Cómo se propaga la luz: reflexión, modos, apertura numérica

Una fibra es una guía de onda: un núcleo de vidrio rodeado de vidrio con un índice de refracción ligeramente menor, de modo que la luz que llega al límite con un ángulo poco pronunciado se refleja hacia atrás en vez de escapar. De este único hecho se derivan las diferencias entre fibra monomodo y multimodo, el ángulo de aceptación que decide cuánta luz de una fuente entra, la razón por la que una curvatura cerrada deja escapar luz, y los grados OM1–OM5 y OS2 a los que se refieren las hojas de datos. Esta página cubre esa física con la profundidad que se usa en el diseño de enlaces.

Estructura de una fibra

Capa	Diámetro	Material	Función
Núcleo	9 µm (monomodo), 50 o 62,5 µm (multimodo)	sílice dopada con germanio (índice mayor)	porta la luz
Revestimiento	125 µm	sílice pura o dopada con flúor (índice menor)	confina la luz mediante reflexión interna total
Recubrimiento	250 µm (o 200 µm)	acrilato	protección mecánica; codificado por color en los cables
Buffer / chaqueta	buffer ajustado de 900 µm, o tubo holgado	plástico	manejo; no forma parte de la óptica

La diferencia de índice de refracción entre núcleo y revestimiento es diminuta (alrededor del 0,3–0,5 %), pero basta porque la luz viaja casi paralela al eje.

Reflexión interna total y apertura numérica

La luz que pasa de un medio más denso a uno menos denso se aleja de la normal; más allá del ángulo crítico se refleja totalmente. En una fibra esto significa que los rayos dentro de un cono alrededor del eje quedan atrapados. El semiángulo de ese cono en el aire lo fija la apertura numérica:

Fibra	NA	Semiángulo de aceptación	Significado
Monomodo G.652	≈ 0,12–0,14	≈ 7–8°	solo se acopla un haz estrecho y bien dirigido; únicamente fuentes láser
Multimodo 50 µm (OM2–OM5)	0,20	≈ 11,5°	aceptación amplia; VCSEL y LED se acoplan con facilidad
Multimodo 62,5 µm (OM1)	0,275	≈ 16°	la más amplia; heredada

Una NA mayor facilita el acoplamiento pero produce más modos y más dispersión modal.

Modos

Un modo es un patrón de campo estable que puede propagarse por la guía. Cuántos existen depende del tamaño del núcleo, la NA y la longitud de onda (el número V):

Fibra	Modos a 850 nm	Modos a 1310 nm	Consecuencia
Monomodo 9 µm	— (sería de pocos modos)	1	sin dispersión modal; el alcance lo fijan la atenuación y la dispersión cromática
Multimodo 50 µm	cientos	~100	la dispersión modal limita el producto ancho de banda × distancia (Dispersión y ancho de banda)
Multimodo 62,5 µm	~1 000	—	la peor dispersión modal

La fibra monomodo solo es monomodo por encima de su longitud de onda de corte (≈ 1 260 nm para G.652): a 850 nm porta varios modos, razón por la que un módulo SR de 850 nm sobre fibra monomodo no funciona correctamente, y por la que «monomodo a 1310/1550» es el emparejamiento habitual (Incompatibilidades físicas).

Índice escalonado e índice gradual

Perfil	Forma del índice	Se usa en	Efecto
Índice escalonado	índice de núcleo constante, salto abrupto al revestimiento	fibra monomodo	irrelevante para un solo modo
Índice gradual	parabólico: máximo en el eje, decrece hacia el revestimiento	todo el multimodo de telecomunicaciones (OM1–OM5)	los rayos externos viajan más lejos pero más rápido (índice menor), de modo que los modos llegan casi juntos: la dispersión modal se reduce 100 veces respecto al índice escalonado

La calidad del perfil gradual es lo que separa OM3 (2 000 MHz·km) de OM4 (4 700 MHz·km): la misma geometría, una curva de índice más precisa.

En la fibra monomodo la luz no está confinada al núcleo de 9 µm; su diámetro de campo modal (MFD) es ≈ 9,2 µm a 1310 nm y ≈ 10,4 µm a 1550 nm. Dos fibras con MFD distintos, o un desplazamiento lateral en un conector, pierden luz:

Desajuste	Pérdida
Desplazamiento lateral de 1 µm (SMF)	≈ 0,2 dB
Desplazamiento lateral de 2 µm	≈ 0,8 dB
MFD 9,2 frente a 10,4 µm (G.652 a G.657.B o DSF)	≈ 0,1–0,3 dB
Núcleo de 50 µm en uno de 62,5 µm	≈ 0 dB (la pérdida ocurre en el otro sentido)
Núcleo de 62,5 µm en uno de 50 µm	2–4 dB
SMF en MMF	≈ 0 dB en la unión, pero se excitan modos → ruido modal
MMF en SMF	> 10 dB

De ahí las reglas «nunca mezclar 50 y 62,5» y «nunca mezclar monomodo y multimodo» (Conectores y tipos de fibra).

Pérdida por curvatura

Tipo de curvatura	Causa	Efecto
Macrocurvatura	radio por debajo de ~30 mm (SMF estándar), bridas apretadas, puertas	la luz escapa del revestimiento; la pérdida aumenta bruscamente con la longitud de onda: un enlace correcto a 1310 nm falla a 1550 nm, y una prueba a 1625 nm encuentra curvaturas que 1310 nm pasa por alto
Microcurvatura	desviaciones microscópicas del eje por tensión del cable, frío, aplastamiento	aumento de pérdida de banda ancha
Fibra insensible a curvaturas G.657.A1/A2/B3	perfil de índice asistido por trinchera	radio admitido de 10–7,5–5 mm; se usa en interiores, acometidas FTTH y paneles densos

El multimodo tolera mejor las curvaturas, pero pierde primero los modos de orden alto, lo que cambia su ancho de banda.

Los grados de fibra en una sola tabla

Grado	Núcleo	Longitud(es) de onda	Ancho de banda (EMB a 850 nm)	Atenuación	Norma
OM1	62,5 µm	850 / 1300	200 MHz·km	3,5 / 1,5 dB/km	ISO 11801, TIA-492AAAA
OM2	50 µm	850 / 1300	500	3,5 / 1,5	TIA-492AAAB
OM3	50 µm	850 (optimizada para láser)	2 000	3,0 / 1,5	TIA-492AAAC
OM4	50 µm	850	4 700	3,0 / 1,5	TIA-492AAAD
OM5	50 µm	850–953 (banda ancha)	4 700 a 850, 2 470 a 953	3,0 / 1,5	TIA-492AAAE
OS1 / OS1a	9 µm	1310 / 1550	—	1,0 / 1,0 (interior, buffer ajustado)	ISO 11801
OS2	9 µm	1310 / 1383 / 1550	—	0,4 / 0,4 / 0,4 (tubo holgado, bajo pico de agua)	ISO 11801; ITU-T G.652.D
G.657.A/B	9 µm	como OS2	—	como OS2	insensible a curvaturas
G.655 / G.654	9 µm	1550	—	0,2 / 0,17	NZ-DSF para DWDM; pérdida ultrabaja para largo alcance

Alcance por PMD y grado: Tablas de alcance.

Qué significa esto en el transceptor

El tipo de conector y de fibra del módulo debe coincidir con la planta: SR/SR4 en OM3/OM4, todo lo demás en OS2.
La condición de lanzamiento de un láser (flujo circundante para los VCSEL) está definida por las normas para que las cifras de ancho de banda del multimodo se cumplan; un módulo fuera de especificación da un alcance menor del que prometen las tablas.
Los módulos monomodo sobre fibra multimodo (con un latiguillo acondicionador de modo) fueron un truco de 1G (1000BASE-LX sobre OM1); no se extiende a 10G y más.

En CodingBox

El módulo le indica al host para qué fibra es: código de conector, longitud de onda y los campos de longitud para SMF, OM1, OM2, OM3 y OM4, los mismos grados de arriba. CodingBox los muestra para que la cuestión de la fibra quede resuelta antes de que el módulo salga del banco (Check transceiver, Mapa de memoria).

Las fibras normalizadas que producen estos principios: ITU-T G.652 a G.657, los grados multimodo OM1–OM5, fibras especiales, pérdidas de unión entre fibras distintas y cómo identificar lo que está instalado: Tipos de fibra.

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