La fibra óptica

Uno de los avances en telecomunicaciones mas interesantes es el que tiene que ver con la manera de usar  la luz para poder enviar información, generalmente asociada a un rayo laser. La fibra óptica ha hecho posible que podamos enviar enormes cantidades de información usando fibras mas delgadas que un cabello humano, veamos entonces en qué consiste, luego como se llego a esta tecnología, para posteriormente analizar sus usos  en las telecomunicaciones.

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La fibra óptica  es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED.

Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio o cable. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión. (1)

Breve historia de la fibra óptica

Las ondas de luz son una forma de energía electromagnética y la idea de transmitir información por medio de luz, como portadora, tiene más de un siglo de antigüedad. Hacia 1880, Alexander G. Bell construyó el fotófono que enviaba mensajes vocales a corta distancia por medio de la luz. Sin embargo, resultaba inviable por la falta de fuentes de luz adecuadas.

Con la invención y construcción del láser en la década de los 60 volvió a tomar idea la posibilidad de utilizar la luz como soporte de comunicaciones fiables y de alto potencial de información, debido a su elevada frecuencia portadora 1014 Hz. Por entonces, empezaron los estudios básicos sobre modulación y detección óptica. Los primeros experimentos sobre transmisión atmosférica pusieron de manifiesto diversos obstáculos como la escasa fiabilidad debida a precipitaciones, contaminación o turbulencias atmosféricas.

El empleo de fibras de vidrio como medio guía no tardó en resultar atractivo: tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y coste. En concreto, las fibras de vidrio permitían guiar la luz mediante múltiples reflexiones internas de los rayos luminosos, sin embargo, en un principio presentaban elevadas atenuaciones.

En 1966 se produce un gran hito para los que serán las futuras comunicaciones por fibra óptica, y es la publicación por Kao y Hockman de un artículo en el cual se señalaba que la atenuación observada hasta entonces en las fibras de vidrio, no se debía a mecanismos intrínsecos sino a impurezas originadas en el proceso de fabricación. A partir de esta fecha empiezan a producirse eventos que darán como resultado final la implantación y utilización cada vez mayor de la Fibra Óptica como alternativa a los cables de cobre: (2)

En poco más de 10 años la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión y disminuir casi en su 
totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica.

Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos: El grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, para permitir que el índice de refracción de su núcleo, que es la guía de la onda luminosa, sea uniforme y evite las desviaciones, entre sus principales características se puede mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia. Las fibras ópticas no conducen señales eléctricas por lo tanto son ideales para incorporarse en cables sin ningún componente conductivo y pueden usarse en condiciones peligrosas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay problemas debido a los cortos circuitos. Tienen un gran ancho de banda, que puede ser utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por canal; De esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de cobre. Con un cable de seis fibras se puede transportar la señal de más de cinco mil canales o líneas principales, mientras que se requiere de 10,000 pares de cable de cobre convencional para brindar servicio a ese mismo número de usuarios, con la desventaja que este último medio ocupa un gran espacio en los ductos y requiere de grandes volúmenes de material, lo que también eleva los costos.

Comparado con el sistema convencional de cables de cobre donde la atenuación de sus señales (decremento o reducción de la onda o frecuencia) es de tal magnitud que requieren de repetidores cada dos kilómetros para regenerar la transmisión, en el sistema de fibra óptica se pueden instalar tramos de hasta 70 km. Sin que halla necesidad de recurrir a repetidores lo que también hace más económico y de fácil mantenimiento este material.

Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para un amplio rango 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 otros. (3)

Conceptos Básicos…

Los censores de fibra óptica están formados por un amplificador que contiene el del emisor y el receptor, y un cable de fibra óptica que transmite y recibe la luz reflejada por el objeto a detectar. Las características y presentaciones dependen mucho del fabricante. Así como en las fotocélulas, la evolución tecnológica no se ha hecho muy patente, en los censores de fibra óptica se ha notado una evolución en los últimos años muy importante.

Ventajas de la fibra óptica…

Capacidad de transmisión: La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta el advenimiento de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.

  1. Mayor capacidad debido al ancho de banda mayor disponible en frecuencias ópticas.

  2. Inmunidad a transmisiones cruzadas entre cables, causadas por inducción magnética.

  3. Inmunidad a interferencia estática debida a las fuentes de ruido.

  4. Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.

  5. La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

 

Cómo se hace una fibra optica?

La fabricación de fibra óptica es un proceso de alta tecnología. Tengamos en cuenta que el grosor estándar de la fibra es 125 micras (aproximadamente el doble que un cabello humano) y el núcleo es de unas 8 micras (en fibras monomodo, que son las usadas para comunicaciones a larga distancia). Y evidentemente, es crítico mantener la pureza y la regularidad del núcleo.

Todo ello convierte la fabricación de fibra en un proceso complicado. Sin embargo, el fundamento es sencillo (y es una idea brillante). Se trata de construir grandes tubos de vidrio que reproducen a escala macroscópica la estructura de la fibra. Estos tubos se llaman preformas. Posteriormente, la preforma se va fundiendo y estirando hasta que obtenemos un filamento alargado cuyo fino diámetro reproduce a escala microscópica la preforma original.

En este proceso, se parte de barras de vidrio huecas, que se bañan en un gas que contiene las partículas de lo que será el futuro núcleo. Calentando hasta mil grados, estas partículas comienzan a fundirse hasta que el tubo hueco colapsa y forma una vara maciza con la estructura deseada: la preforma.

Una vez hechas las preformas, se colocan verticalmente y se calientan hasta que se van fundiendo formando un hilillo continuo. De una preforma se sacan kilómetros y kilómetros de fibra. Este proceso, a pesar de la sencillez de la idea, es muy complejo y delicado, ya que hay que garantizar que el flujo se mantiene constante, que el hilo mantiene un grosor de 125 micras y que no se producen tensiones excesivas. Durante esta fase además se aprovecha para crear una capa protectora sobre el vidrio.

La fibra óptica se enrolla en grandes bobinas. Las grandes redes de comunicación usan haces de varias fibras agrupadas en un cable tan grueso como un cable eléctrico pero capaces de transmitir una cantidad de información mucho mayor, a distancias muchísimo mayores y con un menor gasto de potencia. (4)

Cómo se instala o repara la fibra óptica

 

Cuando  los grandes cables de fibra óptica son enterrados en el fondo del mar requiere de un gran esfuerzo técnico y tecnológico además de requerir enormes cantidades de dinero. También cuando se instala muchos accidentes pueden pasar. terremotos, tsunamis que hacen que estos cables requieran ser reparados.

Entre 1959 y 1996 se estableció que menos del nueve por ciento de los incidentes se debieron a causas naturales, lo que llevó al proceso de entierro de los cables. Todo comienza con el traslado de uno de los extremos del cable hasta una estación instalada en la costa. Los repetidores ópticos basados en erbio, que conectados a bordo del propio barco (que dicho sea de paso, ha sido especialmente diseñado y/o preparado para esta tarea), tienen un intervalo de 40-80 kilómetros entre sí. Dependiendo del barco, su equipo de arado, el tipo de cable y la región, se pueden instalar hasta 200 kilómetros de cable por día. De todos modos, este dato es insuficiente para establecer la duración de cada proyecto. El simple hecho de cargar un barco con el cable de fibra óptica puede demandar entre tres semanas y un mes.

En cuanto al costo de la operación, el “promedio” que he encontrado para un cable transatlántico está en el orden de los 500 millones de dólares. A pesar de este impresionante número, la instalación de cables submarinos sigue siendo más viable que depender de enlaces satelitales, con enlaces más lentos y mayor latencia. Un sistema de cableado submarino puede tener más de una docena de “dueños” entre empresas de comunicaciones y otros grupos. Y más allá de la inversión inicial, los cables no son eternos, ya que algunos quedan obsoletos frente a otras instalaciones más modernas. [5]

Veamos con una animación como es el proceso de instalación de un cable submarino de fibra óptica

Actividades:

Como has podido apreciar la fibra óptica es esencial para las comunicaciones, ahora te invito a que veas la siguiente infografia, y con ella resumirás parte de la información que has leído en esta entrada, anota los aspectos mas importantes de ella en tu cuaderno. (Haz click en el enlace)

http://www.consumer.es/web/es/tecnologia/hardware/2008/05/18/176991.php

2. Observa y analiza los siguientes videos:

Fuentes:

(1) http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica

(2) http://platea.pntic.mec.es/~lmarti2/optral/cap2/fibra-2.htm

(3) http://www.pablin.com.ar/electron/cursos/fibraopt/index.htm

(4) http://www.xatakaciencia.com/tecnologia/como-se-fabrica-la-fibra-optica

[5] http://www.neoteo.com/como-se-instalan-los-cables-submarinos#

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