Fibras monomodo y multimodo

Cuando se propuso la utilización de las fibras ópticas para la transmisión óptica, los mejores vidrios ópticos tenían atenuaciones de varios miles de decibelios por kilómetro. En el año de 1970 se fabricaron fibras ópticas con solamente 20 dB/km. La mínima atenuación alcanzada actualmente es de 0.2 dB/km habiéndose medido a una longitud de onda de 1.55 um. Las fibras ópticas se componen de revestimiento de baja refracción y de un núcleo de elevado índice de refracción, por el que se guía la luz mediante reflexión total en el límite revestimiento-núcleo. Esto es aplicable para fibras ópticas con perfil de salto de índice. En el caso de fibras ópticas con perfil de índice gradual la luz se desvía continuamente hacia el eje de la fibra en las regiones externas con índice de refracción menor. Ambas son fibras ópticas multimodo.
La fibra óptica monomodo no tiene ninguna ventaja si se la compara con las fibras de índice gradual, en el margen de longitud de onda de 850 nm, pues en ambas la dispersión del material conduce a las mismas grandes diferencias de retardo; más bien se podría decir que la fibra monomodo tiene desventajas: su fabricación es más difícil y el acoplamiento óptico está asociado a problemas debido a su mínimo diámetro del núcleo. De todo lo cual se deduce que la fibra óptica con perfil gradual actualmente es, para la transmisión óptica, la más clara favorita entre todas las fibras ópticas posibles.
La ventaja de la fibra monomodo consiste en su mayor ancho de banda, ya que en ella solo hay un único modo y por lo tanto desaparece la dispersión modal. Esta ventaja se aprecia especialmente cuando también se puede mantener pequeña las dispersión del material. En la realidad la dispersión del material decrece con longitudes de onda mayores y alcanza su mínimo con una longitud de onda alrededor de los 1300 nm, siendo entonces solamente un resultado de segundo orden y obteniéndose ensanchamientos del impulso de solamente 0.025 ps/nmkm. En este momento cobra importancia un fenómeno que en las observaciones anteriores no se había considerado: la distribución de campo y constante de propagación de los modos en guíaondas dependen de la relación entre la longitud de onda y la dimensión de la "guíaonda".
Puesto que esta última permanece constante se obtiene una división de cada uno de los modos de la "guíaonda", que es función de la longitud de onda denominada dispersión de la "guíaonda", y que así mismo conduce a una propagación con diferentes velocidades de las fracciones monocromáticas contiguas de un paquete de ondas y, con ello, a un ensanchamiento del impulso.
Los retardos relativos ocasionan ensanchamientos del impulso que, a una velocidad dada, conducen a confluencias de los impulsos que se hacen mayores con rutas de transmisión más largas. De ello resulta una limitación general de la longitud de las fibras ópticas para la transmisión óptica.

Las fibras multimodo comercialmente desarrollada a los finales de los 70´s y principios de los 80´s, tienen un diámetro de núcleo de 50 um como se muetra en la figura. Originalmente usado para largas distancias y sistema trunking interoficinas, La fibra multimodo fue rápidamente desplazada por la fibra de modo simple (Single- Mode) para aplicaciones de telecomunicación, porque este tipo presenta una baja atenuación óptica y una gran capacidad de trasmisión de información.

 
Ejemplo de Fibra Multimodo
 
 
Las fibras ópticas son totalmente inadecuadas en su estado bruto, después del proceso de fabricación, para su tendido por las canalizaciones de la compañía telefónica; más bien tienen que fabricarse fibras ópticas de forma similar a como se fabrican las líneas de cobre y las guías de ondas, que en sus propiedades mecánicas son comparables a los cables metálicos. Para alcanzar este objetivo tendrían que aumentarse por una parte la resistencia a la tracción de las fibras ópticas y por otra parte impulsarse su facilidad de cableado. La resistencia a la tracción de una fibra óptica que se ha estirado recientemente decrece rápidamente debido a microfisuras y a la influencia de la humedad. Se originan diminutos daños microscópicos sobre el revestimiento que penetran lentamente en el interior y disminuyen continuamente la tenacidad; para evitarlo y en conexión con el proceso de estirado se deposita directamente sobre la cubierta de la fibra una capa protectora de una resina orgánica, por ejemplo un hidrocarburo sustituido de flúor como el teflón .
Se dice que una fibra es monomodo cuando cumple ciertas condiciones. Actualmente, lo que significa es que la fibra trabaja con un solo modo, y no tiene ningún modo que dependa de su forma o del material. Las condiciones se establecen en una ecuación de la forma:
2p a/l Ö (2n´ D n)£ 2,41 = monomodo
donde:
a : radio del núcleo.
D : la longitud de onda.
n : índice de refracción del núcleo.
D n: diferencia entre los índices de refracción del núcleo y la cubierta.

La ecuación puede manipularse para encontrar el tamaño permitido del núcleo para un formato y tipo de cubierta si se conocen los índices de refracción del núcleo y la cubierta. Esto, equivale a decir que en monomodo se considera que solamente se ransmite una frecuencia e luz.
Se dice que una fibra óptica es multimodo, si bien el diámetro del nucleo o los índices de refracción del núcleo y de la cubierta son mayores que los límites establecidos por la ecuación expresada anteriormente, para operación en monomodo. Cuando se trabaja en multimodo habrá muchos rayos de luz diferentes, cada uno de ellos viajando con un ángulo e reflexión distinto pero siempre menores que el ángulo crítico, viajando a lo largo del núcleo. En la ecuación anterior se supone que los índices de refracción del núcleo y la cubierta son uniformes y que el cambio del índice de refracción de la frontera de ambos es abrupto. Es posible tener un material de tipo gradual de manera que haya un cambio gradual en el ídice de refracción desde el centro hacia el exterior. Esto disminuye la dispersión modal a lo largo de las fibras de luz multimodo.
Los términos monomodo y multimodo poseen un significado importante con respecto a la transmisión de la luz a través de la fibra óptica. Se ha apuntado que si la fibra óptica tiene un diámetro muy pequeño del orden de las millonésimas de metro, y que en ciertas condiciones pueden implicar la utilización de un material u otro para el núcleo y la cubierta, los rayos de luz seguirán prácticamente el mismo camino a lo largo del núcleo, desde un extremo de la fibra al otro. Esta es la llamada transmisión monomodo. En ella no es necesario mantener la polarización de entrada, pero sí es posible hacer que esta polarización permanezca constante durante la transmisión a través de la fibra, si la fibra es "deformada" adecuadamente durante su fabricación. Es decir, el núcleo de la fibra se fabrica de forma que no provoque un gran cambio de la polarización de la luz durante la transmisión. Una fibra óptica multimodo tiene un núcleo mayor y los rayos de luz viajarán siguiendo muchos caminos diferentes entre la entrada y la a salida, dependiendo de sus frecuencias, de sus longitudes de onda y del ángulo de inserción.
Existen dos tipos de fibras, de índice abrupto, que significa un cambio abrupto en el índice de refracción del núcleo y la cubierta de la fibra. El otro tipo es de índice gradual, que expresa un cambio gradual en el índice de refacción del núcleo que se consigue modificando el material que forma el núcleo de una manera gradual, desde el centro del mismo hasta su frontera con la cubierta.
Se ha descubierto que con un indice de refracción gradual en el material de la fibra, podría conseguirse una especie de transmisión monomodo. De esta manera, se conserva el formato de los impulsos, su número y la información se transmite fielmente, ya que la señal se propaga uniformemente a lo largo de la fibra, teniendo pérdidas, pero es posible que no exista una importante distorsión del impulso. Pero si se trata de una fibra que opera en multimodo, al ser alta la frecuencia de entrada, entonces se puede obtener algunos elementos de la señal, tales como los de frecuencia, viajando por la fibra a una velocidad superior a otros elementos, y lo que aparecerá será un problema de distorsión por dispersión.