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Información general sobre fibras ópticas
Definición
Las fibras ópticas son conductores de luz. Tienen forma de cilindros de vidrio o plástico transparente, generalmente de 125 micras de diámetro en el caso de las fibras de vidrio y de un milímetro en el de las fibras de plástico. Se utilizan en muchos campos, como telecomunicaciones, redes informáticas, medicina, automoción, aviónica, decoración y señalización.
En el campo de las comunicaciones, la fibra óptica ha sido durante décadas el medio elegido para las transmisiones de telecomunicaciones a larga distancia. Se consideraba una alternativa a los cables de cobre para aplicaciones con requisitos especiales. Hoy en día, las fibras ópticas se utilizan cada vez más para centros informáticos (data centers), para cablear redes de área local en edificios de oficinas y para dar servicio a los hogares de los abonados a Internet. Pueden dar servicio a todos los puestos de trabajo y ordenadores personales, transportando los impulsos luminosos que corresponden a las señales de los equipos informáticos, telefónicos o audiovisuales.
Prejuicios y verdades
Hasta la década de 2000, las ventajas lumínicas de las fibras ópticas se veían muy a menudo oscurecidas por prejuicios y consideraciones que tomaron cuerpo, cuando aparecieron por primera vez en el mercado. Sin embargo, desde entonces la difusión del conocimiento, por un lado y los avances técnicos, por otro, han remediado esta situación. No obstante, persisten cuatro prejuicios.
Fragilidad
Es cierto que la fibra sin protección, hecha de vidrio, se parte con facilidad. Por este motivo tiene una protección en forma de revestimiento principal.
Contrariamente a la creencia popular, una fibra revestida de este modo ofrece mayor resistencia a la tracción que un cable de cobre o acero del mismo diámetro. Es flexible y resistente a los elementos corrosivos que atacan a los cables de cobre.
Cuando se prepara en forma de cable, es capaz de resistir ataques mecánicos, físicos o químicos. Durante casi 50 años, a través de todas las instalaciones que se han realizado en condiciones extremas -cables submarinos, plataformas petrolíferas, industrias químicas, canteras en minas, etc.- la fibra óptica ha demostrado su resistencia.
Instalación complicada
Este prejuicio se debe a dos dificultades que surgieron en su momento: la interconexión de las fibras ópticas y los radios de curvatura.
En cuanto...
Definición de enlace óptico
La fibra óptica es un medio de transmisión igual que el cobre. El cobre transmite la información mediante electrones, mientras que la fibra óptica lo hace mediante fotones.
1926: hola fotones
Fue en 1900 cuando el físico alemán Max Planck (Kiel 1858 - Gotinga 1947) introdujo en la física la hipótesis de la cuantificación de la energía lumínica, con la noción de granos de luz o cuantos, primera base de la teoría cuántica. Fue en 1926 cuando estos cuantos de luz se denominaron fotones. Cada fotón, correspondiente a la frecuencia ν, lleva un cuanto de energía q tal que q = h x ν donde h es la constante de Planck y tiene un valor aproximado de 6,626 x 10-34 J.s.
Enlace óptico
Para transportar los fotones que componen la señal, el uso de una fibra óptica requiere una doble transformación:
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En primer lugar, la señal eléctrica se convierte en señal luminosa y se inyecta en la fibra óptica; el tránsito de la señal se asegura mediante diversos equipos como conmutadores, acopladores, derivaciones, etc.
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A su llegada, la señal luminosa debilitada se convierte de nuevo en señal eléctrica.
Diagrama de un enlace óptico
Ventajas de la fibra óptica
1. Ancho de banda y velocidad
La capacidad de transportar información aumenta con el ancho de banda del medio de transmisión y la frecuencia de la portadora. Por tanto, un mayor ancho de banda permite mayores velocidades de transmisión de datos, lo que significa que la cantidad de información que se puede transmitir por segundo es mucho mayor. Como el ancho de banda se mide en múltiplos de hertzios por kilómetro, a veces se denomina "ancho de banda kilométrico".
Por orden de magnitud y en función de sus características, las fibras ópticas multimodo ofrecen anchos de banda de 500 MHz.km a casi 5.000 MHz.km, para velocidades de transmisión de hasta cien gigabits por segundo. Las fibras ópticas unimodales ofrecen anchos de banda de varias decenas de gigahercios por kilómetro y pueden transmitir varios terabits por segundo.
Las velocidades de datos indicadas son ejemplos de redes de fibra óptica comunes. Pero para los operadores de redes, se trata más bien de veinte terabits por segundo. ¿Cómo se consigue esto? Mediante el uso simultáneo de técnicas de multiplexación de longitudes de onda, transportando 400 Gbit/s a través de 256 longitudes de onda simultáneamente (véase el capítulo Multiplexación por longitud de onda) y apoyándose en la detección coherente, tipos de modulación de alto rendimiento como la modulación de polarización, la modulación de fase multinivel, la modulación de amplitud multinivel, todo ello acoplado al procesamiento digital de señales (véase el capítulo Ethernet y fibras ópticas).
2. Atenuación lineal
En una línea de transmisión, la potencia de la señal disminuye...
Cómo funcionan las fibras ópticas
Para entender mejor cómo viaja la luz en una fibra óptica, veamos primero algunos aspectos físicos fundamentales que intervienen en este ámbito.
1. Características de la luz
a. Velocidad de la luz e índice absoluto de un medio
En el vacío, la velocidad de la luz es de aproximadamente 300.000 km.s o más exactamente 299.792,458 km.s-1.
En el aire, es más o menos la misma. Sin embargo, en materiales translúcidos como el agua, el vidrio, etc., esta velocidad disminuye. El índice absoluto ni de un medio es la relación entre la velocidad de la luz c en el vacío y la velocidad vi (velocidad de fase) de la luz en ese medio, es decir, ni = c / vi.
Por ejemplo, si suponemos que la velocidad en el vacío es de 300.000 km.s-1 y que en el agua es de 225.000 km.s-1, entonces el índice absoluto o índice de refracción del agua es 300.000/225.000, es decir, 1,3333.
Cuándo es importante la velocidad
A veces oímos decir: "En una fibra óptica, la velocidad es mucho mayor que en el cobre". Esto es incorrecto porque, en una fibra óptica de vidrio, el índice absoluto está en torno a 1,5, por lo que la velocidad es 300.000/1,5, es decir 200.000 km.s-1. Y en un cable de cobre, los electrones, y por tanto la señal, también viajan a unos 200.000 km.s-1. De hecho, la verdadera diferencia entre estos dos medios no es la velocidad, sino la tasa de datos transportados, que es incomparable entre el cobre y la fibra óptica, en beneficio de esta última.
Las fibras huecas permiten que la luz viaje a casi 300.000 kilómetros por segundo.
b. Longitud de onda y espectro electromagnético
La longitud de onda se designa con la letra del alfabeto griego λ (lambda).
Es igual a la velocidad de la onda dividida por su frecuencia, es decir λ = v/f, o es igual a la distancia recorrida por la onda durante un periodo, es decir λ = v.T.
El espectro de las ondas electromagnéticas es muy amplio y, en su forma más conocida, abarca desde las frecuencias de 50 Hz de la corriente eléctrica o las frecuencias de cien hercios de las ondas de radio, hasta las frecuencias de 1022 Hz de los rayos gamma.
La parte visible para el ojo humano se sitúa entre el infrarrojo (≈...
Gracias, Sr. Kao
Un poco de historia
Por el lado de la historia, conviene recordar que la reflexión sobre la orientación de la luz comenzó en serio en el siglo XIX.
En 1841, D. Colladon, de la Universidad de Ginebra, demostró la orientación de la luz en un chorro de agua y, al mismo tiempo, el francés J. Babinet hizo las mismas observaciones y extendió la idea a una varilla de vidrio. La idea se atribuye a menudo a J. Tyndall, que demostró la orientación de la luz en un chorro de agua en la Royal Society de Londres en 1854, siguiendo una sugerencia de M. Faraday.
Pero más allá de estas consideraciones anecdóticas, no podemos terminar nuestra información general sobre fibras ópticas sin mencionar a uno de nuestros colegas, Charles Kuen Kao, muy conocido por los expertos en el mundo de la óptica. Su trabajo se dio a conocer en septiembre de 2009 cuando le concedieron el Premio Nobel de Física.
Charles Kuen Kao
Nacido en Shanghai (China) en 1933, donde cursó estudios primarios y secundarios, emigró al Reino Unido para cursar estudios de posgrado y se doctoró en ingeniería eléctrica por la Universidad de Londres en 1965.
Fue en 1966 cuando hizo un descubrimiento que marcaría un antes y un después respecto a la fibra óptica. Consiguió demostrar la posibilidad de transmitir a grandes distancias -un centenar...