TECNOLOGÍA: LA FIBRA ÓPTICA, QUÉ ES Y CÓMO FUNCIONA.

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INTRODUCCIÓN

Desde los comienzos de la Revolución Industrial se produjeron una serie de transformaciones tecnológicas, sociales y económicas, que no han tenido parangón en toda la historia de la humanidad. Ésta se ha desarrollado de una forma más o menos definida a lo largo del tiempo, en periodos nombrados de acuerdo con sus estados evolutivos. Así, la Historia Universal, desde el Neolítico hasta la Edad Moderna, ha ido cubriendo las distintas edades del hombre a un ritmo que, como mínimo, se enumeran en cientos de años. Sin embargo, nuestra edad Contemporánea es como una anomalía en la cuantificación de esos periodos, pues en menos de cien años el ser humano ha desarrollado tecnologías que, en comparación con todas las invenciones que le preceden, constituyen un salto superlativo y, visto desde la perspectiva intelectual, incluso emocionante.

El descubrimiento de las ondas electromagnéticas, y basándose en ellas la posterior invención de la radio; más tarde la aparición del transistor, que revolucionó la electrónica y permitió reducir el tamaño de los dispositivos; la llegada al espacio gracias al desarrollo de estas tecnologías; el despegue de la informática, las telecomunicaciones y la aparición de Internet… Todo ello ha convertido de facto este periodo de invenciones en una nueva edad tecnológica del hombre.

Y es aquí, en pleno siglo XXI, con el apogeo de la Red de redes, donde algunas tecnologías, como la fibra óptica, no sólo ha colaborado en potenciarla y convertirla en un medio por excelencia para la comunicación de masas, sino que sigue en constante evolución. Si tuviéramos que decidirnos por un factor causante del elevado desarrollo en las comunicaciones de las últimas décadas, ese sería sin duda la fibra óptica. Su campo de aplicación no se ciñe sólo a las comunicaciones telemáticas, sirve además a otras variadas tecnologías y disciplinas que más adelante abordaremos.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS

Primeras comunicaciones ópticas

Las señales luminosas han sido utilizadas desde la antigüedad en las comunicaciones pero sólo de manera visual, pues los comunicadores podían observar que la luz viajaba en línea recta en el espacio libre, pero no alcanzaban a obtener un control sobre ella, ni confinándola en algún espacio cerrado ni mucho menos salvando una curvatura.

El primer estudio de la luz para su aplicación en las comunicaciones tuvo sus primeros pasos en el siglo XVIII. En 1790 el inventor francés Claude Chappe construyó un sistema óptico utilizando una red de telescopios y torres, mediante el cual podía establecer un enlace telegráfico que pudo ser probado con éxito entre Lille y París, a lo largo de 220 km, utilizando 22 torres de telegrafía óptica. Enseguida fue adoptado por el gobierno francés, y más tarde por variados países europeos. No obstante, aún siendo el primer sistema “óptico” efectivo de comunicación sin más medio físico que el aire, necesitaba de operadores que interpretaran los signos que se mostraban entre las torres.

Telégrafo óptico de Chappe. Imagen Wikimedia Commons.

Las últimas décadas del siglo XIX fueron muy fructíferas en invenciones de comunicación. El teléfono eléctrico, por ejemplo, que Alexander Graham Bell patentó en 1876, comenzaba una andadura en la que pocos podían sospechar el prometedor futuro que le esperaba. Y como si Graham Bell pudiera imaginar que la luz llegaría a tomar un día el relevo del cable de cobre, investigó también con un teléfono empleando un rayo de luz como medio, al que llamó fotófono, aunque el sistema sólo podía enviar mensajes vocales a muy corta distancia, fundamentalmente porque en aquellas fechas todavía no se habían descubierto fuentes adecuadas de luz, ni tampoco métodos de amplificar las señales moduladas para su envío a distancias más largas sin sufrir atenuación.

Primeros experimentos de guiado de la luz

Es evidente, que un sistema de comunicación por luz tiene pocas oportunidades de prosperar si no es posible guiar la señal luminosa en dirección hacia el objetivo que nos interesa. Aunque los efectos de reflexión y refracción de la luz se conocen desde el siglo IV a.C., no había entonces un conocimiento científico de esos fenómenos. En esos experimentos se embarcaron entre 1841 y 1870 los físicos británicos Daniel Colladon y John Tyndall (éste fuera colaborador del homólogo y renombrado Michael Faraday). Colladon fue el primero en describir “la fuente de luz”, y reivindicó la paternidad del descubrimiento del efecto de reflexión total de la luz, pero es a Tyndall a quien se le reconoce, de hecho ha quedado acuñado como el “efecto Tyndall”. Este físico estudió cómo transmitir información a través de la luz confinando ésta en un medio; pudo experimentar cómo las señales luminosas eran capaces de viajar en un chorro de agua que discurría dentro de un cilindro transparente, aunque obviamente a distancias muy limitadas. Este efecto sentaría las bases de la futura fibra óptica.

Experimento de Colladon. Él fue el primero en describir “la fuente de luz”. Imagen Wikimedia Commons

Pero, debió transcurrir más de medio siglo hasta que otro científico de origen indio nacionalizado estadounidense, Narinder Singh Kapany, se apoyase en los estudios de Tyndall inventando en 1952 la fibra óptica, de hecho es considerado en la actualidad el “padre de la fibra óptica”. Aunque, en aquellos primeros años las funciones y tecnología de esa incipiente fibra con capacidad de transmitir información, eran muy distintas de lo que conocemos en la actualidad. Esta invención se aplicó en sus inicios en la medicina, para la transmisión de imágenes mediante un endoscopio.

El láser y la fibra de vidrio, la perfecta simbiosis

La década de 1960 constituiría un punto de inflexión en las posibilidades de comunicación mediante fibras ópticas. La invención del láser en esta época llevó a una profunda investigación de los dos elementos que terminarían formando una simbiosis e interdependencia: el láser y las fibras de vidrio conductoras de la luz. Esos estudios culminarían en un artículo de dos ingenieros, el británico George Alfred Hockham y el chino Charles Kuen Kao, que supondría un antes y un después de las comunicaciones por fibra óptica, al establecer la aplicación de la fibra de vidrio revestida como medio de transmisión de la luz. Los autores del artículo investigaron las pérdidas en el material y la forma de reducirlas, obteniendo éxito y conduciendo sus investigaciones a soluciones viables que permitirían, en un futuro no muy lejano, comenzar a diseñar y producir sistemas innovadores pero eficaces de comunicación por fibra óptica.

Láseres emitiendo en diferentes longitudes de onda. Imagen Wikimedia Commons.

A partir de 1977 el proyecto de convertir la fibra óptica en un medio transmisor efectivo fue un hecho. En esas fechas se realizaron en Inglaterra una serie de pruebas con tal éxito, que sólo dos años después la demanda y producción de este material ascendió vertiginosamente. Se abría un campo de la tecnología con un horizonte muy prometedor.

CÓMO FUNCIONA LA FIBRA ÓPTICA

Conceptos básicos: reflexión y refracción de la luz

La luz se mueve a una velocidad de 299.708 kilómetros por segundo, siempre y cuando ese movimiento se realice en el vacío. Pero, si la propagación de la luz sucede a través de otro medio físico, entonces esa velocidad se reduce. Ello es debido a los fenómenos de reflexión y refracción. La reflexión provoca que la onda de luz rebote en el medio, se desvíe y regrese a la fuente que la provocó, por ejemplo al reflejarse en un cristal, en la superficie del agua o en otra superficie muy brillante.

Por su parte, la refracción se produce por un cambio de velocidad de la propagación de la onda de luz; ocurre cuando pasa de un medio a otro que tiene distinto índice de refracción. Este fenómeno es el causante, por ejemplo, que al introducir una cuchara en el agua parezca doblada o torcida, pues la dirección de donde procede la luz en la parte que está fuera del agua es distinta de la procedente en la parte sumergida. El mismo fenómeno sucede si la onda de luz atraviesa capas de aire que se hallan a temperaturas distintas; un buen ejemplo de esto son los espejismos que se observan en el horizonte de los desiertos, o el horizonte de la superficie de una calzada asfaltada en un verano muy caldeado. El ángulo de refracción puede ser calculado aplicando la fórmula de la ley de Snell, y su aplicación es importante ya que permite guiar la luz de forma controlada. Estos fenómenos son aplicables a cualquier tipo de onda, no sólo las electromagnéticas, por ejemplo el sonido.

Composición y fundamentos de la fibra óptica

Los circuitos de fibra óptica están compuestos por filamentos de vidrio muy finos, del espesor de un pelo. Esos cristales pueden ser naturales o sintéticos, pero su función es la misma, la de transferir la luz de un extremo al otro del conductor óptico sin importar las curvas o esquinas que haya en su recorrido, y con la mínima atenuación posible.

Detalle de un mazo de conductores de fibra óptica. Imagen Wikimedia Commons.

Cada filamento de la fibra está compuesto por un núcleo central con un alto índice de refracción, y rodeado de otra capa similar pero que tiene un índice de refracción ligeramente menor, la cual actúa como si se tratara de una jaula que encierra el haz de luz e impide que pueda escapar hacia el exterior. El haz de luz se transmite a través del núcleo pero no lo atraviesa, sino que se refleja constantemente y sigue propagándose a través del material. Para que esto sea posible, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el índice de refracción del revestimiento. También influyen los conceptos de “ángulo de incidencia” y “ángulo límite”; el primero también debe ser mayor.

Las fibras ópticas se pueden utilizar de forma análoga a los conductores de cobre convencionales. El concepto de la transmisión de las señales en uno u otro es básicamente el mismo: enviar y recibir una señal digital o analógica utilizando un material físico como medio. Lo que cambia aquí es la forma en que se transmite la información; en un caso se realiza mediante el envío de una señal eléctrica (corriente de electrones), y en el otro caso mediante una señal de luz (corriente de fotones).

Características de los conductores de fibra óptica

Los conductores de fibra óptica presentan unas ventajas sobresalientes en comparación con los conductores de cobre. Éste está sujeto a posibles interferencias electromagnéticas, además de manifestar una importante limitación en cuanto al ancho de banda, es decir, a la capacidad de transmitir el máximo número de canales de información a través de un solo conductor. La luz, debido a su altísima frecuencia, es inmune a las interferencias, y al mismo tiempo presenta un ancho de banda tan notable que a través de una sola fibra se puede enviar un elevado número de canales de forma simultánea. En una fibra óptica la reflexión de la luz es total, viajando por el núcleo del conductor reflejándose miles de veces sin pérdidas. Esto permite transmitir la señal a largas distancias con muchas menos fases de amplificación.

Representación de dos rayos de luz propagándose dentro de una fibra óptica. El haz de luz “a” es el que presenta el fenómeno de reflexión total. Ilustración Wikimedia Commons.

Otras ventajas de la fibra con respecto al cobre
  • Los conductores de fibra son muy flexibles debido a su diminuto diámetro, lo que permite instalarlos salvando cualquier inconveniente estructural, como curvas o ángulos.
  • El transmisor y el receptor en cada extremo de una línea de fibra óptica están totalmente aislados de otras fuentes de energía, lo que permite operarlos con diferentes potenciales eléctricos. Por ejemplo, en una instalación de alta tensión, sería muy simple dotarla de un sistema de monitoreo por fibra óptica.
  • La temperatura tiene una influencia mínima en una fibra óptica, por lo que no se requiere ningún tipo de dispositivo de compensación de la misma.
  • La fiabilidad de la fibra óptica es muy alta. Presenta una tasa de error casi despreciable.

APLICACIONES DE LA FIBRA ÓPTICA

Comunicaciones electrónicas

Las comunicaciones electrónicas son, por excelencia, las destinatarias preferidas de la fibra óptica, principalmente por su gran ancho de banda, que les permite enlazar miles de canales por cada conductor. Actualmente hay millones de kilómetros de líneas de fibra óptica uniendo continentes y ciudades en el mundo, convirtiendo el planeta en una aldea global totalmente comunicada a través de un medio muy rápido y fiable.

Gabinete con interconexiones de fibra óptica. Imagen Wikimedia Commons.

La tecnología de los dispositivos para comunicaciones vía fibra ha recibido un impulso notable, así, en este sector se manejan una gran variedad de aparatos como amplificadores ópticos, circuladores, compensadores, aisladores, multiplexores, demultiplexores, fuentes de luz, controladores de polarización…

Otras aplicaciones

Pero, además de las comunicaciones la fibra óptica sirve a otras variadas aplicaciones no menos importantes, por ejemplo electromedicina o control industrial. Éste último es un campo donde el uso de la fibra está bien fundamentado, ya que debido a su inmunidad a las interferencias los dispositivos pueden trabajar con fiabilidad en lugares donde se genera gran cantidad de ruido.

En ambientes peligrosos, donde se manejan explosivos o productos inflamables, la fibra óptica tiene un especial interés para la seguridad, ya que los dispositivos de luz no pueden producir chispas ni descargas eléctricas.

Finalmente, citar el campo de los sensores. Actualmente, la fibra óptica se halla muy introducida en variados sectores tecnológicos y comerciales, en forma de dispositivos de medición y captación. Por ejemplo, se han desarrollado componentes que miden parámetros físicos como temperatura, presión o deformación mecánica de determinados materiales. Estos dispositivos tienen aplicación en medicina, medioambiente, sectores del gas y electricidad, tecnología aeroespacial, automoción, industria química, etc.

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