Fibras multimodo: Índice escalonado frente a índice graduado

En función de la distribución del índice de refracción, la fibra multimodo (MMF) puede clasificarse en dos categorías: fibra de índice graduado y fibra de índice escalonado. La fibra de índice graduado y la fibra de índice escalonado tienen principios de funcionamiento diferentes y se utilizan en distintos escenarios de red. En este artículo vamos a analizar las diferencias entre los dos tipos de fibras multimodo y sus aplicaciones.

En este tipo de fibra, se mantiene un índice de refracción uniforme dentro del núcleo. En la interfaz núcleo-revestimiento, el valor del índice de refracción es casi nulo, lo que provoca una fuerte reflexión de los haces de luz. Este bajo índice de refracción en la interfaz núcleo-revestimiento es una manifestación del menor índice de refracción del revestimiento. Las fibras multimodo de índice escalonado funcionan según el principio de reflexión total y permiten que la luz atraviese el eje fibra/núcleo en zigzag.

La luz que entra en la fibra multimodo de índice escalonado con diferentes ángulos de incidencia pasará por diferentes trayectorias, lo que garantiza un funcionamiento multimodo eficaz. Cada haz de luz viaja a la misma velocidad a través de la fibra, pero el tiempo que tarda en salir depende del ángulo con el que haya entrado. Los haces que entran en ángulos más pronunciados se enfrentan a una mayor reflexión, por lo que salen más tarde que los haces de luz que entran en ángulos menos pronunciados.

Dispersión modal en MMF de índice escalonado

Como hemos comentado anteriormente, en la fibra multimodo los rayos de luz se introducen a lo largo del eje de la fibra con diferentes ángulos. Los rayos que se introducen con un ángulo menor toman un camino relativamente directo para alcanzar el extremo de la fibra. Por otro lado, los rayos que se introducen con ángulos agudos tardan más tiempo en salir de la fibra debido a que sufren más hechizos de reflexión en los límites del revestimiento/núcleo. En las fibras multimodo, este mecanismo de distorsión está representado por un fenómeno denominado dispersión modal o distorsión intermodal.

En las comunicaciones digitales basadas en fibra óptica se utilizan pulsos de luz para la transmisión de señales a través de la fibra. La dispersión modal hace que las señales o pulsos se extiendan en el tiempo porque las señales ópticas generadas en diferentes modos vienen con diferentes velocidades de propagación. En las fibras multimodo, la magnitud de la dispersión del impulso depende del número de modos que se transmiten. El ancho de banda disponible de la fibra multimodo de índice escalonado se ve comprometido si está sometida a un mayor número de modos. La dispersión modal tiende a degradar el rendimiento de un sistema de comunicación basado en fibra óptica porque en caso de dispersión extensa no se puede evitar el solapamiento de pulsos, lo que resulta en lecturas de tasa de error de bit (BER) aliviadas.

Aplicaciones de fibra multimodo con índice de paso

De la discusión anterior se desprende que las fibras multimodo de índice escalonado funcionan con una dispersión mayor. La dispersión de la fibra no sólo afecta a la capacidad de transmisión de datos de la fibra, sino que también limita la distancia de comunicación efectiva máxima. Debido a estas limitaciones, la fibra multimodo de índice escalonado se considera generalmente sólo para aplicaciones de baja velocidad y corta distancia. Este tipo de fibra es más adecuado para aplicaciones en las que se requieren mayores densidades de potencia, como el suministro de energía industrial y médica. Para la transmisión de datos y las telecomunicaciones se prefiere la fibra de índice graduado.

En este tipo de fibra, el índice de refracción más alto se mantiene en el eje del núcleo y disminuye gradualmente a medida que aumenta la distancia radial (medida desde el centro del núcleo). En resumen, el índice de refracción en el interior de una fibra de índice graduado disminuye alejándose de su centro y en el borde de su núcleo el valor del índice de refracción llega a ser casi igual al valor del índice de refracción del revestimiento. Este cambio gradual en el valor del índice de refracción produce refracción interna en lugar de reflexión. De este modo, los rayos de luz se curvan hacia el eje de la fibra a medida que se desplazan por la fibra de bajo índice de refracción. En la fibra multimodo de índice graduado, la reflexión interna total es prácticamente nula, ya que los rayos de luz son forzados a volver al eje del núcleo antes de golpear el revestimiento. A continuación se indican algunas propiedades notables de la fibra multimodo de índice graduado;

• Baja pérdida
• Gran ancho de banda
• Capacidad de ampliación
• Baja sensibilidad a la macrocurvatura
• Baja sensibilidad a la microcurvatura
• Admite distancias más largas

Dispersión modal en MMF de índice graduado

La dispersión modal es un fenómeno común relacionado con las aplicaciones de fibra multimodo en las que diferentes modos de luz entran en la fibra simultáneamente pero salen de forma asíncrona. En las fibras multimodo de índice graduado, el efecto de la dispersión modal puede reducirse significativamente porque la velocidad de la luz dentro del núcleo varía con el índice de refracción. La velocidad de la luz que se aleja del núcleo de la fibra aumenta a medida que el índice de refracción disminuye gradualmente. Esta diferencia de velocidad compensa el mayor tiempo que tardan los haces de luz que recorren trayectos más largos. Como resultado, en las fibras multimodo de índice graduado, el tiempo de transmisión de varios modos permanece casi idéntico, lo que da lugar a una reducción significativa de la dispersión del modelo y hace que la fibra pueda funcionar con un mayor ancho de banda.

La figura anterior lo demuestra;

• Dos rayos de luz (modo A y modo B) entraron en la fibra con diferentes ángulos de incidencia
• Ambos rayos de luz salieron de la fibra al mismo tiempo, aproximadamente.
• El modo A recorrió un camino más largo y cubrió más distancia.
• El Modo B viajó por una ruta relativamente más corta.
• La mayor distancia recorrida por el modo A se compensa con su mayor velocidad media.
• Las regiones de bajo índice de refracción de la fibra permitieron al modo A alcanzar mejores velocidades
• El modo B permaneció más cerca del eje de la fibra y, por eso, viajó a menor velocidad

Aplicaciones de fibra multimodo de índice graduado

La fibra óptica multimodo de índice graduado (MMF) se ha convertido en la opción por defecto para las aplicaciones de fibra óptica multimodo. En la actualidad, este tipo de fibra se utiliza ampliamente en aplicaciones de transmisión de datos. Este tipo de fibra se considera para aplicaciones de alta velocidad (34 Mb/s a 140 Mb/s) y media distancia (10km-20km). Las fibras de índice escalonado no pueden manejar ese mayor ancho de banda y distancia debido a la amplia dispersión del modelo de distorsión interna.

La mayoría de las aplicaciones actuales utilizan el índice graduado cuando se trata del tipo preferido de fibra multimodo. Los distintos fabricantes producen diferentes grados de fibra de índice graduado. A este respecto, es importante comprender que el tamaño del núcleo y del revestimiento son dos de los parámetros de diseño más importantes. Hoy en día se fabrican cables con diferentes combinaciones de tamaño de núcleo y revestimiento. Sin embargo, el cable de fibra 62,5/125 ofrece el mejor rendimiento y puede considerarse para diversas aplicaciones. Por otro lado, la fibra multimodo de índice escalonado se considera sólo para aplicaciones de corto alcance y bajo ancho de banda. En el siguiente gráfico, puede ver una comparación rápida entre los dos tipos de fibras multimodo.

• La fibra de índice escalonado y la fibra de índice graduado son dos tipos de fibras multimodo.
• La fibra de índice graduado ofrece una calidad de transmisión superior, mayor ancho de banda y mayor distancia
• Una mayor dispersión modal limita el ancho de banda de la fibra de índice escalonado
• En las aplicaciones de comunicación modernas, se prefiere la fibra de índice graduado.
• La fibra de índice escalonado es más barata, pero no puede ofrecer un mayor ancho de banda ni distancias más largas.