jueves, 31 de mayo de 2012
Historia Fibra Óptica
FIBRA ÓPTICA
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 y superiores a las de cable convencional. 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.
HISTORIA
El uso de la luz para la
codificación de señales no es nuevo, los antiguos griegos usaban espejos para
transmitir información, de modo rudimentario, usando luz solar. En 1792, Claude
Chappe diseñó un sistema de telegrafía óptica, que mediante el uso de un código
y torres y espejos distribuidos a lo largo de los 200 km que separan Lille y
París, conseguía transmitir un mensaje en tan sólo 16 minutos.
La gran novedad aportada en
nuestra época es la de haber conseguido “domar” la luz, de modo que sea posible
que se propague dentro de un cable tendido por el hombre. El uso de la luz
guiada, de modo que no expanda en todas direcciones, sino en una muy concreta y
predefinida se ha conseguido mediante la fibra óptica, que podemos pensar como
un conducto de vidrio -fibra de vidrio ultra delgada- protegida por un material
aislante que sirve para transportar la señal lumínica de un punto a otro.
Además tiene muchas otras
ventajas, como bajas pérdidas de señal, tamaño y peso reducido, inmunidad
frente a emisiones electromagnéticas y de radiofrecuencia y seguridad.
Como resultado de estudios en
física enfocados de la óptica, se descubrió un nuevo modo de empleo para la luz
llamado rayo láser. Este último es usado con mayor vigor en el área de las
telecomunicaciones, debido a lo factible que es enviar mensajes con altas
velocidades y con una amplia cobertura. Sin embargo, no existía un conducto
para hacer viajar los fotones originados por el láser.
La posibilidad de controlar un
rayo de luz, dirigiéndolo en una trayectoria recta, se conoce desde hace mucho
tiempo. En 1820, Augustin-Jean Fresnel
ya conocía las ecuaciones por las que rige la captura de la luz dentro de una
placa de cristal lisa. Su ampliación a lo que entonces se conocía como cables de
vidrio fue obra de D. Hondros
y Peter Debye en 1910.
El confinamiento de la luz por
refracción, el principio de que posibilita la fibra óptica, fue demostrado por Daniel
Colladon y Jacques Babinet en
París en los comienzos de la década de 1840. El físico irlandés John Tyndall descubrió que la luz podía viajar
dentro de un material (agua), curvándose por reflexión interna, y en 1870
presentó sus estudios ante los miembros de la Real Sociedad.1 A partir de este
principio se llevaron a cabo una serie de estudios, en los que demostraron el
potencial del cristal como medio eficaz de transmisión a larga distancia.
Además, se desarrollaron una serie de aplicaciones basadas en dicho principio
para iluminar corrientes de agua en fuentes públicas. Más tarde, J. L. Baird
registró patentes que describían la utilización de bastones sólidos de vidrio
en la transmisión de luz, para su empleo en un primitivo sistema de televisión
de colores. El gran problema, sin embargo, era que las técnicas y los
materiales usados no permitían la transmisión de la luz con buen rendimiento.
Las pérdidas eran grandes y no había dispositivos de acoplamiento óptico.
Solamente en 1950 las fibras
ópticas comenzaron a interesar a los investigadores, con muchas aplicaciones
prácticas que estaban siendo desarrolladas. En 1952, el físico Narinder Singh Kapany,
apoyándose en los estudios de John Tyndall, realizó experimentos que condujeron
a la invención de la fibra óptica.
Uno de los primeros usos de la
fibra óptica fue emplear un haz de fibras para la transmisión de imágenes, que
se usó en el endoscopio médico. Usando
la fibra óptica, se consiguió un endoscopio semiflexible, el cual fue patentado
por la Universidad de
Míchigan en 1956. En este invento se usaron unas nuevas fibras
forradas con un material de bajo índice de refracción, ya que antes se
impregnaban con aceites o ceras. En esta misma época, se empezaron a utilizar
filamentos delgados como el pelo que transportaban luz a distancias cortas,
tanto en la industria como en la medicina, de forma que la luz podía llegar a
lugares que de otra forma serían inaccesibles. El único problema era que esta
luz perdía hasta el 99% de su intensidad al atravesar distancias de hasta 9 metros
de fibra.
Charles K. Kao, en su tesis doctoral de 1956,
estimó que las máximas pérdidas que debería tener la fibra óptica, para que
resultara práctica en enlaces de comunicaciones, eran de 20 dB/km.
En 1966, en un comunicado
dirigido a la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia,
los investigadores Charles K. Kao y G. A. Hockham,
de los laboratorios de Standard
Telecommunications, en Inglaterra, afirmaron que se podía disponer
de fibras de una transparencia mayor y propusieron el uso de fibras de vidrio y
luz, en lugar de electricidad y
conductores metálicos, en la transmisión de mensajes telefónicos. La obtención
de tales fibras exigió grandes esfuerzos de los investigadores, ya que las
fibras hasta entonces presentaban pérdidas del orden de 100 dB por kilómetro,
además de una banda pasante estrecha y una enorme fragilidad mecánica. Este
estudio constituyó la base para mejorar las pérdidas de las señales ópticas que
hasta el momento eran muy significativas y no permitían el aprovechamiento de
esta tecnología. En un artículo teórico, demostraron que las grandes pérdidas
características de las fibras existentes se debían a impurezas diminutas
intrínsecas del cristal. Mientras tanto, como resultado de los esfuerzos, se
hicieron nuevas fibras con atenuación de 20 dB por kilómetro y una banda
pasante de 1 GHz para un largo de 1 km,
con la perspectiva de sustituir los cables coaxiales. La utilización de fibras
de 100 µm de diámetro, envueltas en nylon resistente, permitirían la
construcción de hilos tan fuertes que no podían romperse con las manos. Hoy ya
existen fibras ópticas con atenuaciones tan pequeñas de hasta 1 dB por
kilómetro, lo que es muchísimo menor a las pérdidas de un cable coaxial.
El artículo de Kao-Hockman
estimuló a algunos investigadores a producir dichas fibras con bajas pérdidas.
El gran avance se produjo en 1970, cuando los investigadores Maurer, Keck,
Schultz y Zimar que trabajaban para Corning Glass, fabricaron la primera fibra
óptica aplicando impurezas de titanio en sílice, con cientos de metros de largo
con la claridad cristalina que Kao y Hockman habían propuesto. Las pérdidas
eran de 17 dB/km. Durante esta década las técnicas de fabricación se mejoraron,
consiguiendo pérdidas de tan solo 0,5 dB/km.
Poco después, Panish y
Hayashi, de los laboratorios Bell, mostraron un láser de semiconductores que
podía funcionar continuamente a temperatura ambiente. En 1978 ya se transmitía
a 10 Gb km/segundos. Además, John MacChesney y sus colaboradores, también de
los laboratorios Bell, desarrollaron independientemente métodos de preparación
de fibras. Todas estas actividades marcaron un punto decisivo ya que ahora,
existían los medios para llevar las comunicaciones de fibra óptica fuera de los
laboratorios, al campo de la ingeniería habitual. Durante la siguiente década,
a medida que continuaban las investigaciones, las fibras ópticas mejoraron
constantemente su transparencia.
El 22 de abril de 1977, General
Telephone and Electronics envió la primera transmisión telefónica a través
de fibra óptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California.
El amplificador que marcó un
antes y un después en el uso de la fibra óptica en conexiones interurbanas,
reduciendo el coste de ellas, fue el amplificador óptico
inventado por David N.
Payne, de la Universidad de
Southampton, y por Emmanuel
Desurvire en los Laboratorios Bell. A ambos se les concedió la Medalla Benjamin Franklin en 1988.
Cable submarino de fibra óptica.
En 1980, las mejores fibras
eran tan transparentes que una señal podía atravesar 240 kilómetros de fibra
antes de debilitarse hasta ser indetectable. Pero las fibras ópticas con este
grado de transparencia no se podían fabricar usando métodos tradicionales. El
gran avance se produjo cuando se dieron cuenta de que el cristal de sílice
puro, sin ninguna impureza de metal que absorbiese luz, solamente se podía
fabricar directamente a partir de componentes de vapor, evitando de esta forma
la contaminación que inevitablemente resultaba del uso convencional de los
crisoles de fundición. El progreso se centraba ahora en seleccionar el
equilibrio correcto de componentes del vapor y optimizar sus reacciones. La
tecnología en desarrollo se basaba principalmente en el conocimiento de la
termodinámica química, una ciencia perfeccionada por tres generaciones de
químicos desde su adopción original por parte de Willard Gibbs, en el siglo XIX.
También en 1980, AT&T presentó a la Comisión
Federal de Comunicaciones de los Estados Unidos un proyecto de un
sistema de 978 kilómetros que conectaría las principales ciudades del corredor
que iba de Boston a Washington D. C.. Cuatro años después, cuando el
sistema comenzó a funcionar, su cable, de menos de 25 centímetros de diámetro,
proporcionaba 80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas
simultáneas. Para entonces, la longitud total de los cables de fibra únicamente
en los Estados Unidos alcanzaba 400.000 kilómetros (suficiente para llegar a la
luna).
Pronto, cables similares
atravesaron los océanos del mundo. El primer enlace transoceánico con fibra
óptica fue el TAT-8 que comenzó a operar en 1988, usando un
cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las señales
débiles se podían colocar a distancias de más de 64 kilómetros. Tres años
después, otro cable transatlántico duplicó la capacidad del primero. Los cables
que cruzan el Pacífico también han entrado en funcionamiento. Desde entonces,
se ha empleado fibra óptica en multitud de enlaces transoceánicos o entre
ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redes troncales
de las operadoras hacia los usuarios finales.
Hoy en día, debido a sus
mínimas pérdidas de señal y a sus óptimas propiedades de ancho de banda, la
fibra óptica puede ser usada a distancias más largas que el cable de cobre.
Además, las fibras por su peso y tamaño reducido, hace que sea muy útil en
entornos donde el cable de cobre sería impracticable.
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