se utiliza durante las pruebas para confirmar que la pérdida medida se encuentra dentro de los parámetros normales de funcionamiento.

Las fibras ópticas de vidrio casi siempre están hechas de sílice , pero para aplicaciones infrarrojas de mayor longitud de onda u otras aplicaciones especializadas se utilizan otros materiales, como vidrios de fluorozirconato , fluoroaluminato y calcogenuro , así como materiales cristalinos como el zafiro . Los vidrios de sílice y fluoruro suelen tener índices de refracción de alrededor de 1,5, pero algunos materiales, como los calcogenuros, pueden tener índices de hasta 3. Normalmente, la diferencia de índice entre el núcleo y el revestimiento es inferior al uno por ciento.

Las fibras ópticas plásticas (POF, por sus siglas en inglés) son comúnmente fibras multimodo de índice escalonado con un diámetro de núcleo de 0,5 milímetros o superior. Las POF suelen tener coeficientes de atenuación más altos que las fibras de vidrio, de 1  dB/m o más, y esta alta atenuación limita el alcance de los sistemas basados ​​en POF.

Vidrio fosfatado

_El vidrio fosfático es una clase de vidrios ópticos compuestos de metafosfatos de diversos metales. En lugar de los tetraedros de _SiO₄ en la estructura sólida reticular de los vidrios de silicato, el bloque de construcción de este vidrio es el pentóxido de fósforo (P₂O₅ ₎ , que cristaliza en al menos cuatro formas diferentes. El polimorfo más conocido es la estructura en forma de _jaula de _P₄O₁₀ .

Los vidrios de fosfato pueden ser ventajosos frente a los vidrios de sílice para fibras ópticas con una alta concentración de iones de tierras raras dopantes. Una mezcla de vidrio de fluoruro y vidrio de fosfato es el vidrio de fluorofosfato. ^{[ 88 ] [ 89 ]}

La luz se guía a través del núcleo de la fibra mediante un revestimiento óptico con un índice de refracción menor, que la atrapa en el núcleo por reflexión interna total. En algunos tipos de fibra, el revestimiento es de vidrio y se fabrica junto con el núcleo a partir de una preforma con índice de refracción que varía radialmente. En otros tipos de fibra, el revestimiento es de plástico y se aplica como un recubrimiento (véase más abajo).

El revestimiento está recubierto por una capa amortiguadora (que no debe confundirse con un tubo amortiguador propiamente dicho) que lo protege de la humedad y los daños físicos. ^{[ 79 ]} Estos recubrimientos son materiales compuestos de acrilato de uretano curados con luz ultravioleta o poliimida , aplicados al exterior de la fibra durante el proceso de estirado. Los recubrimientos protegen las delicadas hebras de fibra de vidrio —del tamaño aproximado de un cabello humano— y permiten que resistan las exigencias de la fabricación, las pruebas de resistencia, el cableado y la instalación. La capa amortiguadora debe retirarse de la fibra para su terminación o empalme.

Los procesos actuales de estirado de fibra óptica de vidrio emplean un enfoque de recubrimiento de doble capa. Un recubrimiento primario interno está diseñado para actuar como amortiguador y minimizar la atenuación causada por la microcurvatura . Un recubrimiento secundario externo protege el recubrimiento primario contra daños mecánicos y actúa como barrera contra fuerzas laterales, pudiendo ser coloreado para diferenciar los hilos en construcciones de cables agrupados. Estas capas de recubrimiento de fibra óptica se aplican durante el estirado de la fibra, a velocidades cercanas a los 100 kilómetros por hora (60 mph) . Los recubrimientos de fibra óptica se aplican mediante uno de dos métodos: húmedo sobre seco y húmedo sobre húmedo . En el método húmedo sobre seco, la fibra pasa por una aplicación de recubrimiento primario, que luego se cura con luz ultravioleta, y posteriormente por una aplicación de recubrimiento secundario, que también se cura. En el método húmedo sobre húmedo, la fibra pasa por ambas aplicaciones de recubrimiento, primario y secundario, y luego se somete a curado con luz ultravioleta. ^{[ 94 ]} 

El espesor del recubrimiento se tiene en cuenta al calcular la tensión que experimenta la fibra bajo diferentes configuraciones de flexión. ^{[ 95 ]} Cuando una fibra recubierta se enrolla alrededor de un mandril, la tensión experimentada por la fibra viene dada por ^{[ 95 ] : 45}$${\displaystyle \sigma =E{d_{\text{f}} \over d_{\text{m}}+d_{\text{c}}},}$$ donde E es el módulo de Young de la fibra , d _m es el diámetro del mandril, d _f es el diámetro del revestimiento y d _c es el diámetro del recubrimiento.

En una configuración de flexión de dos puntos, una fibra recubierta se dobla en forma de U y se coloca entre las ranuras de dos placas frontales, que se juntan hasta que la fibra se rompe. La tensión en la fibra en esta configuración viene dada por ^{[ 95 ] : 47}$${\displaystyle \sigma =1.198E{d_{\text{f}} \over d-d_{\text{c}}},}$$donde d es la distancia entre las placas frontales. El coeficiente 1,198 es una constante geométrica asociada a esta configuración.

Los recubrimientos de fibra óptica protegen las fibras de vidrio de los arañazos que podrían degradar su resistencia. La combinación de humedad y arañazos acelera el envejecimiento y el deterioro de la resistencia de la fibra. Cuando la fibra se somete a bajas tensiones durante un período prolongado, puede producirse fatiga de la fibra. Con el tiempo o en condiciones extremas, estos factores se combinan para provocar la propagación de defectos microscópicos en la fibra de vidrio, lo que finalmente puede resultar en su rotura.

Tres características clave de las guías de onda de fibra óptica pueden verse afectadas por las condiciones ambientales: resistencia, atenuación y resistencia a las pérdidas causadas por la microcurvatura. Las cubiertas externas y los tubos protectores del cable de fibra óptica protegen la fibra óptica de vidrio de las condiciones ambientales que pueden afectar su rendimiento y durabilidad a largo plazo. En el interior, los recubrimientos garantizan la fiabilidad de la señal transmitida y ayudan a minimizar la atenuación debida a la microcurvatura.

En las fibras prácticas, el revestimiento suele estar recubierto con una resina resistente y cuenta con una capa amortiguadora adicional, que puede estar rodeada a su vez por una capa de cubierta , generalmente de plástico. Estas capas aumentan la resistencia de la fibra, pero no afectan sus propiedades ópticas. Los conjuntos de fibra rígida a veces colocan vidrio absorbente de luz entre las fibras para evitar que la luz que se escapa de una fibra entre en otra. Esto reduce la diafonía entre las fibras o reduce el destello en aplicaciones de imágenes de haces de fibra. ^{[ 96 ] [ 97 ]} El cable multifibra generalmente utiliza amortiguadores de colores para identificar cada hebra.

Los cables modernos vienen en una amplia variedad de revestimientos y armaduras, diseñados para aplicaciones tales como entierro directo en zanjas, aislamiento de alto voltaje, doble uso como líneas eléctricas, ^{[ 98 ]} instalación en conductos, sujeción a postes telefónicos aéreos, instalación submarina e inserción en calles pavimentadas.

Algunas versiones de cable de fibra óptica están reforzadas con hilos de aramida o de vidrio como elemento de refuerzo intermedio . Desde el punto de vista comercial, el uso de hilos de vidrio resulta más rentable sin comprometer la durabilidad mecánica. Además, los hilos de vidrio protegen el núcleo del cable contra roedores y termitas.

El cable de fibra óptica puede ser muy flexible, pero la pérdida de la fibra tradicional aumenta considerablemente si se dobla con un radio menor a unos 30  mm. Esto genera un problema al doblar el cable en esquinas. Las fibras flexibles , diseñadas para facilitar la instalación en entornos domésticos, se han estandarizado como ITU-T G.657 . Este tipo de fibra se puede doblar con un radio de tan solo 7,5  mm sin efectos adversos. Se han desarrollado fibras aún más flexibles. ^{[ 99 ]} La fibra flexible también puede ser resistente al pirateo de fibra, en el que la señal en una fibra se monitoriza subrepticiamente doblando la fibra y detectando fugas. ^{[ 100 ]}

Otra característica importante del cable es su capacidad para soportar tensión, lo que determina cuánta fuerza se puede aplicar al cable durante la instalación.

Las fibras ópticas se conectan a los equipos terminales mediante conectores de fibra óptica . Estos conectores suelen ser de un tipo estándar, como FC , SC , ST , LC , MTRJ , MPO o SMA . Las fibras ópticas pueden conectarse mediante conectores, normalmente en un panel de parcheo , o de forma permanente mediante empalme , es decir, uniendo dos fibras para formar una guía de onda óptica continua. El método de empalme más común es el empalme por fusión , que funde los extremos de la fibra. Para trabajos de fijación más rápidos, se utiliza un empalme mecánico . Todas las técnicas de empalme implican la instalación de una carcasa que protege el empalme.

El empalme por fusión se realiza con un instrumento especializado. Primero, se retira el recubrimiento protector de polímero de los extremos de la fibra (así como la cubierta exterior, más resistente, si la tiene). Los extremos se cortan con una herramienta de corte de precisión para que queden perpendiculares y se colocan en soportes especiales en la empalmadora de fusión. El empalme se inspecciona generalmente mediante una pantalla de visualización con aumento para comprobar los cortes antes y la fusión después del empalme. La empalmadora utiliza pequeños motores para alinear las caras de los extremos y emite una pequeña chispa entre los electrodos en el espacio para eliminar el polvo y la humedad. Luego, genera una chispa más grande que eleva la temperatura por encima del punto de fusión del vidrio, fusionando los extremos de forma permanente. La ubicación y la energía de la chispa se controlan cuidadosamente para evitar que el núcleo fundido y el revestimiento se mezclen, minimizando así la pérdida óptica. La empalmadora estima la pérdida del empalme dirigiendo luz a través del revestimiento por un lado y midiendo la luz que se filtra por el otro. Una pérdida de empalme inferior a 0,1  dB es lo habitual. La complejidad de este proceso hace que el empalme de fibra óptica sea mucho más difícil que el de cable de cobre.

Las uniones mecánicas de fibra óptica están diseñadas para ser más rápidas y fáciles de instalar, pero aún requieren pelado, limpieza minuciosa y corte preciso. Los extremos de la fibra se alinean y se mantienen unidos mediante un manguito de precisión, a menudo con un gel transparente de índice de refracción que mejora la transmisión de luz a través de la unión. Las uniones mecánicas suelen presentar mayores pérdidas ópticas y son menos robustas que las uniones por fusión, especialmente si se utiliza el gel.

Las fibras se terminan en conectores que sujetan el extremo de la fibra de forma precisa y segura. Un conector de fibra óptica es un cuerpo cilíndrico rígido rodeado por un manguito que lo mantiene en su alojamiento. El mecanismo de acoplamiento puede ser de presión y clic , de giro y pestillo ( montaje de bayoneta ) o de rosca . El cuerpo suele tener libertad de movimiento dentro del manguito y puede tener una chaveta que impide que el cuerpo y la fibra giren al acoplar los conectores.

Un conector típico se instala preparando el extremo de la fibra e insertándolo en la parte posterior del cuerpo del conector. Generalmente se utiliza un adhesivo de secado rápido para sujetar la fibra de forma segura, y se coloca un alivio de tensión en la parte posterior. Una vez que el adhesivo se seca, se pule el extremo de la fibra. Se utilizan varios perfiles de pulido, según el tipo de fibra y la aplicación. La pérdida de intensidad de señal resultante se denomina pérdida de separación . Para la fibra monomodo, los extremos de la fibra se pulen típicamente con una ligera curvatura que hace que los conectores acoplados se toquen solo en sus núcleos. Esto se denomina pulido de contacto físico (PC). La superficie curva puede pulirse en ángulo para realizar una conexión de contacto físico en ángulo (APC) . Estas conexiones tienen una pérdida mayor que las conexiones PC, pero una reflexión posterior mucho menor, ya que la luz que se refleja en la superficie en ángulo se escapa del núcleo de la fibra. Los extremos de fibra APC tienen una baja reflexión posterior incluso cuando están desconectados.

En la década de 1990, la cantidad de piezas por conector, el pulido de las fibras y la necesidad de hornear la resina epoxi en cada conector dificultaban la terminación de cables de fibra óptica. Hoy en día, los tipos de conectores disponibles en el mercado ofrecen métodos más sencillos y menos laboriosos para la terminación de cables. Algunos de los conectores más populares vienen prepulidos de fábrica e incluyen un gel en su interior. Se realiza un corte a la longitud requerida para llegar lo más cerca posible de la pieza pulida que ya se encuentra dentro del conector. El gel rodea el punto donde se unen las dos piezas dentro del conector para minimizar la pérdida de luz. ^{[ 101 ]} Para las instalaciones más exigentes, los pigtails prepulidos de fábrica con la longitud suficiente para alcanzar la primera caja de empalme por fusión garantizan un buen rendimiento y minimizan la mano de obra en el sitio.

A menudo es necesario alinear una fibra óptica con otra fibra óptica o con un dispositivo optoelectrónico como un diodo emisor de luz , un diodo láser o un modulador . Esto puede implicar alinear cuidadosamente la fibra y ponerla en contacto con el dispositivo, o bien utilizar una lente para permitir el acoplamiento a través de un espacio de aire. Normalmente, el tamaño del modo de la fibra es mucho mayor que el tamaño del modo en un diodo láser o un chip óptico de silicio . En este caso, se utiliza una fibra cónica o con lente para igualar la distribución del campo del modo de la fibra con la del otro elemento. La lente en el extremo de la fibra se puede formar mediante pulido, corte láser ^{[ 102 ]} o empalme por fusión.

En un entorno de laboratorio, el extremo de una fibra óptica sin recubrimiento se acopla mediante un sistema de lanzamiento de fibra, que utiliza una lente objetivo de microscopio para enfocar la luz en un punto preciso. Una platina de traslación de precisión (mesa de microposicionamiento) se utiliza para mover la lente, la fibra o el dispositivo y así optimizar la eficiencia de acoplamiento. Las fibras con conector en el extremo simplifican considerablemente este proceso: el conector se enchufa simplemente a un colimador de fibra óptica prealineado, que contiene una lente posicionada con precisión en la fibra o ajustable. Para lograr la mejor eficiencia de inyección en una fibra monomodo, es necesario optimizar la dirección, la posición, el tamaño y la divergencia del haz. Con una buena optimización, se puede alcanzar una eficiencia de acoplamiento del 70 al 90 %.

Con fibras monomodo pulidas correctamente, el haz emitido presenta una forma gaussiana casi perfecta —incluso en el campo lejano— si se utiliza una buena lente. Esta lente debe ser lo suficientemente grande como para abarcar la apertura numérica completa de la fibra y no debe introducir aberraciones en el haz. Generalmente se utilizan lentes asféricas .

A intensidades ópticas superiores a dos megavatios por centímetro cuadrado, cuando una fibra se somete a un impacto o sufre algún otro daño repentino, puede producirse una fusión de fibra . La reflexión del daño vaporiza la fibra inmediatamente antes de la rotura, y este nuevo defecto permanece reflectante, de modo que el daño se propaga hacia el transmisor a 1–3 metros por segundo (4–11  km/h, 2–8  mph). ^{[ 103 ] [ 104 ]} El sistema de control de fibra abierta , que garantiza la seguridad ocular láser en caso de rotura de la fibra, también puede detener eficazmente la propagación de la fusión de fibra. ^{[ 105 ]} En situaciones, como en los cables submarinos, donde se podrían utilizar altos niveles de potencia sin necesidad de control de fibra abierta, un dispositivo de protección contra la fusión de fibra en el transmisor puede interrumpir el circuito para minimizar el daño.

El índice de refracción de las fibras varía ligeramente con la frecuencia de la luz, y las fuentes de luz no son perfectamente monocromáticas. La dispersión cromática surge tanto de la estructura de guía de onda de la fibra como de las propiedades dispersivas del propio vidrio, siendo esta última contribución típicamente dominante. La modulación de la fuente de luz para transmitir una señal también amplía ligeramente la banda de frecuencia de la luz transmitida. Esto tiene el efecto de que, a largas distancias y a altas velocidades de modulación, diferentes porciones de luz pueden tardar diferentes tiempos en llegar al receptor, lo que finalmente hace que la señal sea imposible de discernir. ^{[ 108 ]} Este problema puede superarse de varias maneras, incluyendo el uso de repetidores adicionales y el uso de una longitud relativamente corta de fibra que tenga el gradiente de índice de refracción opuesto .