ET444 - Propagación y Antenas - 2026

Propagación de la luz en el conductor de fibra óptica

Las leyes de la óptica permiten describir la reflexión total de la luz en la superficie que separa al núcleo del recubrimiento en un conductor de fibra óptica. Para ello se considera básicamente que la luz se propaga en forma de rayos rectilíneos. Para efectuar un análisis más detallado de las diferentes posibilidades de propagación de la luz dentro del núcleo, es necesario considerar los fenómenos de la óptica ondulatoria dado que el diámetro del núcleo de un conductor de fibra óptica se halla típicamente entre los 10 y 100 $\mu$m o sea que es solamente un poco mayor que la longitud de onda de la luz transmitida por ese núcleo (aprox. 1 $\mu$m). Debido a esta relación de dimensiones, ocurren fenómenos de interferencia que solo se pueden describir con la ayuda de la óptica ondulatoria.

En general se denomina **interferencia** a la superposición de dos o más ondas y su combinación para formar una onda única. Una manifestación típica de la interferencia de dos ondas se obtiene solamente cuando ambas tienen la misma longitud de onda y existe una diferencia de fase constante entre ambas en el tiempo. Este tipo de ondas se denomina **ondas coherentes**. Si en determinado punto del espacio ambas ondas presentan una diferencia de fase igual a un múltiplo entero de $\lambda$ (longitud de onda), se produce una suma de sus amplitudes, en cambio si esta diferencia es igual a un múltiplo entero de $\lambda/2$ (media longitud de onda), una resta, y si ambas amplitudes son iguales, incluso una **anulación** local de las ondas.

Si se utilizan dos fuentes luminosas, p. ej. dos lámparas incandescentes y se superponen sus luces no se observará ningún tipo de interferencia ya que su luz es incoherente. La causa se halla en el proceso de emisión de luz del cuerpo luminoso, en el caso precedente el filamento incandescente de las lámparas. En virtud de fenómenos espontáneos aleatorios, cada uno de los átomos del filamento incandescente emite destellos luminosos o sea cortos trenes de ondas con una duración de aprox. $10^{-8}$ s. Considerando que en el aire la velocidad de la luz es de $3 \times 10^8 \ \frac{m}{s}$, estos trenes de ondas tienen una longitud de unos 3 metros. Esta longitud se denomina **longitud de coherencia**. La superposición de los trenes de ondas de esta longitud es totalmente irregular y únicamente ocasiona la iluminación general del ambiente.

Para la transmisión de luz con conductores de fibras ópticas fue necesario encontrar fuentes luminosas coherentes o sea las que emiten una luz lo más coherente posible.

Por ello, el ángulo espectral de un emisor debería ser lo más pequeño posible. A diferencia de diodos luminosos con un ancho espectral de líneas $\geq  40 nm$ se brindan especialmente los laser que en virtud de una emisión de luz forzada dan la posibilidad de contar con una diferencia de fases constante a igual longitud de onda. Con ello también aparecen interferencias en el conductor de fibra óptica, las cuales se reconocen porque la luz se propaga en el núcleo únicamente en determinados ángulos que corresponden a direcciones en las cuales las ondas asociadas al superponerse se refuerzan (interferencia constructiva). Las ondas luminosas permitidas susceptibles de propagarse en un conductor de fibra óptica se denominan modos (ondas naturales o fundamentales).

Estos modos de propagación se pueden determinar matemáticamente con mayor exactitud aplicando las Ecuaciones de Maxwell.

Los primeros 10 modos de propagación $LP_{v\mu}$ de un conductor de fibra optica. 

Este sistema de ecuaciones, de uso general para ondas electromagnéticas, se puede simplificar considerablemente si para los conductores de fibras ópticas se consideran únicamente ondas débilmente guiadas. Se trata de ondas que se propagan casi en la misma dirección que el eje del conductor de fibra óptica y cuyas intensidades de campo son despreciables en la dirección de dicho eje. Se presentan cuando difieren muy poco el índice de refracción del núcleo ($n_1$) y del recubrimiento ($n_2$). Una medida para esta diferencia de índices de refracción es la diferencia normalizada de índices de refracción $\Delta$ que se define con:

$\Delta = \frac{n_1^2 - n_2^2}{2n_2^2} \approx \frac{n_1 - n_2}{n_1}.$

En un conductor de fibra óptica la diferencia normalizada de índices de refracción es mucho menor que la unidad y por lo tanto las ondas luminosas son débilmente guiadas en el núcleo de este conductor.