La dispersión cromática
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Como vimos en el artículo sobre la propagación en la fibra óptica, la luz está sujeta a una serie de fenómenos en su viaje por un medio de transmisión. Aquellos que reducen el ancho de banda y la eficiencia se denominan pérdidas de transmisión, y la dispersión cromática es una de las más importantes.
En este artículo vamos a explicarte en qué consiste y cómo afecta a la comunicación por fibra óptica.
¿Qué es la dispersión cromática?
La luz está compuesta por varios colores, que no son más que diferentes longitudes de onda, algo que sabemos gracias a Isaac Newton y su prisma:
En este experimento vemos cómo la luz se descompone en los colores básicos del espectro visible al atravesar un prisma de cristal. Cada longitud de onda se refracta a distinta velocidad:
- unos colores son más rápidos, rojos (750 nm), y llegan más lejos.
- otros son más lentos, violetas (400 nm), quedando más cerca del prisma.
Si nos vamos al campo de la fibra óptica y pensamos en cómo se transmite por ella, sabemos que tenemos un emisor óptico que inyecta luz en un cable. Pues bien, estos dispositivos no son totalmente monocromáticos, sino que emiten luz con un cierto ancho de banda espectral, es decir, en varios colores o longitudes de onda, salvando las distancias, como la luz que entraba en el prisma de Newton.
La dispersión cromática se produce porque los rayos de luz que inyectamos en el extremo de un cable, llegan al otro lado en diferentes momentos, recibiendo una señal ligeramente distorsionada. Se mide en ps/nm·km, que indica que un pulso con una anchura espectral de 1 nanómetro se ensanchará 1 picosegundo por cada kilómetro que viaje.
Tipos de dispersión cromática
El fenómeno de la dispersión cromática es en realidad la suma de 2 dispersiones: la dispersión del material y la dispersión por guía de onda. Ambos afectan tanto a fibras monomodo como multimodo. Veamos cada uno en detalle:
Dispersión cromática del material
Es el principal causante de la dispersión cromática y a veces se usa como sinónimo de ella.
En el artículo de la propagación de la luz, vimos que cada sustancia tiene un índice de refracción característico, lo que hace que cada longitud de onda que la atraviesa, lo haga a una determinada velocidad o incluso no lo haga y se «refleje». Esto hace que los rayos de luz de la fibra óptica «reboten» con mayor o menor ángulo a través de ella, según su «color».
Relacionando el índice de refracción del material, con las longitudes de onda que lo atraviesan, podemos calcular un coeficiente de dispersión cromática del material, que nos indicará el grado de dispersión que sufre una luz de una determinada longitud de onda al atravesarlo.
Gracias a este valor, se pueden desarrollar compuestos para la fibra óptica que tengan una baja dispersión cromática en las longitudes de onda que más interesen. Esta gráfica muestra la dispersión cromática según longitud de onda de varias fibras ópticas comerciales:
Dependiendo de donde tenga el valor más bajo, la fibra será buena para transmitir en una determinada longitud de onda.
Dispersión cromática por guía de onda
El segundo origen de la dispersión cromática se encuentra en las diferentes velocidades de los pulsos de luz, al viajar más cerca o más lejos del núcleo de la fibra óptica.
Debido a campos eléctricos y magnéticos, una parte de la luz viaja por el revestimiento, en lugar de estar toda confinada en el núcleo como pudiéramos pensar. Al tener núcleo y revestimiento diferentes índices de refracción, los pulsos viajarán a velocidad diferente en cada parte, originando dispersión cromática:
- Pulsos con menor longitud de onda, más hacia el violeta, viajan cerca del núcleo, mayor refracción.
- Pulsos con mayor longitud de onda, más hacia el rojo, viajan cerca del revestimiento, menor refracción.
Pérdidas por dispersión cromática
La dispersión cromática provoca un incremento en la duración de los pulsos que transmitimos, es decir, un ensanchamiento, pues algunos colores llegan pronto y otros más tarde. Ésto tiene 2 consecuencias:
- una reducción de la frecuencia de transmisión.
- una menor distancia máxima de transmisión.
Pues si la primera es muy alta, o la segunda muy larga, 2 pulsos consecutivos podrían llegar a solaparse, produciendo una interferencia. Por tanto, la dispersión cromática de un cable de fibra óptica es un factor limitante, que determina la cantidad de datos o ancho de banda que se puede transportar sobre una fibra única.
Es curioso saber que este factor no fue un problema en los inicios de la fibra óptica, pues las frecuencias de transmisión no eran lo suficientemente rápidas para generar interferencias. Con el tiempo y el incremento de las velocidades, comenzó a dar problemas, y en la industria se desarrollaron soluciones para evitarlo.
Cómo eliminarla
Varias son las técnicas para limitar el efecto de dispersión cromática.
Láser como emisor óptico
Si conseguimos transmitir en una longitud de onda muy similar (ancho espectral reducido), evitaremos casi por completo este fenómeno de dispersión. Ésto es lo que hacen las fuentes de luz monocromáticas como, por ejemplo, los diodos láser de inyección o ILD, que se caracterizan por emitir una luz muy pura de una determinada longitud de onda:
- 800 nm: GaAs
- 1.310 nm: InGaAsP, InGaAsN
- 1.550 nm: InGaAsP, InGaAsNSb
- 1.625 nm: InGaAsP
Ga: galio, As: arsénico, P: fósforo, Al: aluminio, In: indio, N: nitrógeno, Sb: antimonio
Por comparar, en 800 nm los láseres tienen un ancho espectral de solo 2-3 nm, mientras que en los LED es de 30-50 nm. La desventaja es que son mucho más caros y complejos.
Fibras compensadoras de dispersión (DCF)
En inglés: Dispersion Compensating Fiber.
Para una determinada frecuencia de transmisión, por ejemplo, 1.550 nm, existen fibras con coeficientes de dispersión cromática positivos y otras con coeficientes negativos. A alguien se le ocurrió la buena idea de unir un tramo de fibras digamos «positivas», con otro tramo de fibras «negativas», de modo que la dispersión se cancelara entre ambas.
Tenían que tener un «pero» y este no es otro que su elevada pérdida por atenuación y un peor comportamiento ante efectos no lineales.
Fibras de dispersión desplazada (DSF)
En inglés: Dispersion Shifted Fiber .
Son fibras sin dispersión cromática en la longitud de onda de 1.550 nm, muy interesante por su baja atenuación. Esta característica se consigue gracias a procesos de fabricación que optimizan el tamaño del núcleo y los índices de refracción entre éste y el revestimiento para desplazar la dispersión cromática a otras longitudes de onda.
Solucionado el tema de la atenuación de las DCF, pero seguían presentando el problema de los fenómenos no lineales, que se ven potenciados en las regiones de dispersión nula.
Fibras de dispersión desplazda no nula (NZDSF)
En inglés: Non Zero Dispersion Shifted Fiber.
Para solucionar el problema de las DSF, se desarrollaron fibras con dispersión cromática cercana al cero, pero no nulos, de esta forma evitan los fenómenos no lineales. Pueden tener coeficientes positivos, NZD+, o negativos, NZD-.
Rejilla Bragg de fibra (FBG)
En inglés: Fiber Bragg Grating.
Llamadas así por la aplicación de la Ley de Bragg, es una estructura de pequeño tamaño (varios milímetros), que se instala en el núcleo de una fibra óptica. De hecho, se fotoinscribe, mediante la aplicación de luz ultravioleta. Su efecto es que funciona como un filtro pasa banda, es decir, sólo deja pasar la luz de una longitud de onda determinada, una banda espectral muy estrecha. Esto soluciona la dispersión cromática de fuentes de luz con bandas espectrales amplias.
Escrito por
Fuentes:
- Electronic Communications Systems – Wayne Tomasi
- Propagación de la luz en guías de onda – Escola Tècnica Superior d’Enginyeria. Universitat de València.
- Artículo de Francisco Ramos Pascual. Ingeniero de Telecomunicación. Profesor de Radiocomunicaciones en la Universidad Politécnica de Valencia
- www.hbm.com
- Wikipedia
