Universidad Nacional Autónoma de México
Dirección General de Servicios de Cómputo Académico
Año 7 Núm. 74, Publicación Mensual, 27 de Noviembre de 2008

ARTÍCULOS

 

Año 4, Número 42, Septiembre de 2005

Propagación de la luz
en la fibra óptica

Leobardo Israel Escobar Maya
Arturo González Román

 

Antecedentes

Los sistemas ópticos de comunicación se remontan al siglo XVIII cuando en Francia se inicia el uso del telégrafo visual, algo muy parecido a un sistema de señalización con banderas, cuya primera aplicación fue la de enviar y recibir instrucciones codificadas de batallones de guerra. Cien años pasaron para que Alexander Graham Bell inventara el fotófono, versión visual del teléfono, que no tuvo el impacto deseado. Y mientras en la década de los 20 se sugería ya el uso de tubos huecos para la transmisión de imágenes, es hasta 1954 que Abraham Van Hell (Holanda) y Harold H. Hopkins (Inglaterra) realizan los primeros experimentos para el envío y recepción de señales a través de fibras delgadas de vidrio.

Medir la capacidad de los transmisores ópticos con escala lineal es poco práctico, por ello se emplea una escala logarítmica, medida en decibeles (dB) que corresponde a la relación entre la potencia de salida y la de entrada. Las fibras ópticas a mediados del siglo XX, poseían índices de atenuación (o pérdida de la señal por absorción del medio) demasiado altos.

Van Hell añadió a su investigación la posibilidad de recubrir la fibra con un material de menor índice de refracción, que aisló al conductor principal del aire exterior, hecho que mejoró la calidad de las señales transmitidas, de tal forma que en la década de los 60, su uso principal se dio en las aplicaciones médicas, con atenuaciones de 1dB por metro de fibra. Sin embargo, este índice aún no era adecuado para las telecomunicaciones, que requerían atenuaciones no superiores a 10 o 20dB por kilómetro.

En 1970, gracias a las especificaciones para reducir la atenuación elaboradas por Charles K. Kao, se determinó que la clave era usar un material conductor de mayor pureza óptica. Fue así como empezaron los experimentos con silicio fundido que tiene un bajo índice de refracción.

Posteriormente, la empresa norteamericana Corning Glass, desarrolladora del vidrio empleado por Thomas A. Edison en sus primeras bombillas, obtuvo la patente 3 711 262 de los Estados Unidos, que describe la composición de la primera fibra óptica capaz de transportar 65 mil veces más información que un cable de cobre equivalente, a partir de la transmisión de ondas de luz. La clave para alcanzar 17dB por kilómetro de atenuación en esa primera fibra para telecomunicaciones, fue incluir algo de titanio en la mezcla del núcleo de la fibra.

Tiempo después, la misma empresa patentó la fibra con silicio y germanio, lo que redujo la atenuación a 4dB por kilómetro, no obstante, estas fibras todavía tenían un alto costo de producción. En 1973, Bell Labs introdujo una nueva forma de producir fibra óptica de alta pureza, permitió así, que en tan sólo cuatro años, pudiera inaugurarse el primer circuito telefónico construido con este material, operado por la empresa GTE a una velocidad de 6Mbps en Long Beach, California.

Componentes de la fibra

Toda fibra óptica en telecomunicaciones consta de tres capas concéntricas: el núcleo, el recubrimiento y el revestimiento. Las dos primeras tienen distintos niveles de refracción, donde el mayor es el del núcleo, lo que garantiza que actúe como un “conductor de las ondas de luz”. El índice de refracción se calcula al dividir la velocidad de la luz en el vacío (cerca de 300 mil Km/s) entre la velocidad de la luz en el medio.

El principio de operación de la fibra óptica consiste en hacer incidir un haz de luz en el núcleo en cierto ángulo, para que la luz “rebote” entre el revestimiento y el núcleo, efecto conocido como Reflexión Interna Total. Dado que el recubrimiento no absorbe la luz existente en el núcleo, el haz puede transportarse a grandes distancias. La cantidad de luz que se puede inducir en el núcleo, es directamente proporcional a la eficiencia de la fibra óptica, es decir: a mayor cantidad de luz, menor índice de pérdida de información, ya que llega más luz al destinatario. Con base en lo anterior, los principales factores que pueden afectar la eficiencia de la fibra óptica son el tamaño, la composición y el modo de propagación de la luz.

Atenuación y longitudes de onda

La atenuación, o pérdida de la señal, deriva de dos causas: el índice de absorción de luz que tenga el material que compone la fibra óptica y su pureza. La absorción reduce la energía en la señal, por lo que puede no llegar completa al destino; mientras que un material impuro desviará la luz de su camino entre el núcleo y el recubrimiento. Sin embargo, otro factor que impacta el rendimiento de la fibra es la longitud de onda del haz de luz, que se mide en nanómetros (nm), o mil millonésima de metro, siendo las longitudes de onda más comunes 780, 850, 1300, 1550 y 1625 nm.

Tipos de fibra

  1. Fibra óptica de vidrio. Tiene el menor nivel de atenuación y tanto el núcleo como el recubrimiento implican una alta pureza óptica, por estar fabricados de dióxido de silicio o de cuarzo fundido. Para incrementar los índices de refracción, se mezcla con algunas impurezas de germanio, titanio o fósforo; tiene el costo más elevado.
  2. ibra óptica de plástico. Tiene la atenuación más alta de todos los tipos de fibra, por lo que se recomienda para redes de corta distancia. El núcleo está hecho de plometilmetacrilato (PMMA) recubierto de un fluoropolímero, además de que su proceso de fabricación es más barato.
  3. Fibra óptica de plástico – silicio (PCS). Su atenuación se ubica entre la fibra óptica de vidrio y la de plástico. El núcleo es de vidrio y el recubrimiento de un polímero plástico con menor refracción. Por su estructura, es más difícil la instalación de conectores en este tipo de fibra, lo que la hace la menos popular de las tres.

La propagación

Cuando la luz incide en la fibra óptica, puede tener variaciones en su intensidad, es decir, la cantidad de variaciones o modos dependerá de las dimensiones de la fibra y de los distintos índices de refracción que pudieran estar presentes a lo largo de todo el medio.

Fibras multimodo (MMF)

Si el núcleo de la fibra óptica es mayor que el recubrimiento, un rayo de luz se propaga a través de la fibra como múltiples rayos o modos. A partir de esto, las señales de entrada y salida tendrán marcadas diferencias en potencia, porque buena parte de los rayos que “rebotan” en el recubrimiento disipan su energía como calor. De manera adicional, no todos los rayos llegan al mismo tiempo al destino, ya que los de más alta frecuencia rebotarán más veces que los de baja frecuencia, los cuales prácticamente transitan por el centro del núcleo.

En las fibras multimodo, los índices de atenuación y de dispersión en el tiempo son mayores que en otros tipos de fibra; sin embargo, por no necesitar tanta precisión en el núcleo, son las más económicas y atractivas del mercado para enlaces debajo de los cinco kilómetros. Están hechas de plástico, vidrio, o mezclas de plástico y silicio, y sus núcleos tienen un diámetro de 50 µm y 62.5 µm1; además la luz que transcurre en estas fibras, tiene longitudes de onda de 850 y 1300 nm.

Variaciones en la fibra óptica multimodo
Tipo y diámetro de
núcleo (µm)
Modos posibles
Longitud de
onda (nm)
Distancia máxima (metros)
Ancho de banda máximo
MMF 50
300
850
1000
1 Gbps
MMF 50
300
850
300
10 Gbps
MMF 62.5
1100
850
275
1 Gbps
MMF 62.5
1100
850
33
10 Gbps

 

Fibras monomodo (SMF)

Este tipo de fibras posee un núcleo extremadamente delgado: 8.3 µm y 10 µm. Dado lo estrecho del conductor, el rayo de luz difícilmente puede “rebotar” en las paredes del recubrimiento, como resultado éste se conduce por el centro del núcleo. La consecuencia directa es que casi no existe dispersión de energía como calor y la atenuación es menor, pues sólo hay un rayo en la fibra.

A diferencia de la MMF, la fibra monomodo soporta mayores distancias y ancho de banda, pero a la vez es más costosa por el hecho de que únicamente se emplea vidrio en su fabricación. Las longitudes de onda de la luz en las SMF son de 1310, 1550 y 1635 nm.

Sea cual fuere el modo de fibra usado, en un extremo se encuentra el emisor de los datos (que puede emplear un láser o LEDs, en función de la distancia necesaria y el tipo de fibra), mientras en el otro lado, el receptor, se ubica un sensor lumínico o fotocelda. Aunque en medio de ambos aparatos sólo puede haber fibra óptica, la señal posiblemente requiera de amplificaciones mediante un proceso conocido como Regeneración Óptica, necesario por ejemplo, para los enlaces por fibra que cruzan ciudades, países u océanos.

Los regeneradores ópticos son porciones de fibra con una cobertura especial, cuyas moléculas, al ser estimuladas por un láser, se convierten en emisores de luz de las mismas características que la débil luz entrante.

Aunque son muchas las ventajas de la fibra óptica sobre el cable de cobre para la transmisión de información, destacan las siguientes:

  • Tiene menor costo por kilómetro a mayor distancia.
  • Transporta mayor información en menos espacio.
  • Sufre una menor degradación de la señal por kilómetro (atenuación).
  • Ofrece nula interferencia de señales. Cada canal tiene su propia frecuencia de luz.
  • Conlleva un consumo menor de energía eléctrica.

La fibra óptica no reemplazará por completo a las redes de cobre, sin embargo, se registra un aumento en su uso en redes de servicios de telefonía, Internet, televisión, radio y cine en demanda. En pocos años, seremos testigos de la completa integración de redes personales y locales metropolitanas y mundiales, a través de estos finos hilos de vidrio y plástico.

Para mayor información:

http://www.fiberopticsonline.com

http://www.belden.com

http://www.ciscopress.com

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