En la segunda parte de este artículo estudiamos cómo se fabrican las diversos tipos de fibras ópticas haciendo algunas consideraciones sobre sus características y sus usos. Terminando esta serie de tres artículos, pasamos a los circuitos de aplicación y algunas consideraciones de orden práctica. La cantidad de dispositivos que existen es muy grande, de modo que nos limitamos a los principales. Nuestra mayor preocupación en esta parte final será con circuitos prácticos que involucren la transmisión de datos así como el análisis de componentes electrónicos que hacen el interfaceamento de señales con fibras ópticas.
Evidentemente, el trabajo con fibras ópticas en lo que se refiere a arreglos o incluso terminaciones es diferente de aquel que estamos acostumbrados, cuando para ello tratamos con alambres metálicos.
Hacer una unión o una terminación con cables y alambres metálicos es muy simple, bastando usar una soldadura conectores apropiados. Sin embargo, cuando tenemos que transferir la serial al final de una libra óptica a un sensor, o de un emisor a una fibra óptica, o bien arreglar una fibra, las cosas no son tan simples.
Arreglos de fibras ópticas
Evidentemente, para que podamos arreglar fibras ópticas, garantizando que la serial pase de una parte a la otra, sin problemas, las superficies en el lugar de contacto deben ser perfectamente paralelas, como muestra la figura 1. Pero, incluso con esa precaución, existen todavía problemas que debemos considerar, y uno de ellos es la llamada perdida de Fresnel.
Lo que ocurre es que, incluso en una terminación perfectamente plana de una fibra óptica, se produce todavía una pequeña reflexión de la luz incidente, aproximadamente del orden del 4%. Así, en una enmienda hecha como muestra la figura 2, tenemos que considerar el pasaje de la luz entre dos medios dos veces de la fibra al aire y del aire a la libra, lo que implica una perdida total que puede llegar a 8%.
En términos de serial eso significa una pérdida de alrededor de 0,35dB, que debe ser considerada en cualquier proyecto de largo alcance o que involucre niveles bajos de serial.
Estas pérdidas serán tanto mayores cuanto mayor sea la diferencia entre el índice de refracción del material de la fibra y el índice de refracción del aire, o sea, del medio que existe entre las junturas.
Para reducir esta diferencia de índices y por lo tanto de perdidas. un "adaptado de índices de refracción" es el elemento apropiado.
Este "adaptador” consiste en el empleo de un líquido que tenga aproximadamente el mismo índice de refracción del material usado en las libras, como muestra la figura 3.
Este mismo líquido puede ser adhesivo óptico que mantendrá las libras unidas, proporcionando así un arreglo sin problemas de pérdidas para la serial transmitida.
Otra forma de hacer arreglos en fibras ópticas aparece en la figura 4.
Se trata de una unión en caliente, en que se utiliza un arco que produce calor y la unión es hecha con una máquina, bajo presión. Vea que es importante que en este tipo de unión las fibras a ser unidas sean exactamente del mismo tipo y que los puntos de contacto sean perfectamente planos y paralelos.
Finalmente, tenemos en la figura 5 un arreglo por presión, en que dos fibras con terminaciones perfectamente planas y paralelas son colocadas en contacto bajo presión y mantenidas así por medio de un tubo de metal o plástico.
Terminaciones
Una fibra óptica es muy frágil, especialmente en los extremos desprotegidos, lo que exige cuidados especiales o recursos apropiados para su conexión a los elementos diversos de interfaceamento con otras fibras, dispositivos ópticos o bien electrónicos.
Una terminación de fibra óptica no sólo tiene por finalidad proporcionar una protección mecánica sino también proporcionar un medio seguro de transferencia de las señales, manteniéndola en posición en relación a los otros dispositivos asociados, reduciendo así las perdidas.
En la figura 6 tenemos una terminación óptica simple en que existe una "ventana" para la salida de la luz y que puede ser fijada fácilmente en diversos tipos de dispositivos.
Vea que esta terminación no posee ningún recurso óptico, o sea, la luz transmitida por la fibra aparece en un punto con las mismas características de transmisión, o sea, como una fuente prácticamente puntual, ya que el espesor de la fibra es muy pequeño.
En ciertas aplicaciones también se pueden usar terminaciones con recursos ópticos, como muestra la figura 7.
Así, tenemos una terminación con un sistema para expandir el haz de luz de modo de permitir un acoplamiento más fácil, por ejemplo, a un diodo o sensor de gran superficie. Vea que la lente debe ser colocada de tal forma que la terminación de la fibra óptica quede en su foco. De esta forma obtenemos en la salida un haz paralelo (colimado).
Son diversas ias ventajas que surgen del uso de una terminación de fibra con lente. Una de ellas es la posibilidad de obtener un mejor acoplamiento a sensores electrónicos cuyas superficies sensibles son bastante mayores que la superficie de terminación de una fibra óptica. Otra ventaja reside en el hecho de que en una superficie mayor, la presencia de pequeñas partículas de suciedad tiene un efecto menor sobre la señal (con menor atenuación) y se mantiene limpia más fácilmente.
Otro recurso óptico para la terminación y acoplamiento de fibras aparece en la figura 8, siendo usado más en los sistemas de transmisión.
Lo que tenemos es un multiacoplador que permite aplicar la señal de una fuente al mismo tiempo en diversas fibras ópticas. Este sistema usa un espejo parabólico que distribuye la señal de manera controlada a un haz de fibras.
Receptores y transmisores
Para convertir una serial eléctrica en una serial luminosa precisamos dispositivos que tengan buena velocidad de respuesta, una característica de frecuencia (color) que pueda ser transmitida con facilidad por las fibras ópticas además de la facilidad de acoplamiento.
La primera fuente de señal que presenta estas características y que por su bajo costo es de las más usadas es el diodo emisor de luz (LED).
Además de una respuesta de frecuencia bastante buena, pues un LED puede ser modulado por señales de algunos megahertz sin problemas, se constituye en una fuente de dimensiones reducidas de acoplamiento muy fácil a un sistema de fibras ópticas.
En la figura 9 tenemos una manera de hacer un acoplamiento "casero" de un LED a una fibra óptica para experimentos simples. La libra es mantenida en posición por medio de una gota de epoxi en esta disposición experimental. El LED puede ser tanto infrarrojo como de cualquier color del espectro visible.
Debemos también considerar como ventaja del uso de LEDs como fuentes de señal en los sistemas de fibra óptica, la posibilidad de trabajar con una frecuencia única, en una banda relativamente estrecha pues estos dispositivos son fuentes monocromáticas.
Como extensión de los LEDs podemos citar como fuentes de señales para sistemas de fibras ópticas los diodos laser, que básicamente poseen una estructura semejante a la de los LEDs pero con las características internas que posibilitan la producción de un haz colimado, monocromático y coherente.
Los láseres semiconductores también pueden ser modulados en frecuencias relativamente altas.
Otras fuentes de luz, como las de lámparas incandescentes, laser a gas, lámparas neón y otros gases, pueden tener grandes intensidades, pero presentan como dificultad básica la modulación pues son dispositivos muy lentos.
Una lámpara neón, por ejemplo, no puede ser modulada por frecuencias más allá de una decena de kHz.
La modulación de fuentes de luz intensas en un sistema de libra óptica o incluso otro tipo de sistema óptico puede hacerse con la ayuda de las denominadas ”Células de Kerr”.
En la figura 10, tenemos un ejemplo mostrando cómo funciona este dispositivo. Ciertos cristales presentan la propiedad de girar el plano de polarización de un haz de luz polarizada según la tensión que se aplique en sus extremos.
Así, usando dos filtros polarizadores en ángulos previamente planeados, y aplicando tensión en la célula, correspondiente a la serial moduladora, el haz de luz verá alterado su plano de polarización, pasando en mayor o menor cantidad por el segundo filtro. Tenemos entonces una variación de intensidad que dependerá de la tensión de la señal, o sea, una modulación en amplitud.
Para los receptores tenemos diversas opciones que dependen tanto de la sensibilidad deseada, como de la velocidad de respuesta.
En la figura 11 tenemos varios tipos de sensores que se pueden usar en conjunto con fibras ópticas.
En (a) tenemos un fototransistor simple que se caracteriza por la buena sensibilidad y una velocidad razonable que permite su operación en frecuencias que se acercan a 1MHz. Con mayor sensibilidad pero menor velocidad tenemos el fototransistor Darlington que se muestra en (b).
En (el tenemos un fotodiodo que, para los modelos especiales de gran superficie consigne, además de excelente sensibilidad, la mayor velocidad de respuesta, alcanzando los MHz con facilidad.
Para aplicaciones que involucran conmutación tenemos (d), un fotodiac y en (e) un foto-SCR que puede controlar incluso cargas de corrientes relativamente altas.
Los LDR no son tan usados por su baja velocidad de respuesta.
Para aplicaciones específicas con fibras ópticas estos componentes pueden ser dotados de cubiertas especiales que facilitan el acoplamiento. Veamos algunos de estos componentes.
Componentes para utilización con fibras ópticas
Motorola, por ejemplo, posee la familia MFOD de fotodetectores especialmente proyectados para operar con fibra óptica.
En la figura 12 tenemos un MFOD71 que consiste en un fotodetector con salida en diodo, proyectado para operar en sistemas con fibras ópticas de corta distancia para 1000 micrones de plástico.
En la figura 13 tenemos la conexión de este dispositivo en un circuito receptor con compatibilidad para lógica TTL. El tiempo de respuesta de este sensor es solamente 5ns (tip).
Un detector que puede operar en frecuencias tan altas como 100MHz es el MFOD1100 de Motorola. que se ve en la misma figura 13.
Proyectado para tener mayor sensibilidad en la banda del infrarrojo, este fotodetector tiene cubierta estandarizada para los conectores de libra óptica comunes.
En la figura 14 tenemos un MFOE71 de Motorola que es un elemento de la familia de los fotoemisores.
Este componente tiene un pico de emisión en 8500 angstrom, que corresponde al infrarrojo cercano y viene en cubierta adecuada para la conexión con fibras ópticas. Su respuesta alcanza los 10MHZ con una corriente continua de operación de 60mA o bien pulsos de 1A de intensidad máxima.
Para la operación en frecuencias hasta 100 MHz Motorola tiene la familia MFE1201, 1202 y 1203 que está dotados de la cubierta que se ve en la figura 15.
La corriente máxima continua de estos componentes es de 10omA y la luz emitida está en la banda del infrarrojo con pico en 8500 angstrom.
En la figura 16 tenemos un circuito para excitar este emisor con una señal de 100MHz.
Aplicaciones
Evidentemente, la aplicación más simple que se nos ocurre usando fibras ópticas es en un sistema de comunicaciones en que tenemos un transmisor que codifica la información (voz, datos, imagen, etc.) y la convierte en luz, para ser enviada por la libra óptica hasta un receptor como muestra la figura 17.
El receptor convierte la luz en información electrónica que entonces es procesada y nuevamente convertida en sonido, imagen, datos para una impresora, etc.
Evidentemente, dada la propia naturaleza del sistema, en el caso de transmisión de informaciones tenemos siempre la modalidad "señal" o en serie.
Esto ocurre normalmente para el caso de la transmisión de sonido (modulación en amplitud o frecuencia) o para la transmisión de imagen (sonido y video) como sugiere la figura 18.
Sin embargo, para la transmisión de datos, como la modalidad "parallel" no es posible con una libra única, sin multiplexación, es preciso utilizar una codificación apropiada que vuelva seguro el envío de informaciones, existiendo para eso códigos establecidos.
En un sistema digital típico, el sistema de codificación es normalmente NRZ o non-return to zero” (sin vuelta a cero). En este sistema, una secuencia de niveles altos, o "unos” son codificados de forma contínua manteniendo un nivel alto, como muestra la figura 19.
Solamente cuando tenemos un pasaje de un 1 a un 0 o vice-versa ocurre una transición de la señal enviada.
En el sistema RTZ ("return to zero”) si fuéramos a transmitir una secuencia de niveles altos o ”unos", como muestra la fi- gura 20, tenemos al final de cada uno" un retorno de la señal al nivel cero.
Observe que en este segundo caso, para una misma información a transmitir, tenemos mayor número de transiciones del nivel cero al uno y viceversa.
La consecuencia de esta diferencia es que en un sistema en que tenemos el retorno a cero (RTZ) precisamos de un ancho de banda dos veces mayor para la transmisión de informaciones que en un sistema sin retorno a cero (NRZ).
Sin embargo, si tuviera que transmitirse una secuencia muy larga de "1" el sistema RTZ será más adecuado para evitar la pérdida de informaciones.
Para resolver el problema que ocurre en los dos casos existe un sistema denominado de Codificación Manchester, don- dela polaridad de la serial se invierte en el iinal de cada bit independientemente de que sea 1 o 0.
En la figura 21 tenemos lo que ocurre.
Lo más importante en esta modalidad de transmisión es que incluso si un bit falla, sea 1 o 0, el sistema tiene capacidad de
mantenerse sincronizado, no habiendo así una discontinuidad o perdida de información que siga al bit 0 bits que fallan.
Algunos circuitos
En la figura 22 tenemos un circuito simple con amplificador operacional para la recepción de señales continuas o moduladas, provenientes de una fibra óptica.
El fototransistor (o fotodiodo) debe ser elegido de acuerdo con la velocidad de transmisión e intensidad de la fuente.
En la figura 23 tenemos un conversor A/D que puede ser usado para transmitir informaciones de un transductor resistivo como por ejemplo un sensor de temperatura a través de una fibra óptica.
En este circuito, la magnitud traducida por el sensor es convertida en frecuencia y transmitida a través de la libra óptica.
Finalmente, en la figura 24 tenemos un circuito que permite el accionamiento de un relé a partir de serial enviada por una fibra óptica.
Este sistema puede ser usado en robots y otros sistemas de control, principalmente en los que deban ser instalados en locales sujetos a interferencias u otros problemas, que impidan la utilización de conductores metálicos.
Terminamos así esta serie de artículos, dejando por cuenta de los lectores la profundización sobre el tema.
Bibliografia
Optoelectronics Device Data – Motorola INC - 1987
Optoelectronic and Image - Sensor Data Book - Texas Instruments - 1987
Introducción a la Fibra Optica y el Láser Edward L Safford - Paraninfo - 1988
Fiberotic Infrared and Laser Space - Age
Projects - Robert E. Iannini - Tab Books 2724 – 1987