Fibras ópticas

En la búsqueda por encontrar materiales conductores capaces de soportar transmisiones de altas frecuencias, resistentes a temperaturas variables y condiciones ambientales, los ingenieros y tecnologos desde mediados de siglo empezaron a desarrollar nuevas tecnologías de transmisión. Los cables de hierro que llevaban mensajes telegráficos no pueden soportar las frecuencias necesarias para acarrear a largas distancias las llamadas telefónicas sin pasar por severas distorsiones. Por ello las compañías telefónicas se movieron hacia los pares de cables de cobre. Aunque éstos cables trabajaron y continúan trabajando bién en algunas redes, para los años cincuenta, las centrales telefónicas de las rutas más ocupadas ya estaban muy saturadas, por lo que necesitaron mayor ancho de banda que el de los regulares pares de cables de cobre podían aguantar. Por ello las compañías telefónicas empezaron a usar cables coaxiales.

En los sesenta, con la emergencia de la industria de televisión por cable, que es un fuerte consumidor de ancho de banda, además de los cada vez mayores requerimientos de capacidad de conducción de las empresas telefónicas, en los años sesenta el consumo de ancho de banda aumentó considerablemente. Se recurrió al cable coaxial y a la tecnología digital que solventaron el requisito de mayor eficiencia en el uso del ancho de banda. Sin embargo, simultáneamente se empezaron a buscar otros conductores que usaran alguna forma de comunicación óptica, esto es, usando luz en vez de microondas.

Los primeros estudios sobre las fibras ópticas para aplicaciones de transmisión se llevaron a cabo a mediados de los sesenta. En el laboratorio de la Standard Telecommunications de ITT en Inglaterra, C.K. Kao y G.A. Hockham postularon que las ondas de luz se podían guiar por vidrio, o sea, fibra óptica, donde la luz que entra por un extremo de un hilo se refleja repetidamente en las paredes de la fibra con un ángulo crítico bajo y sale por el otro extremo con el mismo ángulo, igual que si pasara por una tubería. En 1970 los científicos de Corning Glass Works en Nueva York convirtieron la idea en realidad. Los ensayos de campo se empezaron en 1975 y en 1978 se habían instalado 1000 kilómetros de fibra óptica por el mundo.

Canadá fue uno de los pioneros en la instalación de redes de fibra óptica. En 1966, Bell Northern Research instaló un sistema de comunicaciones ópticas totalmente operativas en el Ministerio de la Defensa Nacional. También en 1981 se tendió una red rural, conocida como Proyecto Elie, en dos comunidades de la provincia de Manitoba donde no había ningún servicio de telecomunicación; y con la fibra óptica se llevaron a 150 hogares, servicios telefónicos, televisión por cable, radio en FM y videotexto.

En 1983 en Estados Unidos ATyT terminó el primer circuito de fibra óptica de larga distancia entre Washington y Boston. En ese mismo año se instalaron 15 rutas de larga distancia en Inglaterra, Escocia y Gales.[59] Para 1980 había instalados 6 mil kilómetros de fibra óptica en el mundo que aumentaron a aproximadamente 160 mil hacia 1989.

¿Qué son las Fibras ópticas?

Las fibras ópticas son hilos finos de vidrio generalmente o plástico, guías de luz (conducen la luz por su interior). Generalmente esta luz es de tipo infrarrojo y no es visible al ojo humano. La modulación de esta luz permite transmitir información tal como lo hacen los medios eléctricos con un grosor del tamaño de un cabello humano, poseen capacidad de transmisión a grandes distancias con poca pérdida de intensidad en la señal y transportan señales impresas en un haz de luz dirigida, en vez de utilizar señales eléctricas por cables metálicos. Este es el medio de transmisión de datos inmune a las interferencias por excelencia, con

seguridad debido a que por su interior dejan de moverse impulsos eléctricos, proclives a los ruidos del entorno que alteren la información. Al conducir luz por su interior, la fibra óptica no es propensa a ningún tipo de interferencia electromagnética o electrostática.

Estructura de la fibra óptica

La estructura de la fibra óptica es relativamente sencilla, aunque la mayor complejidad radica en su fabricación. La fibra óptica está compuesta por dos capas, una de denominada Núcleo (Core) y la otra denominada Recubrimiento (Clad). La relación de diámetros es de aproximadamente 1 de recubrimiento por 3 de núcleo, como se ilustra en la figura 1. El extra delgado hilo de vidrio está cubierto por una capa plástica que le brinda la protección necesaria, aunque normalmente un gran conjunto de fibras se unen entre sí para obtener mayor seguridad como veremos un poco más adelante.

Para manipular la fibra óptica, esta se incorpora dentro de una estructura mayor que asegura su funcionalidad y conservación. Este grupo de varias fibras ópticas es conocido con el nombre de cable óptico. Un elemento central de tracción con un recubrimiento de polietileno es empleado para evitar tensiones y tracciones que puedan romper una o varias de las fibras contenidas en su interior. Las fibras están recubiertas por una cinta helicoidalmente dispuesta, con una vaina exterior que recubre todo el conjunto. Se pueden apreciar dos tipos de cables ópticos en la figura 1.

Como se propaga la información (luz) en la fibra óptica

La fibra óptica está compuesta por dos capas de vidrio, cada una con distinto índice de refracción. El índice de refracción del núcleo es mayor que el del revestimiento, razón por la cual, y debido a la diferencia de índices la luz introducida al interior de la fibra se mantiene y propaga a través del núcleo. Se produce por ende el efecto denominado de Refracción Total, tal como se ilustra en la figura 2. Los rayos de luz pueden entrar a la fibra óptica si el rayo se halla contenido dentro de un cierto ángulo denominado CONO DE ACEPTACIÓN. Un rayo de luz puede perfectamente no ser transportado por la fibra óptica si no cumple con el requisito del cono de aceptación. El cono de aceptación está directamente asociado a los materiales con los cuales la fibra óptica ha sido construida. La figura 3 ilustra todo lo dicho. Respecto a atenuaciones producidas dentro de otros medios de transmisión, la fibra óptica presenta niveles de atenuación realmente bajos que

permiten transmitir luz por varios kilómetros sin necesidad de reconstruir la señal (regenerar).

LONGITUD DE ONDA.- Todo rayo de luz se halla dentro de un espectro posible. El espectro incluye en la parte más izquierda, los rayos de luz de menor longitud de onda, pero que poseen más energía, denominados ultravioletas. En el otro extremo, se halla las luces de mayores longitudes de onda, pero que poseen menor energía, a las que se denomina infrarrojas. Un intervalo relativamente pequeño de todo este espectro, que se halla entre los colores violeta y rojo, es el que el ojo humano puede apreciar. Son precisamente las luces que se hallan dentro del espectro correspondiente a los infrarrojos los que se emplean para transmitir información por el interior de las fibras ópticas.

La dispersión de la luz, un problema en las fibras ópticas

Este es uno de los fenómenos típicos perjudiciales que se producen Dentro de la transmisión por fibra óptica. Por el efecto de la dispersión, todo rayo que viaja por una fibra se va "ensanchando" a medida que avanza por la misma. Los cálculos para la introducción de repetidores regenerativos deben contemplar este fenómeno. Es cierto que la fibra más que ningún otro medio de transmisión es ideal para transmitir a largas distancias, sin embargo el fenómeno de dispersión de la luz se produce y debe ser tenido muy en cuenta.

¿Qué es un sistema optoelectrónicos y de que se compone?

Un sistema optoelectrónico es aquel conjunto de componentes necesarios para formar un sistema de comunicación que emplea como medio básico de comunicación a la fibra óptica. Para transmitir la información, se requiere de un dispositivo emisor de luz como puede ser en LED - LIGHT EMITED DIODE - DIODO EMISOR DE LUZ, o bien un LASER - LIGHT AMPLIFICATION STIMULATED EMISSION RADIATIONS - AMPLIFICACIÓN DE LUZ, POR ESTIMULACIÓN DE EMISIÓN DE RADIACIÓN. En el otro extremo del vínculo, y para poder detectar esa luz, se usan fotodetectores, que pueden ser: APD - AVALANCHE PHOTO DIODE - FOTODIODO DE AVALANCHA, PIN - PHOTO DETECTOR - FOTODETECTOR, o bien PIN-FET - PHOTO DETECTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR - FOTODETECTOR Y TRANSISTOR POR EFECTO DE CAMPO.

Hasta ahora, existe una gran cantidad de dispositivos que están destinados a convertir todo tipo de señales: sonido, voz, video, etc., a señales ópticas.

EMISORES DE LUZ: LED Y LASER.- Se emplean como emisores de luz, tanto diodos LED como diodos LASER. Ambos son semiconductores de estado sólido y emiten espontáneamente luz cuando se los somete a una corriente eléctrica. Sin embargo, la potencia del LED es inferior a la del LASER. El problema es que el LASER requiere de un conjunto de circuitos de enfriamiento,

dado el elevado calor generado a partir de su uso. De ambos, el LASER es más caro, aunque evidentemente es el mejor. El ancho espectral del LED y del LASER varían, el LASER particularmente tiene un ancho espectral menor, lo que significa que tiene mayor potencia, dada su baja disipación, como se ilustra en la figura 2. Las fibras ópticas son realmente inmunes a cualquier tipo de ruido, sin embargo, tanto el transmisor como el receptor son sensibles al mismo, razón por la cual deben tener el blindaje adecuado, a fin de introducir la información a la fibra de

forma correcta.

RECEPTORES DE LUZ: APD, PIN, PIN-FET.- Son dispositivos capaces de convertir las señales fotónicas en señales eléctricas. El diodo PIN tiene una capacidad lo suficientemente buena para trabajar con transmisiones analógicas. La velocidad del APD lo convierten en el ideal para trabajar con transmisiones digitales. El APD requiere adicionalmente de estabilización de tensión y temperatura.

Dentro del tema de los receptores existe una cantidad de términos muy interesantes.

A continuación los mismos.

FOTÓN / ELECTRÓN.- Dentro de la transmisión eléctrica, la unidad se denomina electrón. Dentro del sistema óptico, la unidad óptica se denomina fotón.

RESPONSABILIDAD Y EFICIENCIA CUÁNTICA.- Es el número de electrones generados por la incidencia de un cierto número de fotones recibidos. La eficiencia de un fotodetector APD es mucho mayor que la correspondiente a un PIN o PIN-FET. CORRIENTE DE PÉRDIDA.- Es la

corriente que circula a través de la juntura sin la presencia de luz incidente. Todo receptor tiene algún voltaje que lo mantiene operativo, la corriente de pérdida hace referencia a la misma.

RUIDO CUÁNTICO.- El ruido cuántico es el producto de la conversión del sistema fotónico al sistema eléctrico. Está compuesto por ligeras variaciones producto de este cambio. En este caso

también un APD es mejor que un PIN o PIN-FET.

TIEMPO DE CRECIMIENTO.- Es el tiempo que un receptor tarda en predisponerse para la captura de información. El APD tiene un tiempo muy breve, y se convierte en el dispositivo ideal para capturar información a alta velocidad.

ELEMENTOS ACCESORIOS PARA INSTALACIONES OPTOELECTRÓNICAS.- Aparte del transmisor, el receptor y el cable óptico, son necesarios algunos otros elementos que se ilustran en la siguiente figura:

Los mismos son los siguientes.

REPETIDORES.- Aunque en baja escala, la señal que se transmite por la fibra óptica es atenuada. A fin de que la señal no se convierta en imperceptible, se deben instalar repetidores en sistemas que cubran grandes distancias.

EMPALMES.- Son interconexiones permanentes entre fibras. En este caso, los núcleos de las fibras que se unan deben estar perfectamente alineados a fin de que no se produzca ninguna pérdida. Dentro de los empalmes, existen dos formas de los mismos. Los primeros son los EMPALMES POR FUSIÓN, en la cual las dos fibras ópticas son calentadas hasta obtener el punto de fusión, y ambas quedan unidas. Este método siempre tiene una ligera pérdida de 0.2dB. El segundo tipo es el EMPALME MECÁNICO, en el cual, por elementos de sujeción mecánicos, las puntas adecuadamente cortadas de las fibras se unen, permitiendo el pasaje de la luz de una fibra a otras. La pérdida de información en este segundo caso, es ligeramente mayor al primer caso, de 0.5dB.

CONECTORES.- Son conexiones temporales de fibras ópticas. Este sistema debe tener una precisión grande para evitar la atenuación de la luz. Suelen emplear los denominados Lentes Colimadores, produciendo pérdidas de 1dB.

ACOPLADORES.- Existen dispositivos que permiten distribuir la luz proveniente de

una fibra, hacia otras. Son dos tipos de acopladores los que existen: en T y en estrella. Los acopladores en T permiten distribuir la luz proveniente de una fibra, hacia dos salidas, por lo general una entra a una computadora, y la otra prosigue hacia las siguientes. Los acopladores en estrella permiten distribuir una sola entrada de información hacia muchas salidas. Estos últimos pueden ser de 3 a 40 puertas. Todo acoplador tiene una pérdida aproximada de 5dB.

Tipos de Fibras ópticas

Las fibras ópticas se clasifican de acuerdo al modo de propagación que dentro de ellas describen los rayos de luz emitidos. En esta clasificación existen tres tipos. Los tipos de dispersión de cada uno de los modos pueden ser apreciados en la figura 4.

MONOMODO.- En este tipo de fibra, los rayos de luz transmitidos por la fibra viajan linealmente. Este tipo de fibra se puede considera como el modelo más sencillo de fabricar, y sus aplicaciones son concretas.

MULTIMODO - GRADED INDEX.- Este tipo de fibra son más costosas, y tienen una capacidad realmente amplia. La tecnología de fabricación de las mismas es realmente importante. Sus costos son elevados ya que el índice de refracción del núcleo varía de más alto, hacia más bajo en el recubrimiento. Este hecho produce un efecto espiral en todo rayo introducido en la fibra óptica, ya que todo rayo describe una forma helicoidal a medida que va avanzando por la fibra

MULTIMODO - STEP INDEX.- Este tipo de fibra, se denomina de multimodo índice escalonado. La producción de las mismas resulta adecuado en cuanto a tecnología y precio se refiere. No tiene una capacidad tan grande, pero la calidad final es alta. El índice de refracción del núcleo es uniforme para todo el mismo, en realidad describe la forma general de la fibra óptica

El uso de las fibras ópticas en nuestros días y sus ventajas

La capacidad de la fibra óptica multiplica la del cable de cobre, pues para una llamada telefónica se necesitan dos cables de cobre, pero un par de fibras ópticas pueden realizar casi 2 mil llamadas simultáneamente. Su alta capacidad de conducción no se pierde por curvas o torsiones, por lo que se utiliza para tender desde redes interurbanas hasta transocéanicas. Mientras que las redes de cobre toleran un máximo de 10 mil circuitos por cable, los de fibra óptica pueden tolerar hasta 100 mil. Los costos de obtener el cobre son infinitamente mayores que la obtención de la fibra óptica, cuya materia prima es muy abundante, pues el silicio se obtiene de la arena y su peso es de apenas 30 gramos por kilómetro.

También, respecto de las comunicaciones por satélite ofrece algunas ventajas. Una conversación por cable entre Europa y América del Norte tiene un retraso aproximado de 65 milésimas de segundo, que no se llega a apreciar por las personas, pero si esa conversación se realiza por satélite, el retraso se multiplica por 10, convirtiéndose en más de medio segundo. Este retardo es visible cuando se realiza una entrevista de televisión por satélite.

Inicialmente las fibras ópticas se usaron solamente para conectar centrales telefónicas en áreas de mucho tráfico de las grandes ciudades. A medida que la tecnología de las comunicaciones avanzó, las fibras empezaron a penetrar en las redes de larga distancia. Ya se tienden en áreas locales entre las centrales telefónicas y el equipo de los clientes. Muchos nuevos edificios comerciales son cableados con fibra óptica para apuntalar las redes telefónicas y las redes de cómputo de alta velocidad. También ya se encuentran en las centrales telefónicas y los tableros de circuitos de conexión.

El ideal es que lleguen a todas las casas de los clientes del servicio telefónico y provean sobre la misma red de fibra óptica los servicio de voz y video.

Sin embargo, la real explotación de las fibras ópticas para transmisiones electrónicas y las transmisiones ópticas completas, que llevarán a mayores incrementos en las capacidades de las redes, están todavía en camino.

En el futuro cercano deberán desarrollarse mejores fuentes de luz y detectores de fibra de vidrio especial que incrementaran las capacidades de transmisión en un factor arriba de 1000. Los chips ópticos darán mayor velocidad a las computadoras y al equipo de comunicación.

La evolución de las redes de telecomunicación al ideal de redes completamente ópticas (con líneas con conexiones ultrarápidas y dispositivos de almacenamiento también ópticos), se vislumbra compleja. Asimismo, la homologación de los soportes tecnológicos para el establecimiento de lo que se ha denominado como autopistas de información o redes integradas ya no depende tanto de la capacidad de desarrollo tecnológico, sino más bién de factores económicos, políticos y regulatorios de organización y funcionamiento de las empresas de telecomunicaciones.

Aunque nos enfocamos más en las fibras ópticas en su modulo como medio de información su uso es muy variado, algunos ejemplos de donde se emplea comúnmente la fibra óptica son:

• Automatización

• Aparatos fotográficos

• Vidrio

• Vinos y alimentos

• Pinturas

• Teléfonos

• Caracterización de dialectos

• Constantes dieléctricas en aceites aislantes

• Parámetros de cable

• Sensores de microondas

• Metrología electromagnética

Bibliografía

http://lanic.utexas.edu/la/Mexico/telecom/cap2.html

http://utama.bolnet.bo/eldiario/Sucre56.html

Carl Q. Chirstol, "Búsqueda de una estructura estable regulatoria" en D.A. Demac. Trazado de

nuevas órbitas, op. cit., p19-20.

Manuel Rodríguez J., op. cit., p51.