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PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

Características de la fibra óptica

Un sistema de transmisión óptico tiene tres componentes: la fuente de luz, el medio de transmisión y el detector. Convencionalmente, un pulso de luz indica un bit 1 y la ausencia de luz indica un bit 0. El medio de transmisión es una fibra de vidrio ultradelgada. El detector genera un pulso eléctrico cuando la luz incide en él. Al agregar una fuente de luz en un extremo de una fibra óptica y un detector en el otro, se tiene un sistema de transmisión de datos unidireccional que acepta una señal eléctrica, la convierte y transmite mediante pulsos de luz y, luego, reconvierte la salida a una señal eléctrica en el extremo receptor.

Este sistema de transmisión tendría fugas de luz y sería inútil en la práctica excepto por un principio interesante de la física. Cuando un rayo de luz pasa por un medio a otro (por ejemplo, de sílice fundida al aire), el rayo se refracta (se dobla) en la frontera de la sílice y el aire, como se muestra en la figura 1(a). En ella vemos un rayo de luz que incide en la frontera con un ángulo α1 y que emerge con un ángulo β1. El grado de refracción depende de las propiedades de los dos medios (en particular sus índices de refracción). Para ángulos con incidencias mayores de ciertos valores críticos, la luz se refracta nuevamente a la sílice; ninguna parte de él escapa al aire. Por lo tanto, un rayo de luz que incide en un ángulo mayor o igual que el crítico queda atrapado dentro de la fibra, como se muestra en la figura 1(b), y se puede propagar por varios kilómetros prácticamente sin pérdida.

Figura 1. (a) Tres ejemplos de un rayo de luz procedente del interior de una fibra de sílice que

incide sobre la frontera de la sílice y el aire con diferentes ángulos. (b) Luz atrapada por reflexión

interna total.

Se dice que cada rayo tiene un modo diferente, por lo que una fibra que tiene esta propiedad se denomina fibra multimodo.

Por otro lado, si el diámetro de la fibra se reduce a unas cuantas longitudes de onda de luz, la fibra actúa como una guía de ondas y la luz se puede propagar sólo en línea recta, sin rebotar, lo cual da como resultado una fibra monomodo.

Las fibras monomodo son más caras, pero se pueden utilizar en distancias más grandes. Las fibras monomodo disponibles en la actualidad pueden transmitir datos a 50 Gbps a una distancia de 100 km sin amplificación.

Transmisión de la luz a través de fibra óptica

Las fibras ópticas se hacen de vidrio, que a su vez se fabrica con arena, una materia debajo costo disponible en cantidades ilimitadas. El vidrio utilizado para fabricar fibras ópticas modernas es tan transparente que si el océano estuviera lleno de éste en lugar de agua, el fondo del mar sería tan visible desde la superficie como lo es el suelo desde un avión en un día claro.

La atenuación de la luz dentro del vidrio depende de la longitud de onda de la luz (así como de algunas propiedades físicas del vidrio). En la figura c se muestra la atenuación para la clase de vidrio que se usa en las fibras, en decibeles por kilómetro lineal de fibra. La atenuación en decibeles está dada por la fórmula:

Atenuación en decibeles= 10 log_10⁡〖(potencia transmitida)/(potencia recibida)〗

Figura (c). Atenuación de la luz dentro de una fibra en la región de infrarrojo.

Para las comunicaciones se utilizan tres bandas de longitud de onda, las cuales se centran en 0.85, 1.30 y 1.55 micras, respectivamente. Las últimas dos tienen buenas propiedades de atenuación (una pérdida de menos de 5% por kilómetro). La banda de 0.85 micras tiene una atenuación más alta, pero a esa longitud de onda, los láseres y los componentes electrónicos se pueden fabricar con el mismo material (arseniuro de galio). Las tres bandas tienen una anchura de entre 25,000 y 30,000 GHz.

La longitud de los pulsos de luz transmitidos por una fibra aumenta conforme se propagan. Este fenómeno se llama dispersión cromática.

La magnitud de ésta depende de la longitud de onda. Una forma de evitar que se encimen estos pulsos dispersos es incrementar la distancia entre ellos, pero esto solamente se puede hacer reduciendo la tasa de transmisión. Por fortuna, se ha descubierto que al dar a los pulsos cierta forma especial relacionada con el recíproco del coseno hiperbólico, casi todos los efectos de la dispersión se disipan y puede ser posible enviar pulsos a miles de kilómetros sin una distorsión apreciable de la forma. Estos pulsos se llaman solitones.

Cables de fibra

Los cables de fibra óptica son similares a los coaxiales, excepto por el trenzado. La figura 2(a) muestra una fibra individual vista de lado. Al centro se encuentra el núcleo de vidrio, a través del cual se propaga la luz. En las fibras multimodo el diámetro es de 50 micras, aproximadamente el grosor de un cabello humano. En las fibras monomodo el núcleo es de 8 a 10 micras.

El núcleo está rodeado por un revestimiento de vidrio con un índice de refracción menor que el del núcleo, con el fin de mantener toda la luz en este último. A continuación está una cubierta plástica delgada para proteger al revestimiento. Las fibras por lo general se agrupan en haces, protegidas por una funda exterior. La figura 2(b) muestra una funda con tres fibras. Las cubiertas de fibras terrestres por lo general se colocan en el suelo a un metro de la superficie, donde a veces pueden sufrir daños ocasionados por retroexcavadoras o tuzas. Cerca de la costa, las cubiertas de fibras transoceánicas se entierran en zanjas mediante una especie de arado marino. En las aguas profundas,

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