Luz y fibra óptica en un sistema de comunicación: tendencias actuales

La comunicación por fibra óptica es una técnica de transmisión de información enviando señales de luz a través de fibra óptica. Actualmente, gracias a sus grandes prestaciones, la fibra óptica es el medio de transporte de información utilizado por las grandes redes de comunicación. Básicamente un sistema de comunicación óptico está compuesto por el mensaje a transmitir, una fuente de luz, la fibra óptica, y un detector óptico, como se ilustra en la figura. En particular, en lo que respecta a los sistemas de comunicación, y, aunado a que cada vez se está generando y demandando mucha información por parte de los usuarios, los fabricantes de equipos de red indican que en 2015 serán 15 mil millones los dispositivos conectados a Internet. En ese sentido, los sistemas de comunicación ópticos se presentan como una solución tecnológica que permite satisfacer esta demanda.

Sistema básico de comunicación óptico y fibra óptica.

Sistema básico de comunicación óptico y fibra óptica.

Las señales ópticas o luminosas (por ejemplo, la luz del Sol) han sido utilizadas por el hombre desde la antigüedad como método de comunicación; por ejemplo, Claude Chappe, en el siglo XVIII, desarrolló en Francia un sistema llamado telégrafo óptico, el cual utilizaba brazos mecánicos articulados colocados en torres para facilitar su observación, y se considera uno de los primeros sistemas que usaron la luz para el intercambio de información. En 1870, John Tyndall demostró que la luz podía viajar dentro de un material y solucionar el problema de la curvatura de la línea de transmisión gracias a la reflexión interna en las “paredes” del material. Este experimento lo realizó utilizando agua como el medio en el cual se propagaba la luz. Posteriormente, hacia 1880, Alexander G. Bell construyó el “fotófono”, un dispositivo que enviaba mensajes vocales a corta distancia por medio de la luz solar; sin embargo, resultaba inviable por la falta de fuentes de luz adecuadas. Hasta entonces se había demostrado que la luz podía usarse para transmitir información, pero ésta viajaba por el espacio libre y no había manera de “controlarla”.

Tras estos primeros trabajos, si bien se empezaron a sentar las bases de las comunicaciones utilizando la luz, la tecnología de la época no permitía desarrollar fuentes luminosas “artificiales”. Fue en los años 60´s del siglo pasado que el desarrollo tecnológico permitió la invención y construcción del láser cuando se volvió a considerar la posibilidad de utilizar la luz como soporte de comunicaciones fiables y de alto potencial de información debido a su elevada frecuencia.

Una fuente óptica láser emite luz, la cual es una forma de energía electromagnética determinada por su longitud de onda. En ese sentido, el intervalo de luz que el ser humano puede ver se le conoce como el espectro visible y está limitado a colores que van desde el violeta al rojo. Cada color está determinado por su longitud de onda, en particular al color violeta le corresponde la longitud de onda de 400 nm y al color rojo 780 nm (un nanómetro equivale a la milmillonésima parte de un metro). Es precisamente el color rojo emitido por una fuente óptica “artificial” o láser el utilizado en los primeros sistemas de comunicaciones ópticos modernos en los años 80´s.

Posteriormente, nuevas tecnologías permitieron la creación de láseres emitiendo en longitudes de onda situadas en el rango del infrarrojo (luz no visible al ojo humano). Actualmente los sistemas de comunicación de fibra óptica operan a 1300 y 1550 nm debido a las ventajas que presentan al ser usados en conjunción con la fibra óptica.

Cuando escuchamos las palabras fibra óptica, nos viene a la mente un hilo delgado que permite el paso de luz, y que encuentra aplicaciones tales como distribución de señal de televisión de alta definición, telefonía de alta calidad, internet de alta velocidad, medicina (endoscopía, por ejemplo), e incluso en decoración. Gran parte de los fundamentos de funcionamiento de la fibra óptica proceden de estudios antiguos (concretamente de los siglos XVIII, XIX y principios del siglo XX). En ese sentido, la fibra óptica en su forma más simple, es un hilo delgado del diámetro de un cabello humano (en promedio el diámetro de un cabello es de 70 micras, donde 1 micra es la millonésima parte del metro), el cual está caracterizado por su índice de refracción, y que de acuerdo a lo demostrado por John Tyndall, siempre y cuando el índice de refracción del material sobre el cual se haga incidir la luz sea mayor al medio que lo rodea, la luz queda atrapada a su interior y deberá propagarse por medio de reflexiones totales internas.

Es Charles Kuen Kao, Premio Nobel de Física en 2009 por sus contribuciones a las comunicaciones ópticas, conocido como el “padre de las comunicaciones por fibra óptica”, que en su tesis doctoral en 1956 indica que la atenuación de una fibra óptica no debía ser superior a los 20 decibelios por kilómetro, si se quería que ésta fuese apta para usarse en transmisiones de datos. En un sistema de comunicación óptico se denomina atenuación de la señal a la pérdida de potencia sufrida por la misma al recorrer la fibra en proporción inversa a la longitud de tránsito. El gran reto era disminuir el valor de atenuación, y esto se logró mejorando los procesos de fabricación. Precisamente, Kao y Hockham desarrollaron un estudio teórico en el que caracterizaron los procesos de fabricación y depuraron las fibras fabricadas gracias a la detección de impurezas en los materiales utilizados.

La estructura básica de una fibra óptica (ver figura) está constituida por una región cilíndrica llamada núcleo (región por donde transitará la luz) y cuyo índice de refracción será mayor que el medio que lo rodea, un recubrimiento con índice de refracción ligeramente menor al núcleo, y una cubierta resistente de nylon, de tal manera que es posible manipular la fibra sin que se rompa, y por tanto, hacer viable su uso en una instalación.

Finalmente, en 1970 la compañía Corning Glass (empresa muy conocida hoy en día por el desarrollo de cristales flexibles y resistentes), obtuvo fibras ópticas con valores de atenuación de 0.5 dB/km, que, sumado al trabajo de los Laboratorios Bell en el desarrollo de láseres capaces de operar a temperatura ambiente, propició que el 22 de abril de 1977 General Telephone and Electronics realizara la primera transmisión telefónica a través de fibra óptica con una tasa de transmisión de 6 Mbps (6 millones de bits por segundo).

Actualmente, las fibras ópticas más utilizadas son las que usan óxido de silicio como material de núcleo, y, que de acuerdo a la longitud de onda de la fuente luminosa asociada (900, 1300 y 1550 nm) determina el mínimo valor de atenuación, clasificando su utilización en la primera, segunda y tercera ventana de comunicaciones ópticas. A todo esto se le puede agregar que el uso de las fibras como medio de transporte de información resulta atractivo gracias a su tamaño, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y costo.

En los sistemas de comunicación por fibra óptica se utilizan detectores de luz o fotodiodos en el extremo receptor, de tal manera que la señal óptica que llega al final de la fibra óptica pueda ser convertida a una señal eléctrica antes de que sea amplificada, filtrada, demodulada, etcétera. Después de esta última etapa, el mensaje que ha sido transmitido puede ser recuperado de la manera más eficiente.

El panorama y retos que se presentan en las redes de telecomunicaciones actuales residen en el hecho de poder entregar información de alta calidad, alta frecuencia y alta velocidad a los usuarios mediante el uso de fibra óptica. En ese sentido, se han empezado a generar redes de fibra donde la información llega directamente a la casa (FTTH, por sus siglas en inglés Fiber-To-The-Home), fibra que llega al edificio (FTTB, por sus siglas en inglés Fiber-To-The-Building) para su posterior distribución de información; y recientemente la más novedosa, ya que permite la combinación de fibra-antena (FTTA, por sus siglas en inglés Fiber-To-The-Antenna). Esta última tiene la gran ventaja de poder transportar la información mediante la fibra óptica y al final distribuir la información mediante el uso de antenas. La gran ventaja de este tipo de red es que permite distribuir información en lugares donde la topografía del terreno impide llegar mediante fibra óptica directamente, reduciendo por tanto costos de instalación, proporciona gran cobertura, y sobre todo que le genera una gran movilidad al usuario, como lo es la telefonía celular.

En resumen, estamos viviendo una etapa de transformación en el ámbito de las telecomunicaciones para los servicios actuales como son la telefonía, la televisión de alta definición, la transferencia de información a alta velocidad, y que está agotando los anchos de banda disponibles para tal fin, y es precisamente la tecnología de fibra óptica la que presenta las mejores prestaciones.

zaldivar@inaoep.mx