La Fibra Óptica

La fibra óptica es un hilo muy delgado, ligeramente más grueso que un cabello humano hecho de vidrio (silicio) o plástico, que se usa para transmitir luz y mediante ella, una gran cantidad de información codificada.

En el sentido más básico, el funcionamiento de la fibra óptica es extremadamente sencillo, ya que solamente proporciona un medio para el control y la transmisión de una fuente de luz de un punto al otro. Sin embargo, mediante sofisticados codificadores y decodificadores en los extremos se pueden enviar a través de ellas datos, videos y cualquier tipo de información digital.

Las fibras ópticas tienen un núcleo central por donde se traslada la luz, rodeado de un revestimiento con un bajo índice de refracción lo que mantiene a la luz dentro del conducto.  Cuando las fibras están en un cable para su uso comercial, contienen otros elementos que le dan forma, rigidez y protección forrados en la parte exterior por una cubierta plástica semejante a la de los cables de metal.

Para generar luz con una alta capacidad de conmutación, se usan diodos LED especiales o láseres, ya que la velocidad de transmisión dependerá de esto.

Funcionamiento. Reflexión Interna Total.

Es un fenómeno óptico básico para entender el funcionamiento de la fibra óptica y que consiste en que una onda de luz es reflejada en una superficie que tiene un menor índice de refracción que el medio inicial, siempre y cuando la luz impacte dicho medio en un ángulo mayor que el ángulo crítico del material.

Para darnos una idea de cómo funciona este fenómeno, pensemos en un ejemplo común. Si nos sumergimos en el agua de una piscina o en el mar tranquilo y abrimos los ojos, podremos ver cómo la superficie del agua es como un espejo ya que las ondas de luz son reflejadas. Si nos sumergimos más, disminuyendo nuestro ángulo respecto a la superficie, el efecto desaparece.

Existen dos clases de fibras ópticas: las multimodo y las monomodo.

Refracción

Es el cambio de dirección y velocidad de una onda electromagnética (en este caso luz) al pasar de un media a otro. Por ejemplo, si metemos un lápiz en medio vaso de agua, podemos percibir un cambio de dirección de la imagen.

Reflexión

Es el fenómeno óptico por el cual un rayo de luz al entrar en contacto con un medio diferente es regresado al medio original. Por ejemplo, un espejo es un material reflejante de la luz.

¿Porqué usar fibra óptica?

Ventajas. Existen varias razones por las que este medio se volvió el más usado para telecomunicaciones. Entre las más importantes se encuentran:

1. Permite anchos de banda o velocidades de datos mucho más grandes que la de los cables tradicionales.

2. Logran distancias mayores con menor atenuación en la señal que el cobre, lo que se traduce en menos repetidores en distancias largas.

3. No son sensibles a la interferencia electromagnética contrastando con los cables de metal que sufren muchos problemas por este inconveniente.

Entre sus ventajas está que no es sensible a la interferencia electromagnética.

4. Son menos susceptibles a robos ya que el alto precio del cobre ocasiona que estos cables sean buscados para hurtar y vender.

5. No transmiten electricidad por lo que son más seguros y no son vulnerables a cortos circuitos, fugas de corriente, etc.

6. Son más seguros, ya que los cables de cobre pueden ser interceptados casi imperceptiblemente mientras que la fibra no.

7. Es mucho más ligera que los cables metálicos lo que reduce los costos de transporte e infraestructura.

8. La fibra óptica es menos vulnerable a los cambios de temperatura que alteran el rendimiento de los cables tradicionales.

Desventajas. Pese a todas las aportaciones mencionadas anteriormente, la fibra óptica tiene ciertas características adversas.

1. Es muy frágil, puede sufrir daños fácilmente si no se cuida y trata con las debidas precauciones.

2. El empalme de la fibra óptica tanto en el momento de despliegue como en caso de reparaciones es más complicado.

3. Los codificadores y decodificadores que transmiten y reciben la información son más costosos y sofisticados, además de ser exclusivamente digitales ya que no es factible la transmisión de información análoga en una fibra lo que requiere de conversiones de señal previa y posteriormente a su transmisión a través de la fibra.

4. Al no poder transmitir electricidad, se requieren cables eléctricos paralelos para alimentar los repetidores de señal intermedios.

Tipos de fibras

Existen dos clases de fibras ópticas de acuerdo a la cantidad de trayectorias de propagación que tienen, las multimodo tienen varios caminos para la circulación de la luz y las monomodo solamente uno.

Las fibras multimodo permiten el transporte de varias señales al mismo tiempo que pueden ser diferenciadas cambiando su longitud de onda mediante un dispositivo de Multiplexado por División de Longitudes de Onda. Esto es, el dispositivo recibe varias señales y antes de transmitirlas por la fibra óptica les asigna una longitud de onda diferente a cada una para que el Demultiplexor las detecte de la misma forma y las entregue como señales independientes.

Partes de un Cable de Fibra Óptica Monomodo.

1. Núcleo.

Es una fibra única que va en el centro del cable.

2. Revestimiento refractor.

Es un revestimiento con menor índice de refracción que mantiene la luz en el núcleo.

3. Buffer de Pérdidas.

Es un segundo recubrimiento alrededor de la fibras que evita la fuga de luz.

4. Vaina.

Es el recubrimiento plástico que está en el exterior.

Partes de un Cable de Fibra Óptica Multimodo.

1. Elemento central.

No se encuentra presente en todas las fibras pero su función es dar soporte y una estructura para mantener a su alrededor a todas las fibras del cable. Este elemento es de un material dieléctrico, o sea, no transmite la electricidad para evitar susceptibilidad con ondas electromagnéticas.

2. Fibras.

Alrededor del elemento central se distribuyen las fibras que transmiten la luz.

3. Buffer de Pérdidas.

Es un primer recubrimiento alrededor de todas las fibras que evita la fuga de luz.

4. Cinta de Mylar.

Es otra capa alrededor que sirve como aislante.

5. Hilos de Kevlar.

Blindan de daño físico a la fibra, además de protegerla de los cambios de temperatura.

6. Vaina.

Es el recubrimiento plástico que nosotros vemos y que es semejante al de los cables tradicionales.

Historia de la Fibra Óptica.

Antiguas civilizaciones como los griegos y los egipcios usaron espejos para transmitir información rudimentaria reflejando la luz del Sol. Sin embargo, el confinamiento de la luz en un conducto mediante diferencias en el índice de refracción de un revestimiento fue muy posterior.

1840. El físico suizo Jean-Daniel Colladon y el francés Jaques Babinet demostraron por primera vez la conducción de luz en un medio conservando la luz en él mediante la refracción.

1870. El físico irlandés John Tyndall descubrió que la luz podía viajar por el agua pero sufría una curvatura por la refracción.

1930. El germano-estadounidense Heinrich Lamm demostró el uso de la fibra en la transmisión de imágenes usando un grupo de fibras para exámenes médicos.

1953. El científico Holandés Bram van Heel presentó la transmisión de imágenes a través de fibras ópticas con revestimiento transparente.

1953. El británico Harold Hopkins y el Hindú Narinder Singh Kapany en el Imperial College de la Universidad de Londres, lograron la transmisión de imágenes en grupos de 10,000 fibras alcanzando una corta distancia. Por esto Narinder Singh Kapany es considerado el padre la fibra óptica.

1956. Se patenta el primer endoscopio usando esta tecnología.

1965. El físico Alemán Manfred Börner creó el primer sistema de transmisión de datos con una fibra óptica funcional.

1965. Charles Kao y George Hockham de la compañía telefónica Británica, propusieron que la fibra tenía mucho menos atenuación que el cable tradicional, iniciando así su uso en comunicaciones.

1970. Investigadores de la industria del vidrio logran mejorar la eficiencia de la fibra.

1977. Un centro de investigación italiano desplegó en Torino el primer cable de fibra óptica práctico.

1981. General Electric aumentó la distancia y redujo la atenuación mejorando la eficiencia de las fibras.

1983. El ingeniero Ganés Tomas Mensah abarató el proceso de producción de la fibra óptica, lo que finalmente detonó su uso en las telecomunicaciones.

1986. Bell labs mejora la eficiencia de los cables y reduce su costo .

2009. Charles Kao gana el premio Nobel de física por sus descubrimientos y desarrollos de telecomunicaciones por fibra óptica.

Otros usos de la fibra óptica.

1. Iluminación. 

Permite llevar luz a lugares inaccesibles, pero adicionalmente, esto lo hace sin calor ni electricidad, lo cual es muy útil; por ejemplo, en aplicaciones de microcirugía y médicas. Otro uso común en iluminación, es el cambio de color de la luz emitida sin necesidad de usar lámparas diferentes.

La fibra óptica es usada en aparatos empleados en endoscopía y microcirugía.

2. Sensores.

Se usa en sensores remotos que pueden detectar una señal en un lugar diferente al sensor para medir presión, temperatura y otros parámetros.

3. Láseres de fibra.

La fibra es tratada con elementos raros que le permiten amplificar su potencia. Usado para aplicaciones que requieren alta energía de salida.

4. Fibroscopios.

Permite introducir la fibra en lugares pequeños o de difícil acceso para observar remotamente, principalmente en el cuerpo humano.

En la industria médica, la fibra óptica es usada en aparatos usados en endoscopía, microcirugía, microscopios y cirugía no invasiva.

Infografía Fibra Óptica

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