La creación de la
fibra óptica ha permitido grandes adelantos en el campo de las comunicaciones. Tan sólo en México, el par de hilos propiedad de
CFE tiene la capacidad para permitir 50 millones de llamadas simultáneas. Pero su invención no ha sido fácil, es el trabajo de muchos investigadores y la realización de ideas visionarias.
La fibra óptica es utilizada para la transmisión de imágenes e información, y precisamente porque es la base de la nueva
tecnología de la
comunicación, influye en nuestra vida cotidiana.
La fibra óptica es un filamento cilíndrico transparente, fabricado en
vidrio, que posee la propiedad de propagar las ondas electromagnéticas colocadas en el espectro visible.
La comunicación entre dispositivos electrónicos se realiza a través de
ondas electromagnéticas.
Cuanto mayor es la frecuencia de la onda, mayor es la cantidad de información que puede ser transmitida. Dado que la
luz es también una onda electromagnética, cuya frecuencia es muy elevada, el flujo de información que transporta es, consecuentemente, muy superior al que se obtendría utilizando otros tipos de ondas.
Las fibras ópticas están formadas por dos elementos: un
núcleo cilíndrico y una
funda envolvente, denominada
vaina. Ambos componentes se fabrican en vidrio, aunque siguiendo procesos distintos, puesto que es necesario que el índice de refracción difiera en uno y otro. El núcleo está formado por el vidrio más puro. Por éste viaja la luz. El revestimiento impide su propagación al interior del cable dirigiéndola sin distorsiones incluso en curvas. De este modo, la velocidad a la que viajan las ondas es distinta en el núcleo y en la vaina. La mezcla del vidrio con materiales impuros determina las variaciones en el índice de refracción, éste consiste en que cuando un haz de luz que se propaga por un medio ingresa a otro distinto, una parte del haz se refleja mientras que la otra sufre una refracción, es decir un cambio de dirección del haz. Para esto se utiliza el llamado índice de refracción del material, que nos servirá para calcular la diferencia entre el ángulo de incidencia y el de refracción del haz (antes y después de ingresar al nuevo material). El índice de refracción del material con el que está fabricada caracteriza a la fibra.
El
diámetro de una fibra óptica oscila entre los 10 y los 100 micrómetros (un micrómetro equivale a la millonésima parte de un metro); la unión de fibras ópticas determina la formación de
haces que pueden ser
rígidos o
flexibles, y transmitir tanto la luz como imágenes o informaciones, dependiendo de las aplicaciones. Han sido mejoradas para llevar varias longitudes de onda de la luz en la misma fibra, lo que incrementa enormemente su capacidad de comunicación.
Ventajas
- Las principales ventajas de este conductor son su reducido grosor y la gran efectividad que demuestra en la transmisión de datos.
- No sufre alteraciones electromagnéticas (contrariamente a lo que les sucede a los cables convencionales de cobre).
- Pueden incluirse en un cable contenedor muchísimas fibras ópticas sin pérdidas en la transmisión aunque la conexión esté separada por decenas de kilómetros.
- Como el medio para transmitir los datos es la luz, permite una mayor velocidad en la transmisión a larga distancia.
- Hay de diferentes grosores, desde el equivalente a un cabello humano hasta unas 10 veces más delgado.
Aplicaciones
- En medicina, hizo posible la invención del endoscopio, que permite iluminar, en cirugías, zonas pequeñas en el interior del cuerpo humano.
- En la industria y la mecánica brindó las mismas posibilidades de iluminación que en la medicina: facilitó la llegada a lugares difíciles como turbinas o artefactos con zonas oscuras.
- En las telecomunicaciones aumentó las velocidades y la calidad de llamadas telefónicas, internet y otras formas de conexiones. Une continentes con cables transoceánicos.
- Aparecen fibras ópticas en diferentes objetos de decoración, como árboles de navidad.
- En algunas edificaciones se diseñan originales alternativas de iluminación, lo que permite un bajo consumo de energía.
- Los cables de fibra óptica también se utilizan como sensores en la medición de temperatura, presión, tensión y también en sismos.
En 1964
Stewart Miller, de los
Laboratorios Bell, dedujo maneras detalladas de demostrar el potencial del cristal como medio eficaz de transmisión a larga distancia. Aunque en la industria y en la medicina ya se utilizaban filamentos delgados como el pelo para transportar luz a distancias cortas y a lugares que de otra forma serían inaccesibles, la luz perdía normalmente hasta el 99% de su intensidad al atravesar distancias tan cortas como 9 m.
En 1966,
Charles Kao y
George Hockham, de los
Laboratorios de Standard Telecommunications en Inglaterra, afirmaron que se podía disponer de fibras de transparencia mucho mayor. En un artículo demostraron que las grandes pérdidas características de las fibras existentes se debían a impurezas diminutas presentes en el cristal, principalmente agua y metales, en lugar de las limitaciones propias del cristal. Pronosticaron que la pérdida de la luz en las fibras podría disminuir enormemente de 1000 decibelios a menos de 20 decibelios por kilómetro. Con esta mejora, se podrían colocar amplificadores para aumentar la señal luminosa a intervalos de kilómetros, en lugar de metros, a distancias comparables a las de los repetidores que amplificaban las señales débiles en las líneas telefónicas convencionales.
El artículo estimuló a una serie de investigadores para producir fibras de baja pérdida. El gran avance se produjo en 1970 en
Corning Glass Works, cuando
Donald Keck,
Peter Schultz y
Robert Maurer lograron fabricar con éxito una fibra óptica de cientos de metros de largo con la claridad cristalina que Kao y Hockham habían propuesto. Poco después,
Panish y
Hayashi, de los Laboratorios Bell, mostraron un láser de semiconductores que podía funcionar continuamente a temperatura ambiente, y
John MacChesney y sus colaboradores, también de los Laboratorios Bell, desarrollaron independientemente métodos de preparación de fibras.
La primera prueba se realizó en
AT&T en Atlanta en 1976. Los equipos de trabajo instalaron dos cables de fibra óptica, cada uno de los cuales medía 630 metros de largo y contenía 144 fibras, tirando de ellos a través de conductos subterráneos estándar, se requería que los cables pudieran sortear curvas cerradas. Para alivio de todos, no se rompió ninguna fibra durante la instalación, ni las curvas cerradas degradaron su rendimiento. El servicio comercial comenzó al año siguiente en Chicago, donde un sistema de fibra óptica transportaba voz, datos y señales de vídeo a través de 2.4 km de cables subterráneos que conectaban dos oficinas de conmutación de la compañía telefónica de Illinois,
Bell Telephone Company.
Estas actividades marcaron un punto decisivo, pues gracias a ellas se contaba con los medios para llevar las comunicaciones de fibra óptica fuera de los laboratorios de física al campo de la ingeniería habitual. Durante la siguiente década, a medida que continuaban las investigaciones, las fibras ópticas mejoraron constantemente su transparencia.
En 1980 las mejores fibras eran tan
transparentes que una señal podía atravesar 240 km de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable. Si los mares del mundo fuesen tan transparentes, se podría navegar por las zonas más profundas del Pacífico y observar el fondo del océano tan fácilmente como el fondo de una piscina.
Una cuestión importante en el desarrollo de la fibra ha sido el perfeccionamiento de sus métodos de fabricación, por ejemplo, el
cristal de sílice puro, sin ninguna impureza de metal que absorbiese luz, se fabricaba directamente a partir de componentes de vapor, con lo que se evitaba la contaminación resultante del uso convencional de los crisoles de fundición.
No obstante, un sistema de comunicaciones de nivel comercial necesitaba algo más que una buena fibra. Los
láseres todavía no eran muy fiables y fallaban tras unas cuantas horas de funcionamiento. Además, aún no existía ninguna forma económica de producir láseres fiables en las cantidades requeridas.
Una vez más, era necesario recurrir al trabajo del laboratorio de investigación. Dos investigadores de los Laboratorios Bell,
J.R. Arthur y
A.Y. Cho, idearon un método diferente de desarrollo de cristales, llamado
epitaxia de rayo molecular o
MBE (del inglés
Molecular-Beam Epitaxy).
Epitaxia es el desarrollo de cristales de un mineral sobre la superficie de los cristales de otro mineral y el método
MBE era tan preciso que permitía colocar una capa de material semiconductor de espesor medido en átomos. Al reducir los electrones y la luz que emitían, esta capa extremadamente fina demostró su gran eficacia para generar la actividad del láser a la vez que se utilizaba menos corriente eléctrica y, mejor aún, los nuevos dispositivos de MBE consiguieron tener una vida útil de 1 000 000 de horas.
En los primeros sistemas de fibra óptica, los
amplificadores para regenerar señales débiles constituían un cuello de botella. Pero en 1985, en la
Universidad de Southampton en Inglaterra, un físico llamado
S.B. Poole descubrió una solución. Añadiendo una cantidad pequeña del elemento
erbio al cristal utilizado en las fibras ópticas se podía construir un amplificador completamente óptico.
En 1988 se tendió el
primer cable submarino entre Estados Unidos y Europa.
En 1991, los investigadores de los Laboratorios Bell demostraron que un sistema completamente óptico tendría una capacidad de transporte aproximadamente cien veces superior a la que se podía lograr con amplificadores electrónicos. Los primeros cables totalmente ópticos comenzaron a funcionar en 1996 a través del Atlántico y en el Pacífico.
El premio Nóbel de Física 2009 fue otorgado al físico chino
Charles Kao. "Nadie en su sano juicio pensó que se podría enviar una señal a través del cristal", dijo el historiador
Robert Colburn, que entrevistó a Kao para el IEEE en 2004. "Kao desafió el saber convencional de la época prediciendo que se podría hacer el cristal lo suficientemente puro. La gente decía: 'No se puede ver a través de un vidrio de un pie de espesor, mucho menos en uno de mil kilómetros de largo.'"
A pesar de todo, Kao perseveró en su teoría, y cuatro años más tarde, estas fibras se producían por
Corning, en el estado de Nueva York. Hoy en día las fibras ópticas transmiten datos a velocidades asombrosas.
Bell Labs rompió el récord de transmisión vía fibra óptica, enviando el equivalente de 400 DVD por segundo a 7000 kilómetros, superando a los cables submarinos comerciales por un factor de 10. Sin la tecnología desarrollada por Kao no existiría
internet ni las comunicaciones telefónicas en la magnitud y a los precios que las tenemos en la actualidad.
En México hubo una licitación por la concesión del par de hilos de fibra óptica oscura propiedad de
CFE, el cual tiene capacidad suficiente para absorber la demanda de servicios de telecomunicaciones del país por los próximos diez años.
De acuerdo con el director de estudios en regulación del
ITAM,
Ramiro Tovar Landa, el par de hilos de fibra oscura es suficiente para transmitir 800 megabits por segundo (Mbps). Esa capacidad es equivalente a cursar 50 millones de llamadas telefónicas simultáneas o soportar 400 000 enlaces dedicados, que permiten sostener conexiones permanentes a internet.
En la actualidad se han colocado más de 1000 millones de kilómetros de fibra óptica en todo el mundo, lo que, si se los uniera, equivaldría a dar 25 000 vueltas al mundo. Las fibras ópticas de vidrio cargan con casi la totalidad del tránsito de comunicaciones telefónicas y de datos en el mundo.
Indiscutiblemente, el progreso ha sido notable y rápido. Sin embargo, se vislumbran avances aún más impresionantes en el horizonte. Aunque los sistemas de fibra óptica actuales funcionan como líneas troncales, transportando un gran número de canales de voz y datos entre centrales telefónicas, los especialistas de la industria hablan con pesar de la "
última milla": desde la centralita hasta los hogares. El sistema telefónico actual atraviesa esta última milla con equipos de hilo de cobre convencionales, que proporcionan buenas conexiones de voz, pero todavía no están capacitados para transportar grandes cantidades de datos a gran velocidad.
Acerca de fibra óptica experimental, varias que contienen
cristales fotónicos y otras estructuras inusuales prometen enviar aún más datos a través de internet. Los cristales fotónicos, por ejemplo, redirigen la luz mucho más rápido que las fibras ópticas, haciendo posible la utilización de cristales para la orientación de la luz dentro de los
microchips (
fotónicos), lo que aumentaría la capacidad de cómputo de los mismos.
