Graficas de las funciones trigonometricas

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  • 1. UNIVERSIDAD DEL AZUAYNOMBRES: PABLO REINOSO HUGO QUITO MARIA DEL CISNE BUELE. DAVID HUAYLLA.CURSO: 1ERO “E”MATERIA: INFORMÁTICAAÑO LECTIVO: 2010 – 2011
  • 2. Introducción: ................................................................................................................................. 4Capitulo I ....................................................................................................................................... 5 2. Naturaleza de la luz. .............................................................................................................. 5 2.1. Teoría corpuscular:......................................................................................................... 5 2.2 Teoría Ondulatoria. ......................................................................................................... 6Capitulo II ...................................................................................................................................... 8 3. Velocidad de la luz................................................................................................................. 8 3.1 Método de Medición. ...................................................................................................... 8CApitulo III ................................................................................................................................... 10 4. Leyes de la Óptica................................................................................................................ 10 4.1 Ley de la Refracción....................................................................................................... 10 4.2 Reflexión:....................................................................................................................... 11 4.3 Ley de Snell. ................................................................................................................... 12 4.4Principio de Fermat ..................................................................................................... 13 4.5Reflexión total .............................................................................................................. 13CApituloIV.................................................................................................................................... 14 5. Descomposición de la Luz. .................................................................................................. 14Capitulo V .................................................................................................................................... 16 6. Espejos:................................................................................................................................ 16 6.1 Espejos Planos: .............................................................................................................. 16 6.2 Espejos Esféricos. .......................................................................................................... 16 6.3Espejos Cóncavos. .......................................................................................................... 17 6.4 Espejos Convexos. ......................................................................................................... 17Capitulo VI ................................................................................................................................... 18 7. Lentes. ................................................................................................................................. 18 7.1 Lentes convergentes. .................................................................................................... 18 7.2 Lentes Divergentes. ....................................................................................................... 19Capitulo 7 .................................................................................................................................... 20 8. INSTRUMENTOS ÓPTICOS. .................................................................................................. 20 8.1. El ojo humano. ............................................................................................................. 20 8.2 La lupa. .......................................................................................................................... 20 8.3 Microscopio compuesto ................................................................................................ 21Capitulo VIII ................................................................................................................................. 23 9. Fibra óptica .......................................................................................................................... 23 2
  • 3. 9.1Historia ........................................................................................................................... 239.2 Proceso de fabricación. ................................................................................................. 26 9.2.1La etapa de estirado de la preforma. ...................................................................... 279.3 Aplicaciones................................................................................................................... 28 9.3.1Comunicaciones con fibra óptica. ........................................................................... 28 9.3.2 Sensores de fibra óptica. ........................................................................................ 28 9.3.3Iluminación. ............................................................................................................. 299.4 Características. .............................................................................................................. 29 9.4.1Funcionamiento. ..................................................................................................... 30 9.4.2 Ventajas. ................................................................................................................. 30 9.4.3Desventajas. ............................................................................................................ 319.5 Tipos. ............................................................................................................................. 31 9.5.1Fibra multimodo. ..................................................................................................... 31 9.5.2 Fibra monomodo .................................................................................................... 329.6 Tipos según su diseño. .................................................................................................. 32 9.6.1 Cable de estructura holgada .................................................................................. 32 9.6.2 Cable de estructura ajustada ................................................................................. 339.7 Componentes de la fibra óptica. ................................................................................... 33 9.7.1 Tipos de conectores ............................................................................................... 33 9.7.2 Emisores del haz de luz. ......................................................................................... 34 9.7.3Conversores luz-corriente eléctrica. ....................................................................... 34 3
  • 4. INTRODUCCIÓN:1. La óptica:La óptica (del griego optomai, ver) es la rama de la física que estudia el comportamiento de laluz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción,las interferencias, la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con lamateria. Estudia la luz, es decir cómo se comporta la luz ante la materia.La óptica física es la rama de la óptica que toma la luz como una onda y explica algunosfenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo. Estos fenómenos son:Difracción: es la capacidad de las ondas para cambiar la dirección alrededor de obstáculos ensu trayectoria, esto se debe a la propiedad que tienen las ondas de generar nuevos frentes deonda.Polarización: es la propiedad por la cual uno o más de los múltiples planos en que vibran lasondas de luz se filtra impidiendo su paso. Esto produce efectos como eliminación de brillos.La Óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características ysus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, ladifracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia. En la EdadAntigua se conocía la propagación rectilínea de la luz y la reflexión y refracción. Dos filósofos ymatemáticos griegos escribieron tratados sobre óptica, Empédocles y Euclides.En física, la óptica geométrica parte de las leyes fenomenológicas deSnell (o Descartes segúnotras fuentes) de la reflexión y la refracción. A partir de ellas, basta hacer geometría con losrayos luminosos para la obtención de las fórmulas que corresponden a los espejos, dioptrioylentes (o sus combinaciones), obteniendo así las leyes que gobiernan los instrumentos ópticosa que estamos acostumbrados.La óptica geométrica usa la noción de rayo luminoso; es una aproximación delcomportamiento que corresponde a las ondas electromagnéticas (la luz) cuando losobjetos involucrados son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda usada; ellopermite despreciar los efectos derivados de la difracción, comportamiento ligado a lanaturaleza ondulatoria de la luz.Esta aproximación es llamada de la Eikonal y permite derivar la óptica geométrica apartir de las ecuaciones de maxwell. 4
  • 5. Capítulo ICAPITULO I2. Naturaleza de la luz.2.1. Teoría corpuscular:La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas sin carga ysin masa llamadas fotones, capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética.Esta interpretación resurgió debido a que, la luz, en sus interacciones con la materia,Supone que la luz está formada por partículas materiales, que llamó corpúsculos que sonlanzados gran velocidad por los cuerpos emisores de luz.Permite explicar fenómenos como- La propagación rectilínea de la luz en el medio, ya que los focos luminosos emitiríanminúsculas partículas que se propagan en todas direcciones y que al chocar con nuestros ojos,producen la sensación luminosa.Newton supuso que los corpúsculos eran muy pequeños en comparación con la materia y quese propagan sin rozamiento por el medio.Teniendo en cuenta esto, los corpúsculos chocaban elásticamente contra la superficie deseparación entre dos medios. Como la diferencia de masas es muy grande los corpúsculosrebotaban, de modo que la componente horizontal de la cantidad de movimiento px semantiene constante mientras que la componente normal py cambia de sentido. Se cumplía laley de la reflexión, el ángulo de incidencia y de reflexión eran iguales.En la refracción, al pasar la luz de propagarse por aire a hacerlo por agua, los corpúsculosatraídos, por el agua, eran acelerados al entrar en ella. Por tanto py aumentaba y loscorpúsculos variaban su dirección de propagación acercándose a la normal. Según esto, lavelocidad de propagación de la luz en agua es mayor que en el aire. ( como ya hemos visto porHuygens, ocurre lo contrario, si v´ disminuye se acerca a la normal). Esto podía permitirdistinguir una y otra teoría.Por último también consideraba que los diferentes colores que formaban la luz blanca sedeben a diferentes tipos de corpúsculos, cada uno responsable de un color.Con esta teoría no podían abordarse fenómenos como la difracción de la luz. 5
  • 6. Capítulo I2.2 Teoría Ondulatoria.Esta teoría considera que la luz es una onda electromagnética, consistente en un campoeléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnéticoy viceversa, ya que loscampos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampère) y los camposmagnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma, la onda seautopropaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricosgenerándose continuamente. Estas ondas electromagnéticas son sinusoidales, con los camposeléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación .Para poder describir una onda electromagnética podemos utilizar los parámetros habituales decualquier onda:Amplitud (A): Es la longitud máxima respecto a la posición de equilibrio que alcanza la onda ensu desplazamiento.Periodo (T): Es el tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por unpunto fijo en el espacio.Frecuencia (ν): Número de oscilaciones del campo por unidad de tiempo. Es una cantidadinversa al periodo.Longitud de onda (λ): Es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas.Velocidad de propagación (V): Es la distancia que recorre la onda en una unidad de tiempo. Enel caso de la velocidad de propagación de la luz en el vacío, se representa con la letra c.La velocidad, la frecuencia, el periodo y la longitud de onda están relacionadas por lassiguientes ecuaciones: 6
  • 7. Capítulo I 7
  • 8. Capítulo IICAPITULO II3. Velocidad de la luz.3.1 Método de Medición.El primer método terrestre para medir la velocidad de la luz fue proyectado en 1849 por elfísico francés Armand Hippolyte Louis Fizeau, aunque observaciones astronómicas anterioreshabían proporcionado una velocidad aproximadamente correcta. En la actualidad, la velocidadde la luz en el vacío se toma como 299.792.458 m/s, y este valor se emplea para medir grandesdistancias a partir del tiempo que emplea un pulso de luz o de ondas de radio para alcanzar unobjetivo y volver. Este es el principio del radar. El conocimiento preciso de la velocidad y lalongitud de onda de la luz también permite una medida precisa de las longitudes. De hecho, elmetro se define en la actualidad como la longitud recorrida por la luz en el vacío en unintervalo de tiempo de 1/299.792.458 segundos. La velocidad de la luz en el aire esligeramente distinta según la longitud de onda, y en promedio es un 3% menor que en el vacío;en el agua es aproximadamente un 25% menor, y en el vidrio ordinario un 33% menor.Sudispositivo experimental fue: la luz de una fuente intensa era reflejada por un espejosemitransparente y luego se llevaba a un foco en un punto por medio de una lente. Despuésde convertirse en un haz de rayos paralelos por una segunda lente, la luz recorría 867 kmhasta la cima de una colina, donde un espejo y una lente reflejaban la luz de nuevo en sentidocontrario. Regresando por la misma trayectoria, algo de luz pasaba a través del espejo yentraba en el ojo del observador. El propósito de la rueda dentada giratoria era cortar el haz luminoso en destellosmomentáneos, y medir el tiempo empleado por esas señales en llegar hasta el espejo distantey regresar de vuelta. Con la rueda en reposo y en tal posición que la luz pase por la aberturaentre los dientes, el observador verá una imagen de la fuente de luz. Si ahora, la rueda se ponea girar con una velocidad que aumenta lentamente, se alcanzará pronto una situación en lacual la luz pasa a través del hueco de la rueda, regresará justo al mismo tiempo para serdetenida por los dientes de la rueda. Bajo estas condiciones, la imagen se eclipsarácompletamente para el observador. Aumentando más esa velocidad, reaparecerá la luz,incrementando su intensidad hasta alcanzar un máximo. Esto ocurrirá cuando los destellosenviados a través de las aberturas respectiva-mente. Con una rueda de 720 dientes, Fizeauobservó este máximo a la velocidad de 25 revoluciones por segundo. El tiempo requerido paraque la luz viaje de ida y vuelta se puede calcular como 1/25 veces, 1/720 o 1/18000 de seg.Esto da una velocidad de 313.000 km/seg a partir de la distancia de ida y vuelta de 1734 km. 8
  • 9. Capítulo IILEÓN FOUCAULT.Foucault, Léon (1819-1868), físico francés, nació en París y trabajó con el físico francésArmandFizeau en la determinación de la velocidad de la luz. Foucault demostró, por su parte,que la velocidad de la luz en el aire es mayor que en el agua. En 1851 hizo una demostraciónespectacular de la rotación de la Tierra suspendiendo un péndulo con un cable largo desde lacúpula del Panteón en París: el movimiento del péndulo reveló la rotación de la Tierra sobre sueje. Foucault fue uno de los primeros en mostrar la existencia de corrientes (corrientes deFoucault) generados por los campos magnéticos, y el creador de un método para medir lacurvatura de los espejos telescópicos. Entre los dispositivos que inventó están un prismapolarizador y el giroscopio en el que se basa el compás giroscópico moderno.Foucault modificó el aparato de Fizeau, reemplazó la rueda dentada por un espejo giratorio.Introduciendo entre la rueda y el espejo un tubo lleno de agua, comprobó que la velocidad dela luz en el agua es menor que en el aire, pero la teoría corpuscular, creída insostenible enaquellos tiempos, exige que sea mayor.En 1850, Foucault completó y publicó los resultados de un experimento en el que habíamedido la velocidad de la luz en el agua. Fue un experimento crucial para la larga controversiaque existía sobre la naturaleza de la luz. De acuerdo con Newton y sus discípulos, la luz estabaformada por pequeñas partículas que emanan de una fuente. por otra parte, Huygens, suponíaque la luz compuesta por ondas, similares en naturaleza quizás a las ondas del agua o a lasondas sonoras. Ahora bien, la teoría corpuscular de Newton requería que la luz se propaguemás deprisa en un medio denso como el agua que en un medio de menor densidad como elaire, mientras que la teoría ondulatoria de Huygens, exigía que se propague más despacio.Enviando la luz a un lado y a otro en un tubo largo lleno de agua, Foucault halló que suvelocidad era menor que en el aire, lo cual constituye una confirmación brillante de la teoríaondulatoria de Huygens.El dibujo siguiente representa un esquema simplificado del método de Foucault. 9
  • 10. Capítulo IIICAPITULO III4. Leyes de la Óptica.4.1 Ley de la Refracción.Un cuerpo parcialmente sumergido en agua se ve chueco; como si se doblara al entraral agua. Este fenómeno se llama refracción. Además del agua se observa en muchosotros medios transparentes, como el vidrio, llamados refringentes. Era uno de losproblemas ópticos pendientes de solución todavía hacia el siglo XIII.Los fenómenos de refracción se incorporan a la óptica geométrica simplementesuponiendo que los rayos luminosos cambian de dirección no sólo al reflejarse sinotambién al pasar de un medio refringente a otro; por ejemplo, del agua al aire, o delagua al vidrio, o del vidrio al aire. Un experimento sencillo que demuestra este cambiode dirección se muestra en la figura 11.Una moneda pequeña en el fondo de una taza vacía está apenas oculta por el filo dela taza en la figura 11 (a). Llenando lentamente la taza con agua la moneda aparecepoco a poco, hasta observarse por completo, en la figura 11(b). Los rayos luminosos emitidos por la moneda que llegan al ojo debido a que sonrefractados en la superficie del agua se muestran en esa figura; la moneda se ve en ladirección de estos rayos. El experimento muestra también que los rayos refractadosestán más cerca de la superficie en el medio menos denso; el aire en la figura 11(b). 10
  • 11. Capítulo IIIFigura 11. Un experimento para demostrar la refracción de la luz. En (a) la moneda estáapenas oculta por una orilla de la taza. En (b) la moneda aparece al llenar lentamente la tazacon agua. Los rayos luminosos cambian de dirección al pasar del agua al aire.La forma precisa en que cambia la dirección de los rayos en la refracción, esto es, laley de la refracción, no es tan simple como la ley de la reflexión. Tal vez por esto,aunque el fenómeno de la refracción era conocido desde la antigüedad, la ley de larefracción no fue descubierta sino hasta el siglo XV por el astrónomo holandésWillebrord Snell, quien, inexplicablemente, no la dio a conocer, describiéndolasolamente en sus notas personales de investigación. La ley de la refracción fuedivulgada por Descartes en 1627, pero se conoce universalmente como la ley de Snell.No relaciona los ángulos de los rayos luminosos con la perpendicular a la superficie derefracción, sino los senos de esos ángulos. En símbolos matemáticos se expresa así:sen (i) / sen (r) = constante = n; esto es, el cociente de los senos de los ángulos deincidencia i y de refracción r toma el mismo valor para todos los valores posibles deestos ángulos. Por ejemplo, si los rayos pasan del aire al agua la cantidad constante n,llamada índice de refracción, vale 4/ 3 y se tiene sen (i) / sen (r) = 4/ 3.4.2 Reflexión:Cuando un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo encuentra en sucamino una superficie bien pulida, se refleja en ella siguiendo una serie de leyes. Estefenómeno es conocido como reflexión regular o especular.Se llama plano de incidencia al plano formado por el rayo incidente y la normal (es decir, lalínea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia . El ángulo deincidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal. El ángulo de reflexión es el que seforma entre el rayo reflejado y la misma normal.Para explicar el fenómeno de la reflexión de la luz es necesario suponer que ladirección de los rayos luminosos cambia en algunas circunstancias. Una imagen en unespejo se ve como si el objeto estuviera atrás, y no frente a éste. La óptica geométrica explica este familiar fenómeno suponiendo que los rayosluminosos cambian de dirección al llegar al espejo. La forma precisa en que ocurreeste cambio se conoce como ley de la reflexión de la luz. Es una ley muy sencilla: losrayos incidente y reflejado hacen ángulos iguales con el espejo; o con la perpendicularal espejo, que es como suelen medirse estos ángulos (Figura 10). Esta ley, por cierto,también se puede deducir aplicando la ley de variación del tamaño aparente con ladistancia para explicar los tamaños aparentes de un objeto y de su imagen en unespejo plano. O, dicho de otra forma, si vemos nuestra imagen en un espejo plano deltamaño que la vemos es porque los rayos incidente y reflejado forman ángulos igualesCon el espejo. 11
  • 12. Capítulo IIIFigura 10. La ley de la reflexión de la luz: el ángulo de incidencia, i, y el de reflexión, r,de un rayo luminoso sobre una superficie son iguales; esto es i = r.4.3 Ley de Snell.Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van RoijenSnell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno del ángulo deincidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el senodel ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie deseparación de los medios en el punto de incidencia están en un mismo plano. En general, elíndice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un materialmenos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Portanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, sedesviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracciónmenor, se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal sonreflejados y refractados en esa misma dirección.Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado en unmedio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo que está enrealidad. Un ejemplo habitual es el de un objeto sumergido, observado desde encima del agua,como se muestra en la figura 3 (sólo se representan rayos oblicuos para ilustrar el fenómenocon más claridad). El rayo DB procedente del punto D del objeto se desvía alejándose de lanormal, hacia el punto A. Por ello, el objeto parece situado en C, donde la línea ABC intersectauna línea perpendicular a la superficie del agua y que pasa por D. 12
  • 13. Capítulo III4.4Principio de FermatEl rayo incidente se divide en dos partes, de manera que satisface las condiciones para lascuales el recorrido entre dos puntos a través de la superficie de separación, se realiza en untiempo mínimo.4.5Reflexión totalEste fenómeno se da cuando el rayo de luz no es refractado. Si el rayo proviene de un mediocon un índice de refracción mayor n2, incide sobre una superficie con índice de refracciónmenor, n1, se refleja totalmente:Donde α es el ángulo de incidencia que recibe el nombre de ángulo límite o crítico. 13
  • 14. Capítulo IVCAPITULOIV5. Descomposición de la Luz.En los experimentos y observaciones anteriores utilizábamos luz blanca, pero... ¿de dóndeprovienen los colores? Newton descubrió que la luz blanca está formada por una mezcla deinfinitas variedades de rayos de color y cada uno de estos rayos se puede definir como elángulo de refracción con el que entra o sale de cualquier medio transparente. Sudescubrimiento fue posible gracias a la utilización de un prisma. La luz no sólo cambiaba dedirección sino que además se descomponía en los 7 colores del arco iris.Para reforzar esta teoría, Newton puso un segundo prisma en el cual, los rayos de color sevolvían a transformar en luz blanca. También se puede observar este fenómeno con en elconocido “disco de Newton”.Después de los experimentos de doble refracción, Newton pudo explicar la apariencia del coloren los objetos. Cada objeto posee una capacidad selectiva de absorción de la luz blanca solar yla parte no absorbida es reflejada como color. Esto se pude explicar más fácilmente medianteel siguiente experimento:Después de descomponer la luz con un prisma, aislamos sólo un color y nos damos cuenta queéste solo, al pasar por un segundo prisma no experimentaría ningún cambio, es lo quellamamos luz homogénea. Los objetos que recibieran sólo esta luz homogénea serían solo deesa luz. Por lo tanto, el color de los objetos depende del tipo de iluminación y de su capacidadde absorción de la luz.Los seres humanos (y algunos animales) apreciamos una amplia gama de colores que, por logeneral, se deben a la mezcla de radiaciones (luces) de diferentes longitudes de onda. El colorde la luz con una única longitud de onda o una banda estrecha de ellas se conoce como colorpuro.Al hacer pasar la luz por un prisma de cristal, las distintas longitudes de onda que componen elhaz de luz viajan dentro de él a diferente velocidad y se curvan de manera diferente al entrar yal salir (doble refracción al cambiar de medio) dando como resultado un haz desviado de ladirección inicial y con sus componentes separados. Así surge el espectro solar. 14
  • 15. Capítulo IVCada uno de los diferentes rayos de luz atraviesa el cristal con distinta velocidad y la velocidadmedia de la luz dentro del prisma es menor que en el vacío. La luz es una onda con un campoeléctrico oscilante que interfiere con las partículas cargadas que hay en la materia.Cómo puedes observar en la imagen inicial de esta página, siempre que la luz incide en unacara se refleja y se refracta al mismo tiempo.Fenómenos de luz: descomposición de la luz - Prisma - Experiencia de Newton 15
  • 16. Capítulo VCAPITULO V6. Espejos:6.1 Espejos Planos:Un espejo plano es una superficie plana muy pulimentada que puede reflejar la luz que le llegacon una capacidad reflectora de la intensidad de la luz incidente del 95% (o superior).Losespejos planos se utilizan con mucha frecuencia. Son los que usamos cada mañana paramirarnos. En ellos vemos nuestro reflejo, una imagen que no está distorsionada En los espejosplanos la imagen que se forma esta a la misma distancia del espejo que de este al objeto, en la siguientegrafica se muestra un objeto representado por una flecha y su imagen, las líneas punteadas representanrayos de luz.El plano XY es el espejo, se ha colocado un objeto O, la línea roja es el rayo de luz que parte del objeto yse refleja en el espejo, la línea azul son las prolongaciones de los rayos de luz que forman la imagen O’.De la grafica se observa que la imagen se forma en el interior del espejo, por eso se llama virtual, estaderecha y tiene la misma altura.6.2 Espejos Esféricos.Los espejos esféricos tienen la forma de la superficie que resulta cuando una esfera es cortadapor un plano. Si la superficie reflectora está situada en la cara interior de la esfera se dice queel espejo es cóncavo. Si está situada en la cara exterior se denomina convexo. Lascaracterísticas ópticas fundamentales de todo espejo esférico son las siguientes:su formula esn=360/<a-1. Donde n=numero de imagenes, 360=<perigonal, <a=angulo de abertura, -1=elobjeto reflejado.Centro de curvatura C: Es el centro de la superficie esférica que constituye el espejo.Radio de curvatura R: Es el radio de dicha superficie.Vértice V: Coincide con el centro del espejo. 16
  • 17. Capítulo VEje principal: Es la recta que une el centro de curvatura C con el vértice V.Foco: Es un punto del eje por el que pasan o donde convergen todos los rayos reflejados queinciden paralelamente al eje. En los espejos esféricos se encuentra en el punto medio entre elcentro de curvatura y el vértice.6.3Espejos Cóncavos.Los espejos cóncavos hacen converger los rayos luminosos paralelos. Se usan en losfocos de los vehículos. Al colocar una ampolleta en el foco, los rayos salen paralelos.Se pueden producir imágenes reales y virtuales, dependiendo de la ubicación delobjeto.Una imagen real se forma por intersección real de los rayos reflejados.Una imagen virtual se forma en la intersección de las proyecciones de los rayosreflejados.6.4 Espejos Convexos.Los espejos convexos hacen divergir los rayos luminosos paralelos. Se suele usarEn supermercados y bancos como una manera de tener una vista de amplioEspectro. En un espejo convexo sólo se forman imágenes virtuales. 17
  • 18. Capítulo VICAPITULO VI7. Lentes.Definición: Una lente es un vidrio, o un plástico transparente, que tiene una formageométrica semejante a una lenteja (de ahí su nombre), con las caras en forma decasquetes esféricos.Se utilizan para construir diversos instrumentosópticos: cámaras fotográficas, microscopios,telescopios, prismáticos, gafas, etc.7.1 Lentes convergentes.Las lentes convergentes son más gruesas por el centro que por el borde, y concentran(hacen converger) en un punto los rayos de luz que las atraviesan. A este punto se lellama foco (F) y la separación entre él y la lente se conoce como distancia focal (f).(Sonmás gruesas en el centro que en los extremos.)Su característica esencial es quehacen converger (centrar) en un punto los rayos de luz.Paralelos que penetran en ellas.Este punto de convergencia se denomina foco de la lente.Si miras a través de ellas, las cosas se ven más grandes.Un ejemplo lo tienes en la lupa que, a veces, se utiliza para ver cosas pequeñas (monedas,sellos).También se utilizan para compensar la hipermetropía. (Enfermedad ocular).Las lentes convergentes se utilizan en muchos instrumentos ópticos y también para lacorrección de la hipermetropía. Las personas hipermétropes no ven bien de cerca ytienen que alejarse los objetos. Una posible causa de la hipermetropía es elachatamiento antero posterior del ojo que supone que las imágenes se formarían connitidez por detrás de la retina.Cuando se aplican estas reglas sencillas para determinar la imagen de un objeto por una lenteconvergente, se obtienen los siguientes resultados:- Si el objeto está situado respecto del plano óptico a una, la imagen es real, invertida y demenor tamaño.- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico igual a 2f, la imagen es real, invertiday de igual tamaño.- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico comprendida entre 2f y f, la imagenes real, invertida y de mayor tamaño.- Si el objeto está situado a una distancia del plano óptico inferior a f, la imagen es virtual,directa y de mayor tamaño. 18
  • 19. Capítulo VI7.2 Lentes Divergentes.Las lentes divergentes, se caracterizan porque son más gruesas en la orilla que en el centro ypueden presentar tres formas diferentes: lente bicóncava (6), lente plano cóncava (7), ymenisco divergente (8). Estas lentes se llaman divergentes, porque los rayos que llegan a ellas paralelos, se refractandos veces, resultando después divergentes, pero sus prolongaciones se cruzan en un mismopunto que también se llama foco de la lente F (9); como todas estas lentes funcionanigualmente en ambos sentidos, presentan dos focos virtuales equidistantes a ellas.Como las tres formas de lentes divergentes funcionan de igual manera, para representarlas enlos esquemas, se usa una línea recta terminada en sus extremos por flechas, con de sentidoafuera hacia el centro, debiendo marcarse claramente sus focos.La construcción de imágenes formadas por lentes divergentes se lleva a cabo de formasemejante, teniendo en cuenta que cuando un rayo incide sobre la lente paralelamente al eje,es la prolongación del rayo emergente la que pasa por el foco objeto F. Asimismo, cuando unrayo incidente se dirige hacia el foco imagen F de modo que su prolongación pase por él, elrayo emergente discurre paralelamente al eje. Finalmente y al igual que sucede en las lentesconvergentes, cualquier rayo que se dirija a la lente pasando por el centro óptico se refractasin sufrir desviación.Aunque para lentes divergentes se tiene siempre que la imagen resultante es virtual, directa yde menor tamaño, la aplicación de estas reglas permite obtener fácilmente la imagen de unobjeto situado a cualquier distancia de la lente. 19
  • 20. Capítulo VIICAPITULO 78. INSTRUMENTOS ÓPTICOS.8.1. El ojo humano.De forma muy simplificada, podemos considerar que el ojo humano está constituido por unalente (formada por la córnea y el cristalino) y una superficie fotosensible (la retina). La luzentra en el ojo a través de la pupila, cuyo tamaño se puede variar por contracción o expansiónde una membrana denominada iris.Una característica fundamental de este sistema es que la potencia de la lente es variable, cosaque el ojo lleva a cabo cambiando la curvatura del cristalino, mediante los músculos ciliares.• Cuando el ojo está en reposo (es decir, cuando el cristalino no está acomodando, está enposición de reposo), la potencia de la lente es la adecuada para que sobre la retina se formeuna imagen enfocada de los objetos situados en el infinito. La potencia del ojo en estasituación de reposo es de aproximadamente, 58 dioptrías.• Cuando el cristalino acomoda al máximo, es decir, cuando su potencia es máxima, se formauna imagen enfocada de la retina de objetos situados a, aproximadamente, 25 cm (estadistancia depende de la edad). Es decir, el ojo puede incrementar su potencia hasta 4 dioptrías(amplitud de acomodación).Así pues, el ojo humano puede ver enfocadas imágenes de objetos situados entre un puntoalejado (punto remoto) y un punto cercano (puntopróximo).8.2 La lupa.La lupa, también llamada microscopio simple o lente de aumento es una lente convergenteque permite ver los objetos de mayor tamaño que el natural. Si queremos observar con detalleun objeto de pequeño tamaño, solemos acercarlo al ojo para que sea mayor la imagen sobre laretina. La existencia del punto próximo limita nuestras posibilidades de ver el objeto connitidez. La lupa nos permite colocar el objeto a menor distancia que el punto próximo. 20
  • 21. Capítulo VIISi el objeto A1B1 se coloca entre el foco F1 y la lente se obtiene una imagen A2B2 virtual,derecha y de mayor tamaño que el objeto. Podemos observarlo colocando el ojo cerca de lacara posterior de la lente.El aumento angular o poder amplificador de la lupa es la relación entre el ángulo visual jcuando se observa el objeto con lupa y el ángulo visual jo cuando se observa sin lupacolocando el objeto en el punto próximo.Si se coloca el objeto en el foco F1 la imgen se forma en el infinito y el ojo esté relajado. Así:φ ≈ tg φ = y/fφo ≈ tgφo = y/xρDividiendo:AA = φ/φo = xρ/f8.3 Microscopio compuestoSe le suele llamar simplemente microscopio. Sirve para observar objetos cercanos de muypoco tamaño con un aumento considerablemente mayor que el proporcionado por una lupa.Está constituido por:Objetivo. Es el sistema de lentes más cercano al objeto que se va a observar 21
  • 22. Capítulo VIIOcular. Es el sistema de lentes a través del que observamos la imagen ampliada del objeto.Platina. Superficie que sirve de soporte del objeto. Este se coloca sobre un vidrio llamadoportaobjetos y se tapa con otro vidrio muy fino llamado cubreobjetos. El objeto a observar sesitúa en la platina.Foco luminoso y condensador. Constituyen el sistema de iluminación. La luz procedente delfoco es concentrada por el condensador que es una lente convergente sobre el objeto y selogra una iluminación suficiente de este.Su funcionamiento es sencillo. El tubo que contiene el objetivo y el ocular se acerca o se alejahasta ver el objeto con la nitidez deseada. El objeto A1B1 se coloca a una distancia del objetivo algo mayor que la focal, produciéndose la imagen A’B’ real, invertida y amplificada entre el ocular y su foco anterior. El ocular, que actúa como una lupa observa esta imagen y produce otra A2B2, virtual, invertida y aún más ampliada. Para observar la imagen sin acomodación del ojo, los rayos del ocular deben salir paralelos, es decir, la imagen del objetivo debe formarse en el foco anterior del ocular.El aumento lateral del objetivo será m = h´/h. Según la figura se puede deducir que:α ≈ -h´/l ≈ h/f objetivo y por tanto h´/h = -l/f objetivo 22
  • 23. Capítulo VIIICAPITULO VIII9. Fibra ópticaLa fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos;un hilomuy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que seenvían pulsos de luzque representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamenteconfinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima delángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser oun LED.Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar grancantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio o cable. Son elmedio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas,también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibraóptica sobre otros medios de transmisión.9.1HistoriaEl uso de la luz para la codificación de señales no es nuevo, los antiguos griegos usaban espejospara transmitir información, de modo rudimentario, usando luz solar. En 1792, ClaudeChappediseñó un sistema de telegrafía óptica, que mediante el uso de un código y torres yespejos distribuidos a lo largo de los 200 km que separan Lille y París, conseguía transmitir unmensaje en tan sólo 16 minutos.La gran novedad aportada en nuestra época es la de haber conseguido “domar” la luz, demodo que sea posible que se propague dentro de un cable tendido por el hombre. El uso de laluz guiada, de modo que no expanda en todas direcciones, sino en una muy concreta ypredefinida se ha conseguido mediante la fibra óptica, que podemos pensar como unconducto de vidrio -fibra de vidrio ultra delgada- protegida por un material aislante que sirvepara transportar la señal lumínica de un punto a otro.Además tiene muchas otras ventajas, como bajas pérdidas de señal, tamaño y peso reducido,inmunidad frente a emisiones electromagnéticas y de radiofrecuencia y seguridad.Como resultado de estudios en física enfocados de la óptica, se descubrió un nuevo modo deempleo para la luz llamado rayo láser. Este último es usado con mayor vigor en el área de lastelecomunicaciones, debido a lo factible que es enviar mensajes con altas velocidades y conuna amplia cobertura. Sin embargo, no existía un conducto para hacer viajar los fotonesoriginados por el láser.La posibilidad de controlar un rayo de luz, dirigiéndolo en una trayectoria recta, se conocedesde hace mucho tiempo. En 1820, Augustin-Jean Fresnel ya conocía las ecuaciones por lasque rige la captura de la luz dentro de una placa de cristal lisa. Su ampliación a lo que entoncesse conocía como cables de vidrio fue obra de D. Hondros y Peter Debye en 1910.El confinamiento de la luz por refracción, el principio de que posibilita la fibra óptica, fuedemostrado por Daniel Colladon y Jacques Babinet en París en los comienzos de la década de 23
  • 24. Capítulo VIII1840. El físico irlandés John Tyndall descubrió que la luz podía viajar dentro de un material(agua), curvándose por reflexión interna, y en 1870 presentó sus estudios ante los miembrosde la Real Sociedad.1 A partir de este principio se llevaron a cabo una serie de estudios, en losque demostraron el potencial del cristal como medio eficaz de transmisión a larga distancia.Además, se desarrollaron una serie de aplicaciones basadas en dicho principio para iluminarcorrientes de agua en fuentes públicas. Más tarde, J. L. Baird registró patentes que describíanla utilización de bastones sólidos de vidrio en la transmisión de luz, para su empleo en unprimitivo sistema de televisión de colores. El gran problema, sin embargo, era que las técnicasy los materiales usados no permitían la transmisión de la luz con buen rendimiento. Laspérdidas eran grandes y no había dispositivos de acoplamiento óptico.Solamente en 1950 las fibras ópticas comenzaron a interesar a los investigadores, con muchasaplicaciones prácticas que estaban siendo desarrolladas. En 1952, el físico Narinder SinghKapany, apoyándose en los estudios de John Tyndall, realizó experimentos que condujeron a lainvención de la fibra óptica.Uno de los primeros usos de la fibra óptica fue emplear un haz de fibras para la transmisión deimágenes, que se usó en el endoscopiomédico. Usando la fibra óptica, se consiguió unendoscopio semiflexible, el cual fue patentado por la Universidad de Míchigan en 1956. Eneste invento se usaron unas nuevas fibras forradas con un material de bajo índice derefracción, ya que antes se impregnaban con aceites o ceras. En esta misma época, seempezaron a utilizar filamentos delgados como el pelo que transportaban luz a distanciascortas, tanto en la industria como en la medicina, de forma que la luz podía llegar a lugaresque de otra forma serían inaccesibles. El único problema era que esta luz perdía hasta el 99%de su intensidad al atravesar distancias de hasta 9 metros de fibra.Charles K. Kao, en su tesis doctoral de 1956, estimó que las máximas pérdidas que deberíatener la fibra óptica, para que resultara práctica en enlaces de comunicaciones, eran de20 dB/km.En 1966, en un comunicado dirigido a la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, losinvestigadores Charles K. Kao y G. A. Hockham, de los laboratorios de StandardTelecommunications, en Inglaterra, afirmaron que se podía disponer de fibras de unatransparencia mayor y propusieron el uso de fibras de vidrio y luz, en lugar de electricidad yconductores metálicos, en la transmisión de mensajes telefónicos. La obtención de tales fibrasexigió grandes esfuerzos de los investigadores, ya que las fibras hasta entonces presentabanpérdidas del orden de 100 dB por kilómetro, además de una banda pasante estrecha y unaenorme fragilidad mecánica. Este estudio constituyó la base para mejorar las pérdidas de lasseñales ópticas que hasta el momento eran muy significativas y no permitían elaprovechamiento de esta tecnología. En un artículo teórico, demostraron que las grandespérdidas características de las fibras existentes se debían a impurezas diminutas intrínsecas delcristal. Mientras tanto, como resultado de los esfuerzos, se hicieron nuevas fibras conatenuación de 20 dB por kilómetro y una banda pasante de 1 GHz para un largo de 1 km, con laperspectiva de sustituir los cables coaxiales. La utilización de fibras de 100 µm de diámetro,envueltas en nylon resistente, permitirían la construcción de hilos tan fuertes que no podíanromperse con las manos. Hoy ya existen fibras ópticas con atenuaciones tan pequeñas dehasta 1 dB por kilómetro, lo que es muchísimo menor a las pérdidas de un cable coaxial.El artículo de Kao-Hockman estimuló a algunos investigadores a producir dichas fibras conbajas pérdidas. El gran avance se produjo en 1970, cuando los investigadores Maurer, Keck,Schultz y Zimar que trabajaban para Corning Glass, fabricaron la primera fibra óptica aplicando 24
  • 25. Capítulo VIIIimpurezas de titanio en sílice, con cientos de metros de largo con la claridad cristalina que Kaoy Hockman habían propuesto. Las pérdidas eran de 17 dB/km. Durante esta década lastécnicas de fabricación se mejoraron, consiguiendo pérdidas de tan solo 0,5 dB/km.Poco después, Panish y Hayashi, de los laboratorios Bell, mostraron un láser desemiconductores que podía funcionar continuamente a temperatura ambiente. En 1978 ya setransmitía a 10 Gb km/segundos. Además, John MacChesney y sus colaboradores, también delos laboratorios Bell, desarrollaron independientemente métodos de preparación de fibras.Todas estas actividades marcaron un punto decisivo ya que ahora, existían los medios parallevar las comunicaciones de fibra óptica fuera de los laboratorios, al campo de la ingenieríahabitual. Durante la siguiente década, a medida que continuaban las investigaciones, las fibrasópticas mejoraron constantemente su transparencia.El 22 de abril de 1977, General Telephone and Electronics envió la primera transmisióntelefónica a través de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California.El amplificador que marcó un antes y un después en el uso de la fibra óptica en conexionesinterurbanas, reduciendo el coste de ellas, fue elamplificador óptico inventado por DavidPayne, de la Universidad de Southampton, y por Emmanuel Desurvire en los Laboratorios Bell.A ambos se les concedió la medalla Benjamin Franklin en 1988.En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal podía atravesar 240kilómetros de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable. Pero las fibras ópticas con estegrado de transparencia no se podían fabricar usando métodos tradicionales. El gran avance seprodujo cuando se dieron cuenta de que el cristal de sílice puro, sin ninguna impureza demetal que absorbiese luz, solamente se podía fabricar directamente a partir de componentesde vapor, evitando de esta forma la contaminación que inevitablemente resultaba del usoconvencional de los crisoles de fundición. El progreso se centraba ahora en seleccionar elequilibrio correcto de componentes del vapor y optimizar sus reacciones. La tecnología endesarrollo se basaba principalmente en el conocimiento de la termodinámica química, unaciencia perfeccionada por tres generaciones de químicos desde su adopción original por partede WillardGibbs, en el siglo XIX.También en 1980, AT&T presentó a la Comisión Federal de Comunicaciones de los EstadosUnidos un proyecto de un sistema de 978 kilómetros que conectaría las principales ciudadesdel corredor que iba de Boston a Washington D. C.. Cuatro años después, cuando el sistemacomenzó a funcionar, su cable, de menos de 25 centímetros de diámetro, proporcionaba80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas simultáneas. Para entonces, la longitud 25
  • 26. Capítulo VIIItotal de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos alcanzaba 400.000 kilómetros(suficiente para llegar a la luna).Pronto, cables similares atravesaron los océanos del mundo. El primer enlace transoceánicocon fibra óptica fue el TAT-8 que comenzó a operar en 1988, usando un cristal tantransparente que los amplificadores para regenerar las señales débiles se podían colocar adistancias de más de 64 kilómetros. Tres años después, otro cable transatlántico duplicó lacapacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacífico también han entrado enfuncionamiento. Desde entonces, se ha empleado fibra óptica en multitud de enlacestransoceánicos o entre ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redestroncales de las operadoras hacia los usuarios finales.Hoy en día, debido a sus mínimas pérdidas de señal y a sus óptimas propiedades de ancho debanda, la fibra óptica puede ser usada a distancias más largas que el cable de cobre. Además,las fibras por su peso y tamaño reducido, hace que sea muy útil en entornos donde el cable decobre sería impracticable.9.2 Proceso de fabricación.Una vez obtenida mediante procesos químicos la materia de la fibra óptica, se pasa a sufabricación. Proceso continuo en el tiempo que básicamente se puede describir a través detres etapas; la fabricación de la preforma, el estirado de esta y por último las pruebas ymediciones. Para la creación de la preforma existen cuatro procesos que son principalmenteutilizados.La etapa de fabricación de la preforma puede ser a través de alguno de los siguientes métodos:M.C.V.D Modified Chemical Vapor DepositionFue desarrollado originalmente por Corning Glass y modificado por los Laboratorios BellTelephone para su uso industrial. Utiliza un tubo de cuarzo puro de donde se parte y esdepositado en su interior la mezcla de dióxido de silicio y aditivos de dopado en forma decapas concéntricas. A continuación en el proceso industrial se instala el tubo en un tornogiratorio. El tubo es calentado hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 1.400 °C y1.600 °C mediante un quemador de hidrógeno y oxígeno. Al girar el torno el quemadorcomienza a desplazarse a lo largo del tubo. Por un extremo del tubo se introducen los aditivosde dopado, parte fundamental del proceso, ya que de la proporción de estos aditivosdependerá el perfil final del índice de refracción del núcleo. La deposición de las sucesivascapas se obtienen de las sucesivas pasadas del quemador, mientras el torno gira; quedando deesta forma sintezado el núcleo de la fibra óptica. La operación que resta es el colapso, se lograigualmente con el continuo desplazamiento del quemador, solo que ahora a una temperaturacomprendida entre 1.700 °C y 1.800 °C. Precisamente es esta temperatura la que garantiza elablandamiento del cuarzo, convirtiéndose así el tubo en el cilindro macizo que constituye lapreforma. Las dimensiones de la preforma suelen ser de un metro de longitud útil y de uncentímetro de diámetro exterior.V.A.D Vapor Axial DepositionSu funcionamiento se basa en la técnica desarrollada por la NipponTelephone and Telegraph(N.T.T), muy utilizado en Japón por compañías dedicadas a la fabricación de fibras ópticas. La 26
  • 27. Capítulo VIIImateria prima que utiliza es la misma que el metodo M.C.V.D, su diferencia con este radica,que en este último solamente se depositaba el núcleo, mientras que en este además delnúcleo de la FO se deposita el revestimiento. Por esta razón debe cuidarse que en la zona dedeposición axial o núcleo, se deposite más dióxido de germanio que en la periferia, lo que selogran a través de la introducción de los parámetros de diseño en el software que sirve deapoyo en el proceso de fabricación. A partir de un cilindro de vidrio auxiliar que sirve desoporte para la preforma, se inicia el proceso de creación de esta, depositándoseordenadamente los materiales, a partir del extremo del cilindro quedando así conformada lallamada "preforma porosa". Conforme su tasa de crecimiento se va desprendiendo del cilindroauxiliar de vidrio. El siguiente paso consiste en el colapsado, donde se somete la preformaporosa a una temperatura comprendida entre los 1.500 °C y 1.700 °C, lográndose así elreblandamiento del cuarzo. Quedando convertida la preforma porosa hueca en su interior enel cilindro macizo y transparente, mediante el cual se suele describir la preforma.Entre sus ventajas, comparado con el método anterior (M.C.V.D) permite obtener preformascon mayor diámetro y mayor longitud a la vez que precisa un menor aporte energético. Comoinconveniente se destaca como uno el de mayor cognotación, la sofisticación que requiere enequipo necesarios para su realización.O.V.D Outside Vapor DepositionDesarrollado por Corning GlassWork. Parte de una varilla de substrato cerámica y unquemador. En la llama del quemador son introducidos los cloruros vaporosos y esta caldea lavarilla. A continuación se realiza el proceso denominado síntesis de la preforma, que consisteen el secado de la misma mediante cloro gaseoso y el correspondiente colapsado de formaanáloga a los realizados con el método V.A.D, quedando así sintetizados el núcleo yrevestimiento de la preforma.Entre las Ventajas, es de citar que las tasas de deposición que se alcanzan son del ordende 4.3g / min, lo que representa una tasa de fabricación de FO de 5km / h, habiendo sidoeliminadas las pérdidas iniciales en el paso de estirado de la preforma. También es posible lafabricación de fibras de muy baja atenuación y de gran calidad mediante la optimización en elproceso de secado, porque los perfiles así obtenidos son lisos y sin estructura anularreconocible.P.C.V.D Plasma Chemical Vapor DepositionEs desarrollado por Philips, se caracteriza por la obtención de perfiles lisos sin estructuraanular reconocible. Su principio se basa en la oxidación de los cloruros de silicio y germanio,creando en estos un estado de plasma, seguido del proceso de deposición interior.9.2.1La etapa de estirado de la preforma.Sea cualquiera que se utilice de las técnicas que permiten la construcción de la preforma es decomún a todas el proceso de estirado de esta. Consiste básicamente en la existencia deun horno tubular abierto, en cuyo interior se somete la preforma a una temperatura de2.000 °C, logrando así el reblandamiento del cuarzo y quedando fijado el diámetro exterior dela FO. Este diámetro se ha de mantener constante mientras se aplica una tensión sobre lapreforma, para lograr esto precisamente la constancia y uniformidad en la tensión de traccióny la ausencia de corrientes de convección en el interior del horno, son los factores que lo 27
  • 28. Capítulo VIIIpermiten. En este proceso se ha de cuidar que en la atmósfera interior del horno esté aisladade partículas provenientes del exterior para evitar que la superficie reblandecida de la FOpueda ser contaminada, o se puedan crear microfisuras, con la consecuente e inevitable roturade la fibra. También es aquí donde se aplica a la fibra un material sintético, que generalmentees un polimerizado viscoso, el cual posibilita las elevadas velocidades de estirado,comprendidas entre 1m / sg y 3m / sg, conformándose así una capa uniforme sobre la fibratotalmente libre de burbujas e impurezas. Posteriormente se pasa al endurecimiento de laprotección antes descrita quedando así la capa definitiva de polímero elástico. Esto se realizahabitualmente mediante procesos térmicos o a través de procesos dereacciones químicas mediante el empleo de radiaciones ultravioletas.9.3 Aplicaciones.Su uso es muy variado: desde comunicaciones digitales, pasando por sensores y llegando ausos decorativos, como árboles de Navidad, veladores y otros elementos similares.Aplicaciones de la fibra monomodo: Cables submarinos, cables interurbanos, etc.9.3.1Comunicaciones con fibra óptica.La fibra óptica se emplea como medio de transmisión para las redes de telecomunicaciones, yaque por su flexibilidad los conductores ópticos pueden agruparse formando cables. Las fibrasusadas en este campo son de plástico o de vidrio, y algunas veces de los dos tipos. Para usosinterurbanos son de vidrio, por la baja atenuación que tienen.El FTPLa fibra óptica posee una variante llamada FTP (No confundir con el protocolo FTP)El FTP , o Par trenzado de fibra óptica en español, es la combinación de la fiabilidad del partrenzado y la velocidad de la fibra óptica, se emplea solo en instalaciones científico-militaresgracias a la velocidad de transmisión 10gb/s, no está disponible para el mercado civilactualmente, su costo es 3 veces mayor al de la fibra óptica.Para las comunicaciones se emplean fibras multimodo y monomodo, usando las multimodopara distancias cortas (hasta 5000 m) y las monomodo para acoplamientos de larga distancia.Debido a que las fibras monomodo son más sensibles a los empalmes, soldaduras yconectores, las fibras y los componentes de éstas son de mayor costo que los de las fibrasmultimodo.9.3.2 Sensores de fibra óptica.Las fibras ópticas se pueden utilizar como sensores para medir la tensión, la temperatura, lapresión y otros parámetros. El tamaño pequeño y el hecho de que por ellas no circula corrienteeléctrica le da ciertas ventajas respecto al sensor eléctrico.Las fibras ópticas se utilizan como hidrófonos para los sismos o aplicaciones de sónar. Se hadesarrollado sistemas hidrofónicos con más de 100 sensores usando la fibra óptica. Loshidrófonos son usados por la industria de petróleo así como las marinas de guerra de algunospaíses. La compañía alemana Sennheiser desarrolló un micrófono que trabajaba con un láser ylas fibras ópticas. 28
  • 29. Capítulo VIIILos sensores de fibra óptica para la temperatura y la presión se han desarrollado para pozospetrolíferos. Estos sensores pueden trabajar a mayores temperaturas que los sensores desemiconductores.Otro uso de la fibra óptica como un sensor es el giroscopio óptico que usa el Boeing 767 y eluso en microsensores del hidrógeno.9.3.3Iluminación.Otro uso que le podemos dar a la fibra óptica es el de iluminar cualquier espacio. Debido a lasventajas que este tipo de iluminación representa en los últimos años ha empezado a ser muyutilizado.Entre las ventajas de la iluminación por fibra podemos mencionar:Ausencia de electricidad y calor: Esto se debe a que la fibra sólo tiene la capacidad detransmitir los haces de luz además de que la lámpara que ilumina la fibra no está en contactodirecto con la misma.Se puede cambiar de color la iluminación sin necesidad de cambiar la lámpara: Esto se debe aque la fibra puede transportar el haz de luz de cualquier color sin importar el color de la fibra.Con una lámpara se puede hacer una iluminación más amplia por medio de fibra: Esto esdebido a que con una lámpara se puede iluminar varias fibras y colocarlas en diferenteslugares.9.4 Características.Cada filamento consta de un núcleo central de plástico o cristal (óxido de silicio y germanio)con un alto índice de refracción, rodeado de una capa de un material similar con un índice derefracción ligeramente menor. Cuando la luz llega a una superficie que limita con un índice derefracción menor, se refleja en gran parte, cuanto mayor sea la diferencia de índices y mayor elángulo de incidencia, se habla entonces de reflexión interna total.En el interior de una fibra óptica, la luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muyabiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiarlas señales luminosas sin pérdidas por largas distancias.A lo largo de toda la creación y desarrollo de la fibra óptica, algunas de sus características hanido cambiando para mejorarla. Las características más destacables de la fibra óptica en laactualidad son:Cobertura más resistente: La cubierta contiene un 25% más material que las cubiertasconvencionales.Uso dual (interior y exterior): La resistencia al agua y emisiones ultravioleta, la cubiertaresistente y el funcionamiento ambiental extendido de la fibra óptica contribuyen a una mayorconfiabilidad durante el tiempo de vida de la fibra. 29
  • 30. Capítulo VIIIMayor protección en lugares húmedos: Se combate la intrusión de la humedad en el interiorde la fibra con múltiples capas de protección alrededor de ésta, lo que proporciona a la fibra,una mayor vida útil y confiabilidad en lugares húmedos.Empaquetado de alta densidad: Con el máximo número de fibras en el menor diámetro posiblese consigue una más rápida y más fácil instalación, donde el cable debe enfrentar doblecesagudos y espacios estrechos. Se ha llegado a conseguir un cable con 72 fibras de construcciónsúper densa cuyo diámetro es un 50% menor al de los cables convencionales.9.4.1Funcionamiento.Los principios básicos de su funcionamiento se justifican aplicando las leyes de la ópticageométrica, principalmente, la ley de la refracción (principio de reflexión interna total) y la leyde Snell.Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, tal que este noatraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando. Esto se consigue si elíndice de refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del revestimiento, y también siel ángulo de incidencia es superior al ángulo limite.9.4.2 Ventajas.Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del orden del Ghz).Pequeño tamaño, por tanto ocupa poco espacio.Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita la instalaciónenormemente.Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilómetro, lo que resulta unas nueveveces menos que el de un cable convencional.Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica una calidadde transmisión muy buena, ya que la señal es inmune a las tormentas, chisporroteo...Gran seguridad: la intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable por el debilitamientode la energía luminosa en recepción, además, no radia nada, lo que es particularmenteinteresante para aplicaciones que requieren alto nivel de confidencialidad.No produce interferencias.Insensibilidad a los parásitos, lo que es una propiedad principalmente utilizada en los mediosindustriales fuertemente perturbados (por ejemplo, en los túneles del metro). Esta propiedadtambién permite la coexistencia por los mismos conductos de cables ópticos no metálicos conlos cables de energía eléctrica.Atenuación muy pequeña independiente de la frecuencia, lo que permite salvar distanciasimportantes sin elementos activos intermedios. 30
  • 31. Capítulo VIIIGran resistencia mecánica (resistencia a la tracción, lo que facilita la instalación).Resistencia al calor, frío, corrosión.Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en la telemetría, lo que permitedetectar rápidamente el lugar y posterior reparación de la avería, simplificando la labor demantenimiento.Con un coste menor respecto al cobre.9.4.3Desventajas.A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desventajasfrente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las siguientes:La alta fragilidad de las fibras.Necesidad de usar transmisores y receptores más caros.Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificultalas reparaciones en caso de ruptura del cable.No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.2No existen memorias ópticas.La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal derecepción debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía debe proveerse porconductores separados.Las moléculas de hidrógeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en laatenuación. El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo más importantepara el envejecimiento de la fibra óptica.Incipiente normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los parámetros de loscomponentes, calidad de la transmisión y pruebas.9.5 Tipos.Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra sedenominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos defibra óptica: multimodo y monomodo.9.5.1Fibra multimodo. 31
  • 32. Capítulo VIIIUna fibra multimodo es aquella en la que los haces de luz pueden circular por más de un modoo camino. Esto supone que no llegan todos a la vez. Una fibra multimodo puede tener más demil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicacionesde corta distancia, menores a 1 km; es simple de diseñar y económico.El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción superior, pero del mismo ordende magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo,es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo:Índice escalonado: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción constante entoda la sección cilíndrica, tiene alta dispersión modal.Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante, tiene menordispersión modal y el núcleo se constituye de distintos materiales.Además, según el sistema ISO 11801 para clasificación de fibras multimodo según su ancho debanda se incluye el formato OM3 (monomodo sobre láser) a los ya existentes OM1 y OM2(monomodos sobre LED).OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisoresOM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisoresOM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit Ethernet (300 m), usan láser (VCSEL) comoemisores.Bajo OM3 se han conseguido hasta 2000 MHz·Km (10 Gbps), es decir, una velocidades 10 vecesmayores que con OM1.9.5.2Fibra monomodoUna fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se lograreduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño (8,3 a 10 micrones) que sólopermite un modo de propagación. Su transmisión es paralela al eje de la fibra. A diferencia delas fibras multimodo, las fibras monomodo permiten alcanzar grandes distancias (hasta 400 kmmáximo, mediante un láser de alta intensidad) y transmitir elevadas tasas de información(decenas de Gb/s).9.6 Tipos según su diseño.De acuerdo a su diseño, existen dos tipos de cable de fibra óptica9.6.1Cable de estructura holgadaEs un cable empleado tanto para exteriores como para interiores que consta de varios tubosde fibra rodeando un miembro central de refuerzo y provisto de una cubierta protectora. Cadatubo de fibra, de dos a tres milímetros de diámetro, lleva varias fibras ópticas que descansan 32
  • 33. Capítulo VIIIholgadamente en él. Los tubos pueden ser huecos o estar llenos de un gel hidrófugo que actúacomo protector antihumedad impidiendo que el agua entre en la fibra. El tubo holgado aísla lafibra de las fuerzas mecánicas exteriores que se ejerzan sobre el cable.Su núcleo se complementa con un elemento que le brinda resistencia a la tracción que bienpuede ser de varilla flexible metálica o dieléctrica como elemento central o de hilaturas deAramida o fibra de vidrio situadas periféricamente.9.6.2 Cable de estructura ajustadaEs un cable diseñado para instalaciones en el interior de los edificios, es más flexible y con unradio de curvatura más pequeño que el que tienen los cables de estructura holgada.Contiene varias fibras con protección secundaria que rodean un miembro central de tracción,todo ello cubierto de una protección exterior. Cada fibra tiene una protección plásticaextrusionada directamente sobre ella, hasta alcanzar un diámetro de 900 µm rodeando alrecubrimiento de 250 µm de la fibra óptica. Esta protección plástica además de servir comoprotección adicional frente al entorno, también provee un soporte físico que serviría parareducir su coste de instalación al permitir reducir las bandejas de empalmes.9.7 Componentes de la fibra óptica.Dentro de los componentes que se usan en la fibra óptica caben destacar los siguientes: losconectores, el tipo de emisor del haz de luz, los conversores de luz, etc.Transmisor de energía óptica. Lleva un modulador para transformar la señal electrónicaentrante a la frecuencia aceptada por la fuente luminosa, la cual convierte la señal electrónica(electrones) en una señal óptica (fotones) que se emite a través de la fibra óptica.Detector de energía óptica. Normalmente es un fotodiodo que convierte la señal ópticarecibida en electrones (es necesario también un amplificador para generar la señal)Su componente es el silicio y se conecta a la fuente luminosa y al detector de energía óptica.Dichas conexiones requieren una tecnología compleja.9.7.1 Tipos de conectoresEstos elementos se encargan de conectar las líneas de fibra a un elemento, ya puede ser untransmisor o un receptor. Los tipos de conectores disponibles son muy variados, entre los quepodemos encontrar se hallan los siguientes: 33
  • 34. Capítulo VIIITipos de conectores de la fibra óptica.FC, que se usa en la transmisión de datos y en las telecomunicaciones.FDDI, se usa para redes de fibra óptica.LC y MT-Array que se utilizan en transmisiones de alta densidad de datos.SC y SC-Dúplex se utilizan para la transmisión de datos.ST o BFOC se usa en redes de edificios y en sistemas de seguridad.9.7.2 Emisores del haz de luz.Estos dispositivos se encargan de convertir la señal eléctrica en señal luminosa, emitiendo elhaz de luz que permite la transmisión de datos, estos emisores pueden ser de dos tipos:LEDs. Utilizan una corriente de 50 a 100 mA, su velocidad es lenta, solo se puede usar en fibrasmultimodo, pero su uso es fácil y su tiempo de vida es muy grande, además de sereconómicos.Lasers. Este tipo de emisor usa una corriente de 5 a 40 mA, son muy rápidos, se puede usarcon los dos tipos de fibra, monomodo y multimodo, pero por el contrario su uso es difícil, sutiempo de vida es largo pero menor que el de los LEDs y también son mucho más costosos.9.7.3Conversores luz-corriente eléctrica.Este tipo de dispositivos convierten las señales luminosas que proceden de la fibra ópticaen señales eléctricas. Se limitan a obtener una corriente a partir de la luz modulada incidente,esta corriente es proporcional a la potencia recibida, y por tanto, a la forma de onda de laseñal moduladora. 34
  • 35. Capítulo VIIISe fundamenta en el fenómeno opuesto a la recombinación, es decir, en la generación depares electrón-hueco a partir de los fotones. El tipo más sencillo de detector corresponde auna unión semiconductora P-N.Las condiciones que debe cumplir un fotodetector para su utilización en el campo de lascomunicaciones, son las siguientes:La corriente inversa (en ausencia de luz) debe ser muy pequeña, para así poder detectarseñales ópticas muy débiles (alta sensibilidad).Rapidez de respuesta (gran ancho de banda).El nivel de ruido generado por el propio dispositivo ha de ser mínimo.Hay dos tipos de detectores: los fotodiodos PIN y los de avalancha APD.Detectores PIN: Su nombre viene de que se componen de una unión P-N y entre esa unión seintercala una nueva zona de material intrínseco (I), la cual mejora la eficacia del detector.Se utiliza principalmente en sistemas que permiten una fácil discriminación entre posiblesniveles de luz y en distancias cortas.Detectores APD: Los fotodiodos de avalancha son fotodetectores que muestran, aplicando unalto voltaje en inversa, un efecto interno de ganancia de corriente (aproximadamente 100),debido a la ionización de impacto (efecto avalancha). El mecanismo de estos detectoresconsiste en lanzar un electrón a gran velocidad (con la energía suficiente), contra un átomopara que sea capaz de arrancarle otro electrón.Estos detectores se pueden clasificar en tres tipos:de silicio: presentan un bajo nivel de ruido y un rendimiento de hasta el 90% trabajando enprimera ventana. Requieren alta tensión de alimentación (200-300V).de germanio: aptos para trabajar con longitudes de onda comprendidas entre 1000 y 1300 nmy con un rendimiento del 70%.de compuestos de los grupos III y V. 35
  • 36. Capítulo VIII 36