El cable de fibra óptica está aplastado, ¿a qué se debe que un pico se convierta en dos p n d o s?
El fenómeno en el que una fibra óptica, al ser sometida a compresión externa (aplastamiento), provoca que «un pico en el espectro de reflexión se divida en dos picos» se denomina en ingeniería óptica Birrefringencia Inducida por Estrés (Stress-induced Birefringence).
A continuación, se presenta un análisis detallado del mecanismo físico y matemático de este fenómeno:
1. Estado Isotrópico (sin presión)
Cuando la fibra óptica no está sujeta a fuerzas laterales o solo a una tracción axial uniforme, su sección transversal del núcleo mantiene una alta simetría circular. En este punto, el índice de refracción efectivo de la luz en dos direcciones de polarización ortogonales (es decir, los ejes x e y) es idéntico, de la siguiente manera:
n_x = n_y = n_{\text{eff}}
Según la ecuación de reflexión de Bragg de la red de fibra (FBG), su longitud de onda de reflexión satisface:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Donde \Lambda es el período de la red. Dado que los índices de refracción correspondientes a los dos estados de polarización son los mismos, la luz polarizada en ambas direcciones se refleja en la misma longitud de onda, lo que resulta en un único pico de reflexión simétrico en el espectro del desmodulador.
2. Estado de Birrefringencia (aplastado)
Cuando la fibra óptica está sujeta a una presión lateral unidireccional (aplastamiento), la sección transversal circular originalmente simétrica se deforma ligeramente, lo que provoca una distribución de estrés no uniforme dentro de la fibra. A través del Efecto Fotoelástico (Photoelastic Effect), este estrés mecánico asimétrico rompe la isotropía del medio, haciendo que los índices de refracción efectivos en las dos direcciones de polarización ortogonales se dividan, convirtiéndose en n_x y n_y respectivamente.
En este punto, la fibra óptica presenta un valor de birrefringencia distinto de cero:
B = |n_x - n_y| \neq 0
Por lo tanto, los dos componentes de polarización ortogonales de la luz incidente se reflejarán de Bragg en diferentes longitudes de onda:
\lambda_x = 2 n_x \Lambda
\lambda_y = 2 n_y \Lambda
En el espectrofotómetro o desmodulador, el pico de reflexión originalmente superpuesto se divide en dos picos de polarización discretos. La diferencia de longitud de onda entre estos dos picos (espaciado de la división) es:
\Delta \lambda = 2 |n_x - n_y| \Lambda
El tamaño de esta diferencia de longitud de onda \Delta \lambda es directamente proporcional a la presión lateral aplicada a la fibra óptica.
3. Impacto de Ingeniería y Medidas Preventivas
En aplicaciones industriales reales, este fenómeno de división de picos presenta diferentes impactos:
- Interferencia Perjudicial: En la medición tradicional de temperatura o deformación axial, la división del pico de reflexión provoca errores en los algoritmos de búsqueda de picos del desmodulador (como el método del centroide o el ajuste gaussiano), lo que resulta en saltos de datos, aumento del ruido de medición o incluso la imposibilidad de bloquear la longitud de onda.
- Prevención Física: Para evitar la distorsión espectral causada por fuerzas de cizallamiento laterales y compresión directa, las redes de fibra óptica deben protegerse mediante estructuras rígidas. Por ejemplo, el OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor emplea un proceso de encapsulación capilar de acero inoxidable sin costuras de alta precisión. Este tubo metálico puede proteger eficazmente la transmisión de la presión lateral externa, asegurando que el núcleo de la fibra permanezca en un estado de bajo estrés isotrópico, manteniendo así un espectro de reflexión único y agudo.
