Download La fibra óptica

La fibra óptica
( Publicado en Revista Creces, Agosto 1991 )
La fibra óptica está transformando la manera como nos comunicamos un simple
par de estas fibras, cada una de un ancho no superior a un cabello humano,
puede transmitir cientos de miles de llamadas telefónicas a una velocidad
cercana a la de la luz.
Durante los últimos años las compañías de telecomunicaciones han incrementado
notablemente el uso de la fibra óptica, construyendo redes que abarcan largas distancias y
que en la actualidad envuelven al mundo entero. Los cables de fibra óptica ya cruzan bajo
las aguas del Océano Pacifico y Atlántico y son muchas más las que ya están planificadas
para interconectarse en el futuro.
Durante la próxima década, este pequeño hilo de vidrio ya habrá llegado a nuestras casas.
Las grandes compañías ya están prometiendo nuevos servicios, como el video-teléfono, la
televisión por cable de mucho mejor calidad que la actual, o las conexiones a bibliotecas
de videos centrales con las cuales podremos conectarnos a voluntad y ver la película que
deseemos.
Otros avances incluyen servicios interactivos que nos conectan con computadores
remotos, compras y gestiones bancarias desde la casa o conexiones con bibliotecas u otras
fuentes de información remotas. Todo ello es perfectamente posible, ya que las fibras
ópticas pueden portar mucho más información que cualquier tipo de cable convencional.
Por supuesto que nada de eso es barato y tal vez cueste miles de dólares llevar fibras a
una sola casa. Sin embargo, lo probable es que el costo vaya bajando en la medida en que
aumenten los usuarios y la gente encuentre atractivos los nuevos servicios.
Naturaleza de la luz, clave para el desarrollo
Los rayos de luz viajan libremente por el espacio y, a menos que sean desviados por algo,
lo hacen en línea recta. Es por esos que en la antigüedad la luz ha sido empleada para
enviar mensajes entre dos puntos que estén a la vista el uno del otro. En 1880 Alexander
Graham Belí, un inventor escocés radicado en América, invento el Fotófono, que servía
para enviar voces a través de rayos de luz; tal como su invento anterior, el teléfono, lo
hacía por medio de un cable eléctrico. Bel estaba entusiasmado, con el Fotófono, pero
desgraciadamente este probó no ser práctico, ya que la lluvia, la nieve y la neblina
obstruían los rayos de luz, y porque además muchos de los extremos que se deseaban
comunicar no estaban a la vista uno de otro. Fue el mismo problema que frustró a los
descubridores del láser en su uso de comunicaciones. Las comunicaciones ópticas,
necesitan algo que pueda guiar las señales luminosas, y éste es el rol que desempeña la
fibra óptica. La fibra óptica se fabrica de plástico o vidrio muy transparente y normalmente
tiene diámetros que varían entre 0.125 y 0.5 mm. Está constituida por lo menos de dos
capas: un núcleo interno que conduce la luz, y la capa externa, que es la que confina la
luz al núcleo.
En el vacío la luz viaja a una velocidad constante de 300 mil kilómetros por segundo, pero
esta velocidad disminuye si la luz se transmite a través de otros materiales de mayor
densidad. El grado en que disminuye esta velocidad se mide por el Indice de Refracc¡ón,
que es igual a la velocidad de la luz en el vacío dividida por la velocidad de la luz en el
material. Lógicamente el índice de refracción en el vacío es 1; en el aire es levemente
mayor y una fibra de vidrio tiene un índice de refracción de 1.5, lo que significa que puede
transportar la luz a una velocidad de 200 mil kilómetros por segundo.
Las ondas de luz son dobladas o "refractadas" cuando pasan entre materiales de distinto
índice de refracción. Esta desviación depende del índice de refracción y también del ángulo
con que la luz llega a la superficie.
Algunas veces la luz no puede abandonar el material que tiene un alto índice de refracción.
Si la luz alcanza a la superficie con un ángulo suficientemente grande, es devuelta al
mismo material El Angulo Crítico para que se produzca una Reflexión Interna Total,
depende de la diferencia entre los índices de refracción. En el caso del vidrio (con índice de
refracción de 1.5), es de 42 grados si éste está rodeado por aire. La fibra óptica es capaz
de guiar la luz, atrapándola con un índice de reflexión interna total. A pesar de ello, es
necesario envolver la fibra, ya que la luz se puede escapar si toca con algo. Una fibra de
vidrio típica tiene un núcleo con un índice de refracción de más o menos un 1% mayor que
la cobertura, y el ángulo crítico es de 82 grados. Ello significa que la luz debe llegar a la
superficie con un ángulo adecuado para que pueda ser guiado a lo largo de la fibra (fig.1).
Lo interesante es que la luz puede ser guiada no sólo en línea recta, sino que la fibra
puede también curvarse, lo que no interfiere porque las curvas son amplias en relación al
diámetro de la fibra. Debido a que la reflexión interna dirige la totalidad de la luz
nuevamente al núcleo, las únicas pérdidas son debidas a la absorción y dispersión en el
núcleo mismo de la fibra.
Quien fabricó la primera fibra de vidrio delgada, fué Charles Vernon Boys en 1887. Sin
embargo, las fibras ópticas cubiertas no se fabricaron hasta 1950. Los primeros
investigadores desarrollaron paquetes de fibras para transmitir imágenes. La maternidad
de este proceso se efectúa en Cables de Lyon, empresa del grupo Alcatel, en las afueras
de París, y con él se originó un vuelco en las telecomunicaciones. Dicha tecnología también
se genera hoy en las distintas ramas de la empresa, en Bélgica, Estados Unidos, Alemania,
Suecia, Medio Oriente, Asia y Australia.
Jaques Houssiaux, Ingeniero Director del Departamento de Telecomunicaciones de Cables
de Lyon, señala que "la potencia de este haz luminoso es tan grande que se pueden
transmitir 7.680 canales de voz por cada fibra. Mejorará enormemente el tráfico pesado entre las grandes ciudades- de la información digital.
Mientras las fibras mantengan el mismo orden en ambos extremos, una imagen que entre
por un lado va a aparecer por el otro sin variación y cada fibra llevará una pequeña parte
del cuadro total. Las fibras pueden ser mantenidas en línea si se moldean en un sólo
paquete sólido, pero esto hace que el atado sea rígido e inflexible. Para solucionar este
problema, las fibras de vidrio se enrollan alrededor de sí mismas, formando un paquete
que luego se cubre formando un cable, con lo que se consigue una fibra flexible, pero
necesariamente deben quedar ordenadas de la misma manera en cada extremo.
Estos paquetes flexibles pueden llegar a lugares que de otro modo serían inalcanzables.
Ello es particularmente útil en medicina, donde los médicos pueden utilizar los endoscopios
de fibra óptica, para escudriñaren el interior del organismo humano. Si no se necesitan
imágenes, estos ramos de fibras pueden servir como cañerías de luz para iluminar lugares
pequeños y difíciles de alcanzar, o para enfocar la luz en determinadas direcciones o
finalmente para letreros brillantes luminosos.
Con todo, hay que señalar que el uso actual y futuro más importante de la fibra óptica no
está allí sino en las comunicaciones. Una fibra lleva una señal óptica desde un transmisor
a un receptor y estas señales pueden ir más lejos y más rápido que los cables, sin
necesidad de amplificación en su trayecto, lo que es de gran importancia para
comunicaciones telefónicas, televisivas y de computadoras.
En muy poco tiempo esta tecnología se ha desarrollado muy rápidamente. Recién en 1970
los ingenieros desarrollaron las primeras fibras ópticas para redes telefónicas y hoy las
compañías prefieren utilizar fibras ópticas para sus redes telefónicas comerciales entre
centrales de comunicación. Muchas compañías telefónicas en Europa, USA y Japón, a las
que se ha sumado Chile a través de CTC, ya están aplicando conexiones de fibra óptica
para los servicios telefónicos en los domicilios. Su utilización sitúa a Chile en el quinto
lugar del mundo en cuanto a tecnología de transmisión.
En nuestro país la Compañía de Teléfonos de Chile inició la construcción de una red de
transmisión de larga distancia a base de enlaces de fibra óptica de 1.200 kilómetros de
extensión, en los tramos Santiago-Valparaíso y Santiago-Temuco, incluyendo las
localidades intermedias de Rancagua, Curicó, Talca, Chillán, Concepción, Lota y Angol. Se
encuentra en estudio la conexión hasta Puerto Montt. Dicen los expertos que en Santiago,
por ejemplo, podremos hablar por teléfono sin sentir ruidos molestos, sin interrupciones y
con infinitas posibilidades de conexión. Esta verdadera joya de la tecnología tiene otras
gracias: es barata, no se agota y es simple. No presenta desfases en las líneas telefónicas
y ofrece un canal expedito para la transmisión de datos. Las señales eléctricas y ópticas se
pueden procesar en formato análogo o digital Las señales análogas varían en forma
continua con el tiempo, de modo que un gráfico de intensidad en et tiempo muestra una
línea ondulada. Si la señal representa sonido, la amplitud de cada onda representa la
intensidad del sonido.
Como funciona el sistema
Para la comunicación a través de la fibra óptica, se requiere que un transmisor genere una
señal óptica, la que se canaliza a través de la fibra óptica. La fibra lleva la señal a su
destino, donde un receptor convierte la entrada óptica a un formato eléctrico.
Para generar la señal óptica, el transmisor debe convertir señales eléctricas en luz. Las
señales eléctricas controlan circuitos dentro del transmisor, el cual a su vez controla la
corriente que pasa por dispositivos semiconductores emisores de luz, como por ejemplo un
semiconductor láser. La cantidad de corriente que pasa por el dispositivo, controla cuanta
luz se genera. Del mismo modo que las señales eléctricas, las señales ópticas pueden
estar en un Formato Análogo, variando su intensidad, o un Formato Digital, codificado la
información en una serie de bits digitales (ver recuadro).
La luz que emerge de una superficie muy pequeña del semiconductor debe ser canalizada
hacia el núcleo de la fibra óptica. A primera vista esto parece muy difícil, ya que ambas
superficies son muy pequeñas, sin embargo ello ha probado ser más fácil de lo que se
pensó en un comienzo. Es así como se han desarrollado conectores fibroópticos, que
calzan perfectamente entre ellos y que al mismo tiempo alinean automáticamente las
fibras ópticas. La verdad es que los márgenes de error son mucho menores que en los
conectores por cables eléctricos. También los ingenieros han perfeccionado técnicas para
unir fibras, pegándolas de modo que sus núcleos calzan en forma precisa.
Las fibras ópticas no pueden dejarse desprotegidas, ya que son del grosor de un cabello
humano, pero mucho más rígido. Además las fibras desnudas son difíciles de manipular y
podrían fácilmente dañarse por un mal manejo o incluso por la humedad. Al igual que los
cables eléctricos, las fibras están envainadas en un tubo plástico, formando un cable
(fig.1). Los conectores se montan sobre la funda del cable, para proteger a la fibra de
tirones durante la instalación. Ello es importante también para protegerla de la humedad y
otros peligros, incluyendo la acción de los roedores o de los tiburones en el mar.
La fibra transporta las señales luminosas hasta un fotorreceptor, el cual genera una señal
eléctrica correspondiente al estímulo óptico. Otros circuitos electrónicos procesan la señal
electrónica "cruda" amplificándola y limpiándola de interferencias o ruidos. Esta señal
puede entonces ir directo a un equipo electrónico, sea un teléfono, o bien puede ser
decodificada si se usa para portar señales de televisión (Fig. 2).
Características de la fibra óptica
La mayor ventaja de las fibras ópticas para las comunicaciones reside en que puedan
transmitir mayor información y a mayores distancias que los alambres. Los alambres
gruesos que llevan electricidad hasta las casas tienen una resistencia pequeña y por lo
tanto bajas pérdidas de potencia, pero no pueden transmitir información útil a una
velocidad de más de 50 ciclos por segundo (60 ciclos en Estados Unidos y Japón). Otros
tipos de cables de metal pueden llevar información a altas velocidades, pero no sobre
distancias muy largas, debido a su alta resistencia. Las fibras ópticas pueden llevar una
gran cantidad de información, sin grandes pérdidas de potencia. La mayoría de las fibras
ópticas pueden llevar una gran cantidad de información, sin grandes pérdidas de potencia.
La mayoría de las fibras ópticas están fabricadas de un vidrio especial: Dióxido de silicio
muy puro (Si 02), con pequeñas cantidades de otros materiales, como germanio o boron,
modificados para variar levemente el índice de refracción. Las pérdidas de señal son muy
pequeñas y dependientes de la longitud de la onda de luz. A una longitud de onda de 1300
nanómetros, hay una pérdida de medio decibel por kilómetro recorrido, lo que significa
que alrededor de un 90% de la señal permanece después de un kilómetro, perdiéndose
sólo un 10%. A una longitud de onda de 1500 nanómetros, la pérdida es
aproximadamente de un cuarto de decibel por kilómetro, lo que significa que permanece
un 95% de la señal luego de viajar un kilómetro.
Para los sistemas fibro-óptico típicos, las señales se pueden enviar a una distancia de 50
kilómetros a una longitud de onda de 1300 nanómetros y a una distancia de 150
kilómetros, a longitudes de onda de 1500 nanómetros.
Todos estos factores son inherentes al material con que se confecciona la fibra de vidrio.
Las pérdidas se pueden reducir cambiando los materiales. Actualmente se están
ensayando algunos materiales que contienen circonio, flúor y algunos otros elementos. Sin
embargo, estos no han probado ser prácticos para ser usados en fibras ópticas.
La cantidad de información que se necesita llevar es el otro factor que se debe considerar.
Los límites son fáciles de ver en sistemas digitales, donde el problema principal es el
esparcimiento o dispersión de los pulsos cuando viajan por la fibra. El problema se
incrementa con la longitud de la fibra, ya que se empaña la diferencia con los pulsos
sucesivos, limitando los bits que se pueden enviar por segundo. Existen dos efectivos que
contribuyen a la dispersión: pequeñas diferencias en las distancias que la luz viaja por la
misma fibra, y pequeñas diferencias en la velocidad de la luz en la fibra, a diferentes
longitudes de onda.
Los rayos de luz que viajan por el centro del núcleo de la fibra rebotan menos de lado a
lado con las paredes del núcleo. La pequeña diferencia que se produce con las que rebotan
puede ser importante cuando hay muchos datos que están pasando. Para disminuir esta
dispersión, hay que fabricar un núcleo de la fibra muy delgado como para conseguir que la
luz sea transportadora de "un modo simple". Esto significa que el diámetro debe ser de
alrededor de 9 micrómetros para transmisiones a 1300 nanómetros (fig. 3). Las fibras de
modo simple son las que se están usando en telecomunicaciones, ya que pueden
transportar una gran cantidad de datos.
En todo caso, alguna dispersión siempre se conduce, debido a que el índice de refracción
del vidrio varía con la longitud de onda a que la luz viaja a través de él, causando un
efecto llamado "dispersión cromática". Todas las fuentes de luz emiten un rango de
longitud de onda. Sus diferencias en el índice de refracción significa que la luz de cierta
longitud de onda es capaz de viajar más rápido que otras, lo que produce el hecho de que
el pulso se esparza. La dispersión aumenta con el largo de la fibra, con la magnitud de la
gradiente de dispersión y el rango de las longitudes de onda. A mayo dispersión del pulso,
menos bits por segundo pueden pasar por la fibra.
Afortunadamente en fibras de vidrio estándares el índice de refracción cambia muy poco
con la luz de longitud de onda cercana a los 1300 nanómetros, lográndose así una
dispersión cromática pequeña. La mayoría de los sistemas de fibra óptica existentes
operan a esa longitud de onda. Las fibras se pueden hacer también con cero dispersión a
una longitud de onda de 1500 nanómetros, en que se pierde menos de la señal. Este tipo
de fibras se usará en el futuro para las largas distancias y cables submarinos.
Existen otras ventajas adicionales de la fibra óptica, como por ejemplo que no son
afectadas por los campos electromagnéticos provenientes de tormentas eléctricas o cables
de alta tensión o bujías de automóviles, que sí afectan a señales eléctricas transmitidas
por alambres.
Las señales eléctricas producen corrientes eléctricas en conductores cercanos, por lo que
es posible intervenir las líneas sin ser detectados. Las fibras ópticas son mucho más
difíciles de intervenir. Esta ventaja hace que la fibra óptica sea ideal para transmitir datos
entre localizaciones militares y para comunicaciones entre plantas eléctricas de potencia.
Aplicaciones de la fibra óptica
Hasta hace muy poco era el sistema telefónico el que más usó la fibra óptica. Actualmente
el teléfono del hogar está unido a la red por alambres que portan una simple comunicación
a frecuencia de audio, entre 1 y 4 kHz. Estos alambres llegan hasta una planta
conmutadora o un concentrador remoto, donde son unidas a otras señales para formar lo
que se llama una "señal multiplexada". Estas son ruteadas por computadores electrónicos
hasta su destino. En las redes telefónicas modernas europeas, las señales de voz son
digitalizadas a razón de 64.000 bits por segundo, antes de ser multiplexadas.
Se pueden enviar treinta de esta conversaciones digitalizadas, entrelazando un bit de cada
una a la vez, generando una señal de 2 millones de bits (megabits) por segundo. Del
mismo modo es posible concentrar señales a razones mayores y llevarlas por un par de
fibras ópticas; en cada una se transmite en una dirección.
Las fibras ópticas son el único medio para llevar señales telefónicas por sobre 100
megabits por segundo sobre la tierra, y son ampliamente usadas a razones menores. La
British Telecom utiliza fibras para llevar hasta 565 megabits de datos por segundo y ha
probado transmisiones a 2.400 megabits por segundo (2.4 gigabits por segundo). En
Estados Unidos yJapón ya hay redes telefónicas con fibras ópticas, llevando hasta 1.700
megabits por segundo. Hasta el momento la mayoría de los sistemas operan en longitudes
de onda de 1.3 micrometros y pueden llevar señales hasta 50 km antes de necesitar
amplificarías.
Las redes telefónicas con fibras ópticas nacionales están interconectadas con redes
telefónicas internacionales. Los cables submarinos atraviesan los océanos Pacífico y
Atlántico, como también el Mediterráneo y el canal entre Francia e Inglaterra. Ya las fibras
amenazan con dejar obsoletas las comunicaciones vía satélite para conexiones telefónicas
enrutadas, como las que hay entre Nueva York y Londres, que implican millones de
llamadas.
El siguiente paso es extender las comunicaciones por fibra óptica hasta los hogares. Allá
pueden llegar los servicios telefónicos y de televisión, datos digitales, música estereofónica
y otras. Es algo que viene, pero aún hay que solucionar problemas.
La British Telecom gastará 5 millones de libras esterlinas para un ensayo que prueba dos
sistemas de fibras en Bishop (Stortford). Uno de los sistemas usa computadores
electrónicos para que los usuarios seleccionen 2 de 18 canales de video, como también
servicios de audio y teléfono. El otro es una idea nueva de sus laboratorios que en que se
anula la necesidad de conmutar, enviando las señales codificadas, de modo que todos los
suscriptores las reciben, pero sólo pueden decodificar las que son dirigidas para ellos.
Sin embargo, existen aún algunos obstáculos. Los enlaces de fibra óptica a las casas por
ahora tienen un costo superior a los enlaces por cables convencionales para teléfonos o
televisores. Southern Bell, la mayor compañía de teléfonos del sudeste de Estados Unidos,
cree que éstos se podrán rebajar y que ya en 1992 serán más baratos que los enlaces por
cable. En todo caso la instalación de fibras ópticas en las casas va a depender de la
demanda de nuevos servicios que sólo la fibra óptica puede proveer, como por ejemplo los
programas de video a pedido desde bibliotecas de videos.
Los mayores obstáculos para la introducción masiva de fibra óptica son las regulaciones
que existen en varios países que prohíben a las compañías telefónicas ofreces servicios de
televisión. Ya en Estados Unidos los operadores de televisión por cables, con miles de
millones de dólares invertidos en sistemas de cable metálico, están luchando por
propuestas de las compañías telefónicas para desarrollar redes integradas de fibra óptica
Las regulaciones y el mercado futuro son difíciles de predecir, pero las tendencias ya están
claras. En poco más de una década la fibra óptica ha llegado a ser el método más
importante para transmitir muchos tipos de comunicaciones entre dos puntos fijos. La
tecnología ha progresado muy rápido y es así como los investigadores han reducido hasta
tal punto la cantidad de señal que se pierde a través de la fibra óptica que ya poco más se
puede lograr a menos que se cambie el vidrio de silicio por otros materiales. También hay
progresos importantes en otras áreas. Amplificadores ópticos pueden amplificar la señal
óptica sin convertirla previamente a formato eléctrico. Es así como una señal óptica puede
ser dividida, amplificada y luego dividida nuevamente para llegar a muchas personas. Los
nuevos transmisores y receptores pueden operar a velocidades y ancho de bandas
mayores, con lo que las fibras pueden llevar más información y servicios. Estos progresos
incrementarán el uso de la fibra óptica a través de las redes de comunicación globales.
Transmisión análoga y digital
Las señales digitales codifican la misma información como una serie de unos (1) y ceros
(0), de modo que hay dos posibles estados para la señal en un determinado instante del
tiempo (prendido o apagado). En el código digital, una serie de bits representa la
intensidad de la señal, promediada sobre un pequeño intervalo (normalmente el intervalo
de tiempo requerido para la transmisión de esos bits).
Un código de dos bits puede representar 2 2, o 4, estados: prendido, apagado, y dos
estados intermedios. Estos estados representan la fuerza de una señal en un instante.
La cantidad de información transportada por sistemas digitales y análogos se mide en
diferentes unidades. Los sistemas digitales se miden por el número de bits por segundo
que pasan por un punto. Las transmisiones análogas se miden por el ancho de la banda,
que es el rango de frecuencia (en hertz) que puede pasar sin distorsión a través del
sistema. Las unidades no son exactamente comparables.
Las señales pueden convertirse en formatos digitales y análogos. Se necesitan 64.000 bits
por segundo para representar una señal telefónica análoga de 3.000 hertz, pero una línea
de teléfono análoga común no puede manejar esa cantidad de datos digitales. Sin
embargo, las señales digitales son menos vulnerables a las interferencias (ruido). El ruido
adicionado a una señal análoga es amplificado junto con la señal, en cambio los sistemas
digitales ignoran el ruido cuando éste contamina la señal. Es así como los tocadiscos que
usan señales análogas reproducen ruidos y rayas de los discos, no así el Compact Disc,
que no transmite este ruido a los discos. Los sistemas de transmisión están prefiriendo las
transmisiones digitales debido a que el ruido es más bajo y además porque la electrónica
digital es más fácil de fabricar que la de tipo análogo.
Artículo extraído de CRECES EDUCACIÓN - www.creces.cl