Principios Clave y Límites de Rendimiento de la Fibra Óptica Multimodo

La fibra óptica, como componentes críticos de guía de onda óptica, se utiliza cada vez más en telecomunicaciones, espectroscopía, iluminación y aplicaciones de sensores. Comprender sus principios operativos y las técnicas de optimización del rendimiento es esencial para maximizar su potencial en implementaciones prácticas.

Las fibras ópticas funcionan como guías de onda empleando la reflexión interna total (RIT) para confinar y dirigir la luz dentro de estructuras sólidas o líquidas. El tipo de fibra más frecuente, la fibra de índice escalonado, comprende un núcleo de mayor índice de refracción rodeado por un revestimiento. Cuando la luz incide en la interfaz núcleo-revestimiento en un ángulo que excede el ángulo crítico, se produce la RIT, atrapando la luz dentro del núcleo.

El ángulo de aceptación (θ ^acc ) dicta el ángulo de incidencia máximo para la RIT y se calcula utilizando la Ley de Snell:

θ ^acc = arcsin(√(n ^core ² - n ^clad ²) / n)

donde n ^core y n ^clad representan los índices de refracción del núcleo y el revestimiento, respectivamente, y n denota el índice de refracción del medio externo. Los fabricantes suelen caracterizar la capacidad de captación de luz a través de la apertura numérica (AN):

AN = √(n ^core ² - n ^clad ²)

Para las fibras multimodo de índice escalonado de núcleo grande, esta fórmula proporciona valores de AN precisos. La determinación experimental a través de la medición del perfil del haz de campo lejano (identificando el ángulo donde la intensidad cae al 5% del máximo) ofrece una verificación alternativa.

Cada trayectoria de luz potencial a través de una fibra constituye un modo guiado. La geometría de la fibra y las propiedades del material determinan el recuento de modos, que oscila entre monomodo y miles de modos. La frecuencia normalizada (número V) estima los modos soportados:

V = (2πa/λ) × AN

donde a es el radio del núcleo y λ es la longitud de onda en el espacio libre. Las fibras multimodo exhiben valores V >>1 (por ejemplo, V≈40.8 para una fibra de 50µm/0.39NA a 1.5µm), soportando aproximadamente V²/2 modos. Las fibras monomodo mantienen V<2.405 a través de núcleos más pequeños y una AN más baja.

• Las interacciones intrínsecas de los fonones en la sílice fundida dominan más allá de 2000 nm
• Los contaminantes como los iones OH⁻ crean picos de absorción a 1300 nm y 2.94µm
• La ingeniería de dopantes permite ventanas de transmisión personalizadas

• La dispersión de Rayleigh (∝1/λ⁴) predomina a longitudes de onda más cortas
• Las imperfecciones de la fabricación o manipulación aumentan la dispersión extrínseca

• Diámetro del haz <70% del tamaño del núcleo
• Prefiere modos de orden bajo
• Sensibilidad a la flexión reducida
• Mayor densidad de potencia del núcleo

• El haz excede las dimensiones del núcleo
• Excita todos los modos por igual
• Mayor rendimiento de potencia inicial
• Atenuación rápida de alto modo a distancia

• Inducido por flexión: Calentamiento localizado en curvas cerradas
• Oscurecimiento por foto: Atenuación inducida por UV/longitud de onda corta

1. Inspeccionar y limpiar todas las interfaces de fibra antes de la instalación
2. Verificar las empalmes a baja potencia antes del funcionamiento a alta potencia
3. Aumentar gradualmente la potencia mientras se supervisa el rendimiento
4. Seleccionar los tipos de fibra adecuados para aplicaciones específicas
5. Implementar técnicas adecuadas de enrollado y alivio de tensión