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La fibra óptica,
maravilla de la
comunicación
José de la Herrán
Fotos: Digital Stock
En poco más de una década, la fibra óptica se ha convertido en una de las
tecnologías más avanzadas para transmitir información. Este novedoso
material ha revolucionado los procesos de la telecomunicaciones en todos
los sentidos.
TODOS HEMOS escuchado alguna vez (los que no,
que lo ensayen), cómo el sonido de las palabras puede
conducirse a lo largo de una manguera: las ondas
sonoras emitidas en uno de sus extremos se reflejan en
las paredes interiores y se propagan hasta el otro
extremo. También en muchas películas en las que hay
barcos antiguos, hemos visto cómo el capitán desde el
puente de mando da órdenes a través de tubos sonoros
a la sala de máquinas para cambiar el curso del navío.
Sin embargo, para distancias mayores requerimos
sistemas de otro tipo. Las telecomunicaciones
modernas utilizan electricidad, luz o radio para enviar
sonido, imágenes y datos. La fibra óptica, en lugar de
propagar ondas sonoras, transmite datos en la forma de
pulsos de luz, con la gran ventaja de que las pulsaciones luminosas se transmiten
sin interrupción de un extremo a otro del filamento, sin importar si hay curvas o
esquinas.
Inicio del viaje
La historia de la comunicación por fibra óptica se remonta a 1977, cuando se
instaló un sistema de prueba en Inglaterra. Dos años después, ya se producían
cantidades importantes de este material.
Las fuentes de luz usuales, como los focos incandescentes y los tubos de neón,
emiten una combinación de luz de muchos colores, o longitudes de onda. En 1959,
se descubrió una manera de producir luz de una sola longitud de onda: el láser
(siglas en inglés de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Es
por esto que decimos que la luz de un láser es "coherente", y puede producir
haces de luz muy intenso.
Un récord
El cable de fibra
óptica más largo
del mundo, de
28,000
kilómetros, ocupa
un lugar en el
libro Guiness de
récords como la
estructura más
extensa hecha por
el hombre. De
Miura, Japón, a
Porthcurno en
Gran Bretaña, este
cable tiene puntos
de contacto en 11
países. Su centro
operativo se
encuentra en los
Emiratos Árabes
Unidos.
La fibra óptica
en la medicina
Las aplicaciones
de la fibra óptica
no se restringen a
las
comunicaciones.
Existen hoy en día
otros campos del
conocimiento
como la medicina
que se valen de
esta tecnología; la
fibra óptica se
utiliza en las
intervenciones
El láser se empleó en las telecomunicaciones con el fin de que los mensajes se
transmitieran a velocidades inusitadas y con amplia cobertura. Sin embargo, aquel
uso del láser era muy limitado pues no existían los conductos y canales adecuados
para conducir esa luz. Fue entonces cuando los expertos en óptica dirigieron sus
esfuerzos a la producción de un ducto o canal y obtuvieron lo que hoy se conoce
como fibra óptica.
Transparencia luminosa
La fibra óptica consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico de
50 a 125 micrómetros de diámetro, es decir, más o menos del espesor de un
cabello.
Un cable de fibra óptica se compone de una región cilíndrica llamada núcleo, a
través de la cual se efectúa la propagación de luz, y de una zona externa al núcleo y coaxial con él, llamada revestimiento o envoltura. Dicho revestimiento es
una funda de plástico u otros materiales que lo protegen contra la humedad, los
roedores y otros riesgos del entorno. El índice de refracción (la medida de su
capacidad para desviar la luz) del material de revestimiento es menor que aquél
del núcleo.
Existen tres tipos de fibras ópticas. La llamada fibra multimodal de índice de
refracción escalonado se usa en la transferencia convencional de imágenes, así
como en la transmisión de datos en distancias cortas. La fibra multimodal de índice
de gradiente, en la cual el índice de refracción del núcleo disminuye gradualmente
del centro hacia fuera, es óptima para las distancias intermedias. Para largas
distancias y gran velocidad en la transmisión de datos se emplea la fibra
monomodal, con poca diferencia de índice de refracción y núcleo de tamaño
pequeño.
La capacidad de transmisión de información depende básicamente de tres
características: el diseño geométrico de la fibra, las propiedades de los materiales
empleados (diseño óptico) y el intervalo de longitudes de onda de la fuente de luz
utilizada (cuanto mayor sea éste, menor será la capacidad de transmisión de
información de la fibra).
La fibra óptica de frente (a) y en un corte tensversal (b)
En (a) podemos apreciar que la fibra de vidrio o de plástico está metida en una
funda protectora; dado su pequeñísimo diámetro, independientemiente del material
empleado, puede soportar doblarse hasta cierto ángulo sin romperse.
Normalmente la fibra o conjunto de ellas se instalan dentro de tubos adecuados
para una mayor protección.
En (b) se muestra cómo el pulso de luz, al llegar al borde de la fibra, se refleja
hacia su interior; este proceso se repite innumerables veces. Sin embargo, como
en cada reflexión el haz pierde un poco de intensidad, al cabo de muchas
reflexiones es necesario amplificarlo. Esta labor se realiza mediante un repetidor, o
conjunto de repetidores; en el caso de paquetes de fibras, se requiere uno para
cada fibra.
El viaje sonoro se ilumina
Una línea de comunicación por fibra óptica está constituida por tres elementos
esenciales: en un extremo se encuentra un diodo emisor de luz, que produce los
pulsos; la fibra propiamente dicha y, en el extremo receptor, un diodo detector de
luz. El diodo emisor de luz recibe los pulsos eléctricos en clave y los convierte en
quirúrgicas con
rayo láser o en
doscópicas,
haciéndolas más
rápidas, con lo
cual se reducen
los riesgos y
complicaciones.
pulsos de luz; la fibra óptica se encarga de transmitir esos pulsos luminosos, y el
diodo detector hace lo contrario que el emisor, es decir, los vuelve a convertir en
pulsos eléctricos. Por supuesto, hay que instalar antes del diodo emisor de la luz
un dispositivo que convierta en señal electromagnética el mensaje o los datos a
transmitir y, consecuentemente, en el extremo receptor otro dispositivo, que trabaja
a la inversa.
Al igual que en la computación, en la transmisión por fibra óptica la información va
codificada en forma digital, como una secuencia de 1 y 0. En el caso de las fibras,
los unos están representados por pulsos de luz y los ceros por los espacios entre
pulsos. El volumen de información, esto es, el número de ceros y unos que se
puede transmitir por una fibra óptica es miles de veces mayor que el de una línea
telefónica, y en ello radica la superioridad de este nuevo medio de transmisión.
Los pulsos de luz van uno tras otro y su frecuencia es tan alta que permite enviar
muchos mensajes o datos en forma compartida. Por ejemplo, si el número 7 forma
parte de un dato y la letra N forma parte de una palabra de otro mensaje, se puede
enviar uno tras otro, añadiendo tan sólo pulsos clave que identifican a qué
“paquete” pertenece cada secuencia de datos. Asimismo, si el 7 va a una dirección
y la N a otra, a cada cual se le asigna otro pulso clave para encaminarlo a su
destino.
Rapidez, confiabilidad y economía
Además del gran volumen de información que
pueden transmitir las fibras ópticas, su
aceptación se debe a otros factores. Por una
parte, son muy confiables porque son inmunes a
las interferencias electromagnéticas que afectan
a las ondas de radio. Las fibras ópticas son
ideales para incorporarse en cables sin ningún
componente adicional y usarse en condiciones
peligrosas de alta tensión. Poseen gran ancho
de banda, lo que permite incrementar la
capacidad de transmisión y reducir el costo por
canal. Un cable de seis fibras puede transportar
la señal de más de cinco mil canales o líneas
principales; para brindar este servicio a ese
mismo número de usuarios en un sistema
convencional de cables de cobre, se requieren 10,000 pares de cables, los cuales
ocupan grandes volúmenes y son más costosos.
Por otra parte, debido a la atenuación de la luz a lo largo de la fibra, cada cierta
distancia hay que colocar un "repetidor"; esto es, un dispositivo que recibe los
pulsos de luz, los convierte en pulsos eléctricos, los amplifica y los convierte
nuevamente en pulsos luminosos para inyectarlos en el siguiente tramo de fibra.
Mientras que con el sistema de cables de cobre se requieren repetidores cada dos
kilómetros, con el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70
km. Con suficientes repetidores, este sistema puede transmitir los mensajes o los
datos a cualquier distancia a lo largo y ancho de nuestro planeta.
Todo es según el color
Pero, como ha ocurrido con otros avances tecnológicos, las fibras ópticas ya se
están saturando y debe aumentarse su capacidad. En la actualidad, las fibras
ópticas conducen mejor la luz roja que la azul, porque aquélla tiene mayor longitud
de onda. Por consiguiente, se emplean diodos emisores de luz roja. No obstante,
si se emplearan diodos emisores azules, por ser menor la longitud de onda de la
luz que emiten, se podría duplicar la capacidad de transmisión.
Recientemente, el científico japonés Suhuji Nakamura, quien trabajaba desde hace
años en una pequeña empresa japonesa, consiguió desarrollar el láser azul de
estado sólido, y acaba de dar a conocer su invento. Nakamura ha recibido ofertas
millonarias de otros laboratorios y empresas para desarrollarlo a gran escala. Sin
embargo, aún falta inventar las fibras ópticas adecuadas para la luz azul.
La ruta de Colón
La fibra óptica tiene actualmente un amplio campo de aplicaciones además de la
telefonía: automatización industrial, computación, sistemas de televisión por cable
y transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución, entre
otras.
En México existe una red troncal de comunicación por fibra óptica que enlaza las
ciudades más importantes del país a través de un tendido de miles de kilómetros
de fibra. Además, se encuentra en operación la línea de cable submarino de fibra
óptica Columbus II, que comunica a los Estados Unidos, México y Centroamérica
con Europa y el resto del mundo. La ruta trazada en 1492 por las carabelas del
almirante, es hoy la red de telecomunicaciones más importante en América y
Europa.
La capacidad de transmisión de datos entre ambos continentes por esta red, se ha
incrementado en más de 500%; lo que equivale a miles de canales de televisión;
350 mil llamadas telefónicas simultáneas o, dicho de otro modo, la transmisión de
200 millones de caracteres en sólo 3 segundos. Gracias a este cable submarino se
puede intercambiar información en segundos por fax, red digital integrada, audio,
texto, servicio digital, videoconferencias, televisión, datos por computadora y
telefonía de larga distancia.
La fibra de la ciencia
Pero las fibras ópticas no implican un mero intercambio de datos: la instalación de
una red une a varias disciplinas. Por ejemplo, la instalación del Columbus II
requirió de un complejo estudio científico para conocer las características geográficas, geológicas, morfológicas y barométricas de la superficie sobre la cual
reposa el cable.
Es más, desde su inicio, en el desarrollo de las fibras ópticas se funden diferentes
disciplinas: la física teórica con la aplicada, la tecnología del vidrio con la de los
plásticos, y la electrónica con la óptica, lo que da lugar al nacimiento de la
optoelectrónica. Quienes se interesan en el estudio de la optoelectrónica ya sea el
campo teórico, técnico u operativo, tienen un futuro asegurado en México, país
donde las fibras ópticas ya se usan profusamente y cuyas instalaciones y sistemas
aumentan día con día.
El ingeniero José de la Herrán tiene una larga trayectoria en la divulgación de la ciencia. Actualmente es
miembro del Consejo Editorial de ¿Cómo ves? y jefe del departamento técnico de la Dirección General de
Divulgación de la Ciencia, de la UNAM.