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Universidad de Oviedo
Curso:
Fibra ptica
Juan Carlos Campo Rodrguez. Area de Tecnologa Electrnica
INDICE
La Fibra pticaEl Espectro Leyes de la Refraccin Elementos de la Fibra Apertura numrica Tipos de Fibras Propagacin de la luz Caractersticas de las Fibras Atenuacin Prdidas por Absorcin Prdidas por Dispersin Otras fuentes de Prdidas Las Ventanas Dispersin Modal Dispersin Cromtica
La Fibra ptica
ATE
El Espectro
Longitud de onda en m0.39 0.78 3 30 1000
Violeta
Regin Visible
Infrarrojo
La regin ms interesante es el Infrarrojo Cercano
El Espectro
Ondas de radio
Inf. Medio
Naranja
Rojo
Azul
Inf. Cercano
Ultravioleta
Inf. Lejano
Amarillo
Verde
La Fibra pticaLeyes de la refraccin1 LeyNormal Substancia 1 ndice de refraccin n1
ATE
Rayo incidente Superficie de separacin entre ambas substancias Substancia 2 ndice de refraccin n2 Rayo refractado
2 Leyndice de refraccin n1
Normal Rayo incidente
a
ndice de refraccin n2
b
Rayo refractado
sen a n2 = sen c n1Leyes de la refraccin
La Fibra pticandice de refraccin n2 Corteza
ATE
Ncleo
ndice de refraccin n1
ndice de refraccin n2
ngulo lmite
Corteza
c
Ncleo
Rayo de luz
ndice de refraccin n1
Elementos de la fibra
La Fibra pticaApertura Numrica
ATE
ndice de refraccin n2
ngulo lmite
c a
c
Ncleo
Rayo de luz Corteza
Rayo de luz en ngulo mayor que el lmite
ndice de refraccin n1
2 2 AN = n0 sen a = n1 n2
Apertura Numrica
ATEFibras de salto de ndice y de ndice gradualFibra de salto de ndice Ncleo ndice de refraccin n1
Fibra de ndice gradual
Corteza ndice de refraccin n1
ndice de refraccin Corteza Ncleo
n1
n2
Trayectorias de los rayos en los distintos tipos de fibras
Rayo de luz
Fibra de salto de ndice
Fibra de ndice gradual
Tipos de Fibras
La Fibra pticaPropagacin de la luz en la fibra: Los MODOS
ATE
Primeros modos de propagacin de la luz en una fibra Frecuencia caracterstica
V=Si V2.4
2 2 a AN 2 Monomodo Multimodo
Efecto muy pernicioso: Dispersin modal
Propagacin de la Luz
La Fibra pticaAtenuacin
ATE
Prdida de la potencia de la luz a medida que se transmite a lo largo de la fibra
a( ) =
Pe 1 10 log ( dB / km ) L Ps
Ps: Potencia luminosa de salida Pe: Potencia luminosa de entrada L: Longitud del tramo de fibra ptica
Causas:- Prdidas por Absorcin - Prdidas por Dispersin (Scattering) - Otras fuentes de prdidas100
Atenuacin (dB)
10 1 0.1 0.01
0.8
Longitud de onda (m)
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Caractersticas de las fibras: Atenuacin
La Fibra pticaAtenuacin (Prdidas por Absorcin)Atenuacin debida a la interaccin luz-materia Absorcin intrnseca100
ATE
Atenuacin (dB)
10
1 Absorcin ultravioleta 0.1 0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 Absorcin infrarroja
Longitud de onda (m) Absorcin extrnseca103
Atenuacin (dB)
102 101 100 10-1
0.8
1.0
Longitud de onda (m)
1.2
1.4
1.6
1.8
Caractersticas de las fibras: Atenuacin
La Fibra pticaAtenuacin (Prdidas por Dispersin de Rayleigh)
ATE
Inversamente proporcionales a la cuarta potencia de la longitud de onda
100
Atenuacin (dB)
10
1
0.1 0.01 0.8 1.0
Dispersin de Rayleigh
1.2
1.4
1.6
1.8
Longitud de onda (m)
Dependen tambin del material
Tipo de Material
Slice Silicato potsico Borosilicato sdico Silicato de sodio y calcio
Prdidas debido a la dispersin Rayleigh (dB/Km) a 850 nm 1.2 0.7 2.3 0.8
Caractersticas de las fibras: Atenuacin
La Fibra pticaAtenuacin (Otras fuentes de prdidas)Microcurvaturas Corteza Ncleo Radiacin
ATE
100
Atenuacin (dB)
10
1 Imperfecciones 0.1 0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
Longitud de onda (m) Prdidas de origen mecnico
Caractersticas de las fibras: Atenuacin
La Fibra pticaLas Ventanas 2 Ventana 1 Ventana100
ATE
3 Ventana
Atenuacin (dB)
10
1
0.1
0.01 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8
Longitud de onda (m)
1 Ventana 2 Ventana 3 Ventana
850 nm 1300 nm 1550 nm
Caractersticas de las fibras: Atenuacin
La Fibra pticaDispersin ModalDistorsin en la forma de onda debido a los diferentes trayectorias que siguen los rayos de luz en la fibra
ATE
Corteza
Ncleo Impulso de luz a la entrada
Impulso de luz a la salida
ngulo lmite
Rayo Axial Rayo Propagado segn el ngulo lmite
c
Ncleo
Corteza
Caractersticas de las fibras:Dispersin Modal
La Fibra pticaDispersin Cromtica
ATE
Variacin de la velocidad de una radiacin cuando se propaga a travs de un medio tal que el ndice de refraccin vara para cada longitud de ondaSe expresa en ps/km.nm
200
150 Dispersin cromtica (ps/km.nm)
1001.55 m Longitud de onda (m)
50
0.8 -50
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
-100
1.27
m
Trabajando en segunda y tercera ventana puede anularse con la modal
Caractersticas de las fibras: Dispersin Cromt.
INDICE
Fabricacin de FibrasFabricacin de la Preforma Mtodos por fusin del vidrio Mtodos a partir de ladeposicin del vidrio a partir de la fase gaseosa Mtodo OVD Mtodo VAD Mtodo MCVD Mtodo PCVD Estirado
Fabricacin de las fibrasFabricacin de las fibras pticasLa mayor parte de los mtodos se basan en la fabricacin de una preforma y posterior estirado
ATE
Fabricacin de la preforma: Mtodo por fusin de vidrio
Gas inerte
Tuberas de alimentacin
Vidrios en estado de fusin
Crisoles de platino
Horno
Salida de la fibra
Mtodo del doble crisol
Es un mtodo relativamente antiguo La atenuacin de la fibra es elevada
Mtodo Doble Crisol
Fabricacin de las fibrasFabricacin de las fibras pticasFabricacin de la preforma: Mtodos basados en la deposicin de vidrio a partir de la fase gaseosa Mtodo OVD (Outside Vapor Deposition) Vapores: SiCl4, GeCl4, O2
ATE
Preforma
Quemador
Preforma
Horno Varilla
Obtencin de la preforma
Mtodo OVD
Fabricacin de las fibrasFabricacin de las fibras pticasMtodo VAD (Vapor Axial Deposition) Horno
ATE
Preforma de Vidrio
Preforma porosa Quemador
Vapores: SiCl4, GeCl4, O2
Mtodo MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) Capa porosa
Tubo de vidrio Capa de vidrio
Quemador
Mtodos VAD Y MCVD
Fabricacin de las fibrasMtodo PCVD (Plasma Activated Chemical Vapor Deposition) Equipo de microondas
ATE
Capa de Vidrio Gases A la bomba
Horno fijo Estirado de la fibra Dispositivo de avance
Tubo de cuarzo
Preforma
Horno
Control de dimetro Fibra ptica Bobina de enrollado Capa protectora Rodillos trefiladores
Control de resistencia
Mtodos PCVD y Estirado de la Fibra
INDICE
Conductores de FibrasIntroduccin Tipos de cables Cables comerciales
Conductores de fibrasConductores de fibrasEl objetivo es mantener al conductor de fibra ptica estable frente a las influencias externas dentro de los lmites mecnicos admisiblesFibras de aramida
ATE
Conductor de fibra ptica
Vaina protectora
Tipos de conductores Huecos Rellenos
Conductores por grupos
Fibras de aramida
Conductor de fibra ptica
Vaina protectora
Introduccin
Conductores de fibrasConductores de fibra
ATE
El alma son el conjunto de los elementos de trenzado, los elementos de soporte y traccin y la envoltura que cubre a todos estos elementosCable con una capa Alma del cable
Vaina
Cable con dos capas
Tipos de Cables
Conductores de fibrasConductores de fibraCable de capas con conductores por grupos
ATE
Cable por grupos
Tipos de Cables
Conductores de fibrasCable ranurado
ATE
Plstico extruido Conductor de fibra ptica
Cubierta exterior
Elemento de traccin
Vaina del cable De polietileno De PVC De plsticos fluorados Libres de Halgenos Armaduras Para cables submarinos, minas, cables areos autoportantes proteccin contra roedores, etc. Se utiliza aramida o acero Para la proteccin contra roedores: flejes de acero
Tipos de Cables
Conductores de fibrasConductor de fibra ptica
ATE
Fibra ptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria
Ejemplos Comerciales
Conductores de fibrasCable con dos capasRelleno centralFibra ptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta exterior dePVC Cordn
ATE
Cable con dos capas
Relleno centralFibra ptica Subcable Cubierta exterior de PVC Cordn
Fibra ptica
Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria
Cable con conductores por gruposRelleno centralCable por grupos Relleno Recubrimiento exterior dePVC Cordn
Fibra ptica
Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Aramida Cubierta secundaria Cordn
Ejemplos Comerciales
Conductores de fibrasCable areo
ATE
Elemento de resistencia
Aramida
Relleno Fibra ptica Recubrimiento de acrilato Cubierta primaria Recubrimiento exterior Cordn
Cable armado
Cubierta interiorArmado de acero Cubierta exterior Cordn
Cable submarino
Ejemplos Comerciales
INDICE
Conectores y AdaptadoresIntroduccin Conectores Adaptadores Fuentes de prdidas en conectores Conector SMA Conector ST Conector FC Conector Bicnico Conector SC Comparacin entre conectores Tipos de Pulido
Conectores y AdaptadoresFibra ptica
ATE
CONECTOR
Ferrule ADAPTADORProteccin para deformacin Casquillo de engaste Ferrule Recubrimiento de PVC
Caja conector Cubierta protectora
Ferrule metlica
Ferrule cermica
Introduccin
Conectores y AdaptadoresAdaptadores Adaptador Ferrule Fibra Lente
ATE
Fibra
Acoplamiento directo
Acoplamiento de haz expandido
Prdidas de insercin
Pe Pi = 10 log ( dB ) PsPe: Potencia luminosa de entrada Ps: Potencia luminosa de salida Prdidas de reflexin
Pr ef = 10 log
Pr ( dB ) Pe
Pe: Potencia luminosa de entrada Pr: Potencia luminosa reflejada
Introduccin
Conectores y AdaptadoresFuentes de prdidas en los conectores
ATE
5 3S D
4 3 2 1D
2 0.5 AN 0.2 AN 1 0.15 AN .1 .2 .3 .4 .5
0
10
20
30
40
50
Razn S/D4D
Distancia D (mm)5 4 3 2D d
3
L
2
1 1
.1
.2
.3
.4
.5
0
0.1
0.2
0.3
Razn L/D5 1.5D
Desplazamiento axial d (mm)
4 0.2 AN 3 2D
1
0.15 AN 0.5 AN
.5
1
1
2
3
4
5
0
5
10
15
Desplazamiento angular (grados)
Desplazamiento angular
Introduccin
Conectores y Adaptadores Conector SMA
ATE
Llamado FSMA Surge a mediados de los 70 Similar a un conector de RF Existen dos modelos: el 905 y el 906 Buenas caractersticas mecnicas Elevadas prdidas de insercin Aplicaciones multimodo Actualmente en desuso
Conectores SMA
Conectores y Adaptadores Conector STAdaptadores ST
ATE
Aspecto del conector y adaptador
Conectores ST y ST push-pull
Mediados de los 80 por ATT Similar al conector BNC Resistente a vibraciones Retencin insegura frente a tirones Ferrule cermica, en general El ms utilizado en aplicaciones multimodo
Conectores ST
Conectores y Adaptadores Conector FC
ATE
Conectores FC y adaptadores
Aos 80, NTT Aplicaciones monomodo Ferrule cermica Adaptador cermico o metlica Enclavamiento por rosca Evolucion al pulido FC/PC (Polishing Convex)
Conectores FC
Conectores y Adaptadores Conector Bicnico
ATE
Buen alineamiento fibra-fibra Aplicaciones mono y multimodo Conector caro Actualmente en desuso
Conectores bicnicos
Conectores y Adaptadores Conector SC
ATE
Conectores SC y adaptador
Conectores SC doble y simple
Aos 90 por NTT Posibilidad de conexiones dobles y mltiples Tipo push-pull Ferrule cermica en general Aplicaciones mono y multimodo Recomendado por la normativa americana Tiende al pulido APC
Conectores SC
Conectores y Adaptadores
ATE
SMA ST
FC Bicnico SC
Tipo fibra m ncleo/ m corteza 50, 62.5, 85, 100 9/125 62.5/125 50,85,100/140 9/125 50/125 Mon/Mul. 9/125 50/125
Prdidas insercin dB 0,4 0.2 0.3 0.15/0.25 0.25 0.4 0.15/0.25 0.25
Prdidas Retorno dB mn.
Rango de Temp. C -60/+125 -40/+80
Traccin Cable/con. N 100 200
30
30,40,50, 60 30,40,50, 60
-40/+85 -20/+60 -20/70
200 100 100
Comparacin entre los diferentes conectores
APLICACIONES SMA ST Multimodo Multimodo Monomodo FC Multimodo Monomodo Bicnico Multimodo Monomodo SC Multimodo Monomodo
Televisin por cable
Telefona
Redes de rea locales (LAN)
Aplicaciones principales de los diferentes conectores
Comparacin entre conectores
Conectores y AdaptadoresTipos de pulido
ATE
El pulido influye decisivamente en las prdidas por insercin y en las prdidas de retorno
Pulido Plano Pulido PC, SPC y UPC Pulido APC
Contacto plano
Contacto PC y SPC
Contacto APC
Fibra
Ferrule
El pulido PC y el APC se utilizan fundamentalmente para aplicaciones monomodo
Tipos de pulido
INDICE
EmpalmesIntroduccin Empalmes mediante fusionadora Supervisin directa del ncleo Inyeccin local y supervisin local Inyeccin y supervisin remota Empalmes mecnicos
EmpalmesFusionadora Mtodos
ATE
Supervisin directa del ncleo de la fibra Inyeccin local y supervisin local Inyeccin de luz y supervisin remota
Supervisin directa del ncleo de la fibra
1 Alineado de las fibras
2 Prefusin para la limpieza
3 Fusin
Fusin de la fibra mediante arco elctrico
Aspecto de la fusionadora
Empalmes mediante fusionadora
EmpalmesFusionadora Mtodos
ATE
Supervisin directa del ncleo de la fibra Inyeccin local y supervisin local Inyeccin de luz y supervisin remota
Inyeccin de luz y deteccin local Fibra 1 Fibra 1
Emisor de luz Conductor de fibra de ncleo grueso Fotodiodo
Fusionadora de inyeccin y supervisin local, controlada con microprocesador
Empalmes mediante fusionadora
EmpalmesEmpalmes mecnicos
ATE
Empalmes mecnicos simples
Empalmes mecnicos mltiples
Empalmes mecnicos
INDICE
Otros equipos de F.O.Acopladores Multiplexores Conmutadores Atenuadores Aisladores Medidores de Potencia ptica Localizadores de Fibras Reflectmetros Cajas de empalmes
Otros equipos de F.O.AcopladoresElementos para la interconexin en redes de fibra ptica. Se utilizan para la supervisin, derivacin, distribucin, combinacin, etc., de seales pticas
ATE
Acoplador en TEntrada
Espejo semirreflectante Salida 1
Salida 2
Acoplador de lente Grin
Espejo semirreflectante
Entrada
Salida 1
Salida 1
Acopladores
Otros equipos de F.O.MultiplexoresSon acopladores pasivos selectivos a la longitud de onda
ATE
Transmisor 1 longitud de onda 1 Transmisor 2 longitud de onda 2 Transmisor 3 longitud de onda 3
Fibra ptica por la que circula 1 , 2, 3.
Receptor 1 longitud de onda 1 Receptor 2 longitud de onda 2 Receptor 3 longitud de onda 3
Acoplador
Demultiplexor
Multiplexores
Otros equipos de F.O.Multiplexores
ATE
Estructuras de multiplexores
Multiplexores
Otros equipos de F.O.Conmutadores pticosExisten dos tipos: electromecnico y electroptico
ATE
T RInt. ptico
Int. ptico
T R
Int. ptico
Int. ptico
T R
T R
Terminal by-passed
Entrada
Salida
Entrada
Salida
Fuente de luz GND GND
Detector
Fuente de luz GND +5VDC
Detector
Estado normal
Estado by-pass
Conmutadores pticos
Otros equipos de F.O.Atenuadores
ATE
Introducen una atenuacin determinada en el sistema de fibra ptica
Luz reflejada
Luz incidente
Luz transmitida
Cristal
Pelcula metlica
Atenuadores
Otros equipos de F.O.AisladoresPermiten la transmisin de la luz en un solo sentido
ATE
Fotografa de un aislador
Esquema de un aislador
Se utilizan para evitar la luz reflejada
Aisladores
Otros equipos de F.O.Medidores de potencia pticaPermiten localizar fallos en fibras de poca longitud
ATE
Fotografa de un medidor de potencia
Localizadores de fibrasPermiten detectar determinadas frecuencias sin interrumpir la fibra
Fotografa de un medidor de potencia
Medidores de potencia y localizadores
Otros equipos de F.O.ReflectmetrosSirven para la medida de la atenuacin de la fibra, la medida de la longitud de la fibra y la localizacin de rupturas
ATE
Fuente de luz
Sistema ptico
Dispositivo de acoplamiento
Sistema ptico
Fibra a medir
Sistema ptico
Detector ptico Osciloscopio
Amplificador
Procesador de seales
Sistema de representacin de datos
Esquema de los elementos de un relectmetro
Se fundamenta en medir la luz retroesparcida
Reflectmetros
Otros equipos de F.O.ReflectmetrosdB
ATE
(I)
(V)
Va Vb
(II) (III)
(IV)
L
Longitud
Curva tpica obtenida con un reflectmetro
Fotografa de un reflectmetro
Reflectmetros
Otros equipos de F.O.Cajas de empalmesSirven para proteger las zonas de empalmes de fibras
ATE
Fotografa de diversas cajas de empalmes
Cajas de empalmes
INDICE
Otras aplicaciones de F.O.Introduccin Multiplexores Conmutadores Atenuadores Aisladores Medidores de Potencia ptica Localizadores de Fibras Reflectmetros Cajas de empalmes
Otras aplicaciones de F.O.
ATE
Propiedades de la fibra que justifican las diversas aplicaciones
TRANSPARENCIA: Observacin e iluminacin de superficies normalmente inaccesibles. SENSIBILIDAD A FACTORES EXTERNOS: Factores externos pueden modificar algn parmetro del haz de luz. FLEXIBILIDAD: Permite introducir las fibras en zonas de difcil acceso. INSENSIBILIDAD A RADIACIONES NUCLEARES: til en aplicaciones militares PEQUEO DIMETRO: Permite acceso a lugares difciles. PESO REDUCIDO
Introduccin
Otras aplicaciones de F.O.El endoscopio Sirven para la observacin de zonas de difcil acceso
ATE
Elementos que lo constituyen FUENTE DE LUZ: Halgena o de cuarzo. HAZ DE FIBRAS : Unas para iluminar, otras para ver ELEMENTOS PTICOS
Aplicaciones basadas en la transparencia
Otras aplicaciones de F.O.Aplicaciones del endoscopio Inspeccin de motores y turbinas
ATE
En el control de calidad de los procesos de fabricacin se realiza el anlisis de las oquedades provocadas por burbujas de aire atrapadas en el proceso. Medicina Laringoscopios, brocoscopios, gastroscopios, etc. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra la imagen. Los campos generales de actuacin son: Diagnstico Teraputico Postoperatorio Anlisis remoto de muestras Se dispone de un haz de fibras: Parte del haz lleva luz y el resto recoge la luz reflejada. A continuacin se compararan y se pueden determinar determinados parmetros
Aplicaciones basadas en la transparencia
Otras aplicaciones de F.O.
ATE
Reproduccin tridimensional de imgenes Se divide el haz en varios grupos, cada uno para un plano. Por superposicin de planos es posible reproducir la imagen Una aplicacin ms sencilla es la lectura de tarjetas perforadas Medicna Laringoscopios, brocoscopios, gastroscopios, etc. Una fibra se encarga de transportar la luz al interior del organismo y la otra la imagen. Los campos generales de actuacin son: Diagnstico Teraputico Postoperatorio Anlisis remoto de muestras Se dispone de un haz de fibras: Parte del haz lleva luz y el resto recoge la luz reflejada. A continuacin se compararan y se pueden determinar determinados parmetros
Aplicaciones basadas en la transparencia
Otras aplicaciones de F.O.
ATE
Conmutadores Constan de una fibra partida en cuyo espacio de separacin se inserta: Un material de transparencia variable Un elemento mvil Medidas de contaminacin y reflexin La mayor parte de los compuestos se caracterizan por un espectro en las zonas infrarroja o ultravioleta que permite detectar su concentracin
Aplicaciones basadas en la radiacin del extremo
Otras aplicaciones de F.O.
ATE
Detectores de nivel Presentan como problema la suciedad
Aplicaciones basadas en la radiacin del extremo
Otras aplicaciones de F.O.Sensores
ATE
Ventajas Insensibilidad a perturbaciones electromagnticas Aislamiento galvnico Qumicamente inertes Adecuados para medios inflamables Flexibilidad Pequeo peso Dbil atenuacin Gran ancho de banda Precisin Estabilidad Difcil intercepcin
Sensores
Otras aplicaciones de F.O.Sensores interferomtricos
ATE
Espejo fijo Espejo mvilTransductor
LASER
DETECTOR
Interfermetro de Michelson
LASER
Acoplador
Espejo fijo
DETECTOR
Transductor Interfermetro de Michelson realizado con fibra
Sensores
Otras aplicaciones de F.O.Sensores interferomtricos
ATE
Espejo fijoDETECTOR
Espejo mvilLASERTr
Interfermetro de Mach-Zehnder
an sd uc to r
LASER
Acoplador
Acoplador
D
D
Transductor Interfermetro de MachZehnder realizado con fibra
Sensores
Otras aplicaciones de F.O.Sensores de presin Mediante reflexin
ATE
Sensores de presin
Otras aplicaciones de F.O.Sensores de presin Esterillas de reflexin
ATE
Deteccin de proximidad de mquinas peligrosas Sensor de contacto en parachoques Deteccin de impactos (pelotas de tenis)
El hidrfono Transforma oscilaciones sonoras en un medio lquido Exiten dos posibilidades de medida: Mediante tcnicas interferomtricas Mediante tcnicas ecomtricas
Sensores de presin
Otras aplicaciones de F.O.Sensores de temperatura Existen diferentes tipos en funcin el hecho en que estn basados 1. El Ncleo y la envoltura varan de modo distinto su ndice de refraccin al cambiar la temperatura. Al aumentar la temperatura, disminuye la diferencia de ndices y llega menor luz 2. Utilizando mtodos interferomtricos 3. Utilizando la fibra como gua de luz y midiendo en la zona del infrarrojo Medidas de campo magntico Se basan en la variacin del plano de polarizacin de la luz Otra posibilidad es utilizar tcnicas interferomtricas
ATE
Sensores de temperatura y campos el.-mag.
Otras aplicaciones de F.O.
ATE
Ventajas Resulta ms sencilla la codificacin de mensajes Escaso peso: industria aeronutica Inmunidad a interferencias electromagnticas Inmunidad a radiaciones nucleares
Aplicaciones Comunicaciones en general Interconexin de radares Enlaces entre centros de campaa mviles Lanzamiento de misiles
Aplicaciones militares