La fibra óptica

¿QUÉ ES LA FIBRA ÓPTICA?

¿QUÉ ES LA FIBRA ÓPTICA?

La fibra óptica es un hilo flexible y transparente hecho de vidrio o plástico con un diámetro similar al de un cabello humano.  Se usa con mayor frecuencia como un medio para transmitir luz entre sus dos extremos, se emplea ampliamente en comunicaciones ópticas, permitiendo así  la transmisión de información a largas distancias y anchos de banda mayores que los cables eléctricos.

La fibra se utiliza en lugar de cables de metal porque las señales viajan a lo largo de ellas con menos pérdida, además, son inmunes a la interferencia electromagnética, un problema del cual los alambres de metal sufren en exceso. También  para la iluminación e imagen, a menudo se envuelven en paquetes para que puedan ser utilizados para transportar la luz o imágenes de espacios confinados, como en el caso de un fibroscopio.  El término fibra óptica fue acuñado por el físico indio Narinder Singh Kapany, quien es ampliamente reconocido como el padre de la fibra óptica.

Las fibras ópticas típicamente incluyen un núcleo rodeado por un material de revestimiento transparente con un índice de refracción más bajo. La luz se mantiene en el núcleo por el fenómeno de reflexión interna total que hace que la fibra actúe como guía de ondas. Las que admiten muchas rutas de propagación o modos transversales se llaman fibras multimodo (MM por su término en inglés Multi Mode), mientras que las que admiten un único modo se denominan fibras monomodo (SM por su término en inglés Single Mode). Las fibras multimodo generalmente tienen un diámetro de núcleo más amplio y se usan para enlaces de comunicación de corta distancia. Las fibras monomodo se utilizan para la mayoría de enlaces de comunicación de más de 1,000 metros (3,300 pies).

La fusión de fibras ópticas (unión de dos fibras) con bajas pérdidas es importante en la comunicación óptica, dado que es más complejo que unir un cable o cable eléctrico e implica un corte cuidadoso de las fibras, una alineación precisa de los núcleos de fibra y el acoplamiento de estos núcleos alineados. Para aplicaciones que exigen una conexión permanente, es común un empalme por fusión, en esta técnica se usa un arco eléctrico para fundir los extremos de las fibras entre sí, otra técnica común es el empalme mecánico, donde los extremos de las fibras se mantienen en contacto por la fuerza mecánica. Las conexiones temporales o semipermanentes se realizan por medio de conectores de fibra óptica especializados.

La fibra óptica

Historia de la Fibra Ópica

La luz guiada por reflexión es el principio que hace posible la fibra óptica, fue demostrado por primera vez por Daniel Colladon y Jacques Babinet en París a principios de la década de 1840. John Tyndall incluyó una demostración de ello en sus conferencias públicas en Londres, 12 años después.

Un poco de historia…

A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, en la medicina, se utilizaban varillas de vidrio dobladas que guiaban la luz con el fin de iluminar las cavidades del cuerpo. Las aplicaciones prácticas como la iluminación interna cerrada, en la odontología, aparecieron a principios del siglo XX. Po otra parte, la transmisión de imágenes a través de tubos fue demostrada de forma independiente por el experimentador de radio Clarence Hansell y el pionero de la televisión John Logie Baird en la década de 1920. En la década de 1930, Heinrich Lamm demostró que se podían transmitir imágenes a través de un paquete de fibras ópticas sin aislar que podían ser usados para exámenes médicos internos, sin embargo, su trabajo fue en gran parte olvidado.

En 1953, el científico holandés Bram van Heel demostró por primera vez la transmisión de imágenes a través de haces de fibras ópticas con revestimiento transparente. Ese mismo año, Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany del Imperial College de Londres lograron hacer paquetes de transmisión de imágenes con más de 10.000 fibras, y posteriormente lograron la transmisión de imágenes a través de un haz de 75 cm de largo que combinó varios miles de fibras, este hallazgo fue publicado en un artículo titulado titulado » A flexible fibrescope, using static scanning» en la revista Nature en 1954.

El primer gastroscopio semiflexible de fibra óptica práctico  lo patentó Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, y Lawrence E. Curtiss, investigadores de la Universidad de Michigan, en 1956, en el proceso de desarrollo del gastroscopio, Curtiss produjo la primera fibra óptica revestida (glass-clad fibers), las fibras ópticas diseñadas anteriormente se habían basado en recubrimiento de aire o aceites y ceras que eran poco prácticos como material de revestimiento de bajo índice. Luego, se pudo encontrar una variedad de otras aplicaciones tales como la transmisión de imágenes.

El primero de muchos…

El primer sistema de transmisión de datos de fibra óptica en funcionamiento lo demostró el físico alemán Manfred Börner en Telefunken Research Labs en Ulm en 1965. La NASA utilizó fibra óptica en las cámaras de televisión que se enviaron a la luna, el uso se clasificó como confidencial y los empleados encargados de manejarlas eran supervisados ​​por alguien con una autorización de seguridad apropiada.

Charles K. Kao y George A. Hockham de la compañía británica Standard Telephones and Cables (STC) fueron los primeros, en 1965, en promover la idea de que la atenuación en las fibras ópticas podría reducirse por debajo de 20 decibelios por kilómetro (dB / km), haciendo de las fibras un medio de comunicación práctico. Indicaron que las impurezas eran las causantes de la atenuación y podrían eliminarse. Teorizaron de forma correcta y sistemática las propiedades de pérdida de luz de la fibra óptica y señalaron el material adecuado para utilizar con dichas fibras: vidrio de sílice de alta pureza. Este descubrimiento le valió a Kao el Premio Nobel de Física en 2009.

El límite de atenuación crucial de 20 dB / km se logró por primera vez en 1970 por los investigadores Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz y Frank Zimar quienes trabajaban para el fabricante estadounidense de vidrio Corning Glass Works. Fabricaron una fibra con una atenuación de 17 dB/km al dopar el vidrio de sílice con titanio. Unos años más tarde produjeron una fibra con solo 4 dB/km de atenuación usando dióxido de germanio como el núcleo dopante. En 1981, General Electric produjo lingotes de cuarzo fundido que se podían trazarse en hebras de 25 millas (40 km) de largo.

Inicialmente, las fibras ópticas de alta calidad solo podían fabricarse a 2 metros por segundo. El ingeniero químico Thomas Mensah se unió a Corning en 1983 y aumentó la velocidad de fabricación a más de 50 metros por segundo, lo que hizo que los cables de fibra óptica sean más baratos que los de cobres. Estas innovaciones marcó el comienzo de la era de las telecomunicaciones de fibra óptica.

¿Como Funciona la Fibra Óptica?

El principio de la fibra óptica se basa en su funcionamiento como una guía de onda dieléctrica cilíndrica (guía de onda no conductora) que transmite la luz a lo largo de su eje, el funcionamiento de la fibra óptica se debe principalmente al proceso de reflexión interna total, esto se explicará mas adelante. La fibra consiste de un núcleo rodeado por una capa de revestimiento, ambos están hechos de materiales dieléctricos. Para limitar la señal óptica en el núcleo, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el del revestimiento. El límite entre el núcleo y el revestimiento puede ser abrupto, en fibra de índice escalonado, o gradual, en fibra de índice gradual.

¿Cómo se Fabrica la Fibra Ópica?

El proceso de fabricación de la fibra óptica se realiza en tres grandes etapas:

  • Fabricación del cilindro de vidrio preformado
  • Estiramiento de la preforma de fibra
  • Prueba de la Fibra Óptica terminada

1-Fabricación del cilindro de vidrio preformado

El vidrio para la preforma se fabrica mediante un proceso llamado depósito de vapor químico modificado (MCVD).

En el proceso MCVD, el oxígeno se burbujea a través de soluciones de cloruro de silicio (SiCl4), cloruro de germanio (GeCl4) y/o otros productos químicos. La mezcla precisa gobierna las diversas propiedades físicas y ópticas (índice de refracción, coeficiente de expansión, punto de fusión, etc.). Los vapores de gas se conducen al interior de un tubo de sílice sintético o de cuarzo (revestimiento) en un torno especial. A medida que el torno gira, una antorcha se mueve hacia arriba y hacia abajo por el exterior del tubo. El calor extremo de la antorcha provoca dos cosas:

Que el silicio y el germanio reaccionan con el oxígeno, formando dióxido de silicio (SiO2) y dióxido de germanio (GeO2).

Que el dióxido de silicio y el dióxido de germanio se depositan en el interior del tubo y se fusionan para formar vidrio.

El torno gira continuamente para formar una capa uniforme y un blanco uniforme. La pureza del vidrio se mantiene mediante el uso de plástico resistente a la corrosión en el sistema de suministro de gas (bloques de válvulas, tuberías, sellos) y mediante el control preciso del flujo y la composición de la mezcla. El proceso de hacer la preforma es altamente automatizado y toma varias horas. Después que la preforma se enfría, se prueba para controlar su calidad (índice de refracción).

2-Estiramiento de la preforma de fibra

Una vez que se ha probado la preforma, se carga en una torre de extracción de fibra. La preforma se baja en un horno de grafito (de 1,900 a 2,200 grados Celsius) y la punta se derrite hasta que una masa fundida cae por la gravedad. A medida que cae, se 5enfría y forma un hilo.

El operador enrosca la hebra a través de una serie de copas de recubrimiento (revestimiento buffer) y hornos de curado con luz ultravioleta en una bobina controlada por el tractor. El mecanismo tractor extrae lentamente la fibra de la preforma calentada y se controla con precisión mediante el uso de un micrómetro láser para medir el diámetro de la fibra y devolver la información al mecanismo tractor. Las fibras se extraen de la preforma a una velocidad de 10 a 20 m/s, y el producto terminado se enrolla en un carrete. No es raro que los carretes contengan más de 2.2 km de fibra óptica.

3-Prueba de la Fibra Óptica terminada

A la fibra óptica terminada se le realizan las siguientes pruebas:

  • Resistencia a la tracción: debe resistir 100,000 lb / in2 o más
  • Perfil de índice de refracción: determine la apertura numérica y la pantalla para detectar defectos ópticos
  • Geometría de fibra: el diámetro del núcleo, las dimensiones del revestimiento y el diámetro del revestimiento deben ser uniformes
  • Atenuación: Determinar la medida en que las señales de luz de varias longitudes de onda se degradan a lo largo de la distancia
  • Capacidad de transporte de información (ancho de banda): número de señales que pueden transportarse de una vez (fibras multimodo)
  • Dispersión cromática: propagación de varias longitudes de onda de luz a través del núcleo (importante para el ancho de banda)
  • Rango de temperatura / humedad de funcionamiento
  • Dependencia de la temperatura de la atenuación
  • Capacidad de conducir luz bajo el agua – Importante para cables submarinos

La fibra óptica

 

 

Growth Hacker, idealista y controvertido, busco un enfoque diferente al diseño web, expertos en SEO y SEM. siempre en investigación y desarrollo de sistemas de comunicaciones entre personas, la mayoría de veces ni yo mismo me entiendo.