Autor: Freddy Ortiz Magallanes - los cables de fibra optica | Cursos

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Autor: Freddy Ortiz Magallanes
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APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA
La Fibra Óptica:
Los Conceptos Básicos
Libro Electrónico
Por Freddy Ortiz – Ingenia-T Consultores y Servicios
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APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA
CAPITULO I
Introduccion
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APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA
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CAPITULO II
Historia y Tecnología de la Fibra óptica
2.1 Introducción ......................................................................................................................................... 5
2.2 Hitos Importantes en la Historia de la Fibra ........................................................................................ 6
2.3 Las Ventajas de La Fibra ...................................................................................................................... 7
2.4 Mitos sobre la fibra ............................................................................................................................... 9
2.5 Una Breve Cronología Histórica de la fibra óptica ............................................................................ 12
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CAPITULO 2
2.1 Introducción
Las fibras ópticas son filamentos de vidrio de alta
pureza extremadamente compactos. El grosor de una
fibra es similar a la de un cabello humano, con bajas
pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y
un alto grado de confiabilidad debido a que son
inmunes a las interferencias electromagnéticas de
radiofrecuencia. Las fibras ópticas no conducen
señales eléctricas por lo tanto son ideales para
incorporarse en cables sin ningún componente
conductivo y pueden usarse sin ningún problema en
zonas de alta tensión. Tienen la capacidad de tolerar
altas diferencias de potencial sin ningún circuito adicional de protección y no hay
problemas debido a los cortos circuitos. Tienen un gran ancho de banda, que puede ser
utilizado para incrementar la capacidad de transmisión con el fin de reducir el costo por
canal, de esta forma es considerable el ahorro en volumen en relación con los cables de
cobre.
La Historia de la comunicación por fibra óptica se inicia en 1977, cuando se instala un
sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se producían ya cantidades
importantes de pedidos de este material.
Antes, en 1959, como derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se
descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue
aplicado a las telecomunicaciones con el fin que los mensajes se transmitieran a
velocidades inusitadas y con amplia cobertura. Esta utilización en primera instancia del
láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para
hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en
la fuente denominada láser, siendo esto un nuevo reto al que se enfrentaron los
investigadores de la ciencia aplicada. Fue en el año 1966 cuando surge la primera
propuesta para usar una guía óptica para la comunicación, desde entonces el avance es
incesante y hoy en día la tecnología hace que esta fibra sea capaz de enviar datos a
velocidades extremadamente altas.
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2.2 Hitos Importantes en la Historia de la Fibra1
En 1854, el físico británico James Tyndal preparó un tanque de agua con una cañería por
ambos lados permitiendo que fluyera agua por los ductos, y entonces envió una luz
luminosa del lado opuesto del tanque hacia el flujo de agua. Conforme el agua caía por la
cascada, un arco de luz seguía aguas abajo conduciendo la luz. Esto demostró la reflexión
interna total, un principio que se discutirá después en más detalle.
En 1880, Alejandro Graham Bell inventó el photophone. Bell consideró esto como un
descubrimiento mayor que su invención anterior, el teléfono. Con el photophone, Bell
hablaría en un micrófono que causaría una vibración en un espejo. La luz del sol golpearía
en el espejo, y la vibración del espejo transmitiría la luz por el espacio de
aproximadamente 200 metros. El espejo del receptor recibiría la luz y causaría una
vibración en un cristal de selenio, y el ruido saldría en el otro extremo. (Vea Figura 2.1)
Aunque el photophone tuvo éxito permitiendo conversaciones a espacio abierto, tenía
inconvenientes: No funcionaba bien por la noche, en la lluvia, o si alguien caminaba entre
la señal y el receptor. Bell perdió interés en esta idea. El problema de la transferencia de la
información haciendo uso de la luz permaneció como un problema insoluble. Mientras
tanto el mundo aprendió a comunicarse usando la corriente eléctrica sobre el cable de
cobre.
Aún así los científicos e ingenieros conocieron por años que la fibra óptica podía trasmitir
la luz, pero la fibra no podía trasmitir información demasiado lejos. No fue hasta el año
1959 en el cual el láser fue inventado. Este dispositivo era un refinado rayo de luz
controlado que podría transmitir información a distancias largas. Desgraciadamente, los
mismos inconvenientes que había experimentado Alejandro Graham Bell afectaron al
láser. Aunque pudiera usarse por la noche, no funcionó durante la lluvia, la niebla, o la
interferencia de cualquier edificio entre el remitente y el receptor.
Figura 2.1 El photophone de Bell
Fue Charles K. Kao en 1966 en los laboratorios STC (Standard Telecommunications
Laboratory), el que propuso la idea que si se pudiera tomar vidrio y se podría purificarlo,
a un nivel bajo de impurezas, podría usarse para comunicaciones ópticas de la misma
manera que en 1870 lo experimento Tyndal con suS tuberías de agua.
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En 1.4 detallaremos con mayor amplitud la historia de la Fibra óptica
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El Dr. Robert Maurer de Corning, en Nueva York, propuso la primera fibra óptica de
pérdidas bajas, con menos de 20 dB/km (decibelios por kilómetro) de pérdida. (Hoy, los
cables monomodos, se venden con especificaciones debajo de los 0.25 dB/km .)
Solamente hace dos décadas la fibra óptica era un sueño para los científicos, hoy esta
extraordinaria tecnología es una realidad, que ha transformado el rumbo del mundo en el
arte de enviar y recibir información. Hoy en día para la transmisión de datos,
indudablemente que la Fibra Optica ha tomado ventajas.
2.3 Las Ventajas de La Fibra
La fibra Óptica no seria considerada si no ofreciera ventajas distintas y superiores a los medios de
comunicación de cobre tradicionales.
Gran ancho de banda. La Fibra ofrece un gran ancho de banda que cubre los
requerimientos de las aplicaciones en las redes actuales. La fibra de 62.5/125-micrometro
(Multimodo), es recomendada para las instalaciones que usan un ancho de banda mínimo
de 160 MHz-km (a una longitud de onda de 850 nm) o 500 MHz-km (a 1300 nm). Ya que el
ancho de banda es un producto de la frecuencia y la distancia, el ancho de banda a 100
metros es más de 1 GHz. En comparación, al cable de cobre de Categoría 5 que sólo se
especifica a 100 MHz sobre los mismos 100 metros.
Con el cable monomodo de alto rendimiento que es usado por las empresas Telefónicas
para las telecomunicaciones de larga distancia, el ancho de banda es teóricamente infinito.
Es decir, la capacidad de información que lleva la fibra excede la capacidad de la
electrónica de hoy. El gran ancho de banda le da una capacidad de transmisión elevada,
posibilitando la transmisión simultanea de voz, datos y vídeo.
Baja atenuación. La fibra óptica ofrece baja pérdida de potencia. La pérdida baja
permite alcanzar distancias de transmisión más largas entre repetidores. De nuevo en
comparación con el cobre es largamente superior, la distancia del cobre recomendada para
redes locales de alta velocidad, es de 100 metros como máximo; con la fibra se recomienda
2000 metros en cables multimodos para redes locales.
El inconveniente principal del cobre es el aumento de pérdida con la frecuencia de la
señal. Esto significa que para los datos de alta velocidad se tiende a aumentar la pérdida
de potencia trayendo como resultado una disminución de las distancias prácticas de la
transmisión. Con la fibra, la pérdida no cambia con la frecuencia de la señal.
La baja atenuación trae aparejado una mayor distancia entre repetidores. Además,
dentro de un amplio rango de frecuencias la atenuación en las fibras ópticas es
constante e independiente de la frecuencia.
Inmunidad electromagnética. De acuerdo a algunas estimaciones, el 60% de todas
las caídas de la red basada en cobre son causados por el cableado y productos relacionados
al mismo. El Crosstalk, el desequilibrio de la impedancia, y la susceptibilidad de EMI son
los mayores factores causantes del ruido y errores en los sistemas de cobre. Lo que es más,
tales problemas pueden aumentar con una incorrecta instalación de los cables de categoría
5, que son más sensible a una pobre instalación que otro cable de par trenzado.
Ya que la fibra es un dieléctrico, es inmune a la interferencia electromagnética. No sufre
del crosstalk que es un factor limitante crítico para el cable del par trenzado. Lo que es
más, puede tenderse en ambientes eléctricamente ruidosos, como en los pisos de una
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fábrica, sin preocuparnos que el ruido eléctrico afectará a la fibra. No hay preocupación
con la proximidad de las fuentes del ruido como líneas de alta tensión o las luces
fluorescentes. En conclusión la fibra es más fiable que el cobre.
Las fibras ópticas no emiten ni captan radiaciones electromagnéticas, tampoco se ven afectadas
por emisiones de alta frecuencia. Esto trae aparejado la inexistencia del crosstalk. (diafonia)
Tamaño y peso reducido. El cable de Fibra pesa menos que un cable de cobre. Un
cable de fibra es 20% a 50% más liviano que un cable comparable de Categoría 5. Su peso
más ligero hace más fácil instalar un cable de fibra.
Fig 2.2 Fibra & Cobre
El cable de fibra óptica en el primer plano tiene la capacidad
de llevar información equivalente al cable de cobre del fondo.
El cable óptico tiene una sección más pequeña que los cables de cobre a los que reemplaza.
De nuevo, comparable con un cable similar de Categoría 5 de par torcido, un cable óptico
toma cerca del 15% menos espacio.
Su reducido tamaño y peso simplifica los problemas de transporte, almacenamiento y
sobre todo de instalación. Las fibras ópticas son mucho más chicas, con respecto a cables
de cobre con igual capacidad de transmisión de información. Su pequeño diámetro más
los materiales que la recubren la dotan de gran flexibilidad y robustez mecánica.
Debido a que las fibras son aisladoras en vez de conductoras, no producen chispas ni
presentan el peligro de sacudidas eléctricas; tampoco pueden ponerse en corto circuito.
Por los materiales con que están construidas –totalmente dieléctricos- NO atraen las
descargas eléctricas atmosféricas.
Seguridad. Puesto que la fibra es un dieléctrico, no presenta un riesgo a descarga
eléctrica. Lo que es más, los cables están disponibles con las mismas características anti
inflamables que sus similares de cobre para reunir los requisitos del código en
edificaciones.
La fibra optica es dieléctrica apta para ser utilizada en ambientes peligrosos, como
podría ser polvorines, destilerías, químicas, etc.
Seguridad De las Comunicaciones. Las fibras ópticas son bastante difíciles de
interferir. Puesto que ellos no radian energía electromagnética, no pueden interceptarse. E
interferir físicamente a la fibra requiere de una gran habilidad para no ser detectado. Así,
la fibra es el medio más seguro hoy disponible para llevar datos sensibles.
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Altamente segura como medio de transmisión por no poder captarse lo transmitido mediante
antenas, al no radiar energia electromagnética.
En resumen:
La fibra óptica ofrece un gran ancho de banda sobre distancias mayores sin el peligro de
interferencia eléctrica. Su tamaño pequeño y el peso ligero le dan una ventaja durante su tendido
en el proceso de instalación.
2.4 Mitos sobre la fibra
Conceptos erróneos comunes sobre la tecnología de fibra óptica.
La fibra óptica es la plataforma de la supercarretera de información y transporta voz,
vídeo y datos a los negocios, escuelas, hospitales y domicilios.
Las demandas de la información continúan aumentando, tanto que la máxima velocidad
de transporte disponibles se están doblando cada dos años aproximadamente. Como
resultado de este crecimiento rápido, las funciones electrónicas en las redes de
comunicaciones serán reemplazadas en el futuro por funciones fotónicas que
proporcionan una capacidad de información de transporte más alta.
A pesar de lo dicho hasta ahora, aún existen ciertas ideas erradas acerca de la fibra que debemos de desterrar:
La fibra es la opción de instalación más cara
Realmente, la fibra tiene un costo competitivo cuando se compara con el cable de cobre de
par trenzado para la mayoría de las aplicaciones. A largo plazo, la fibra realmente es la
opción menos cara.
Cuando consideremos la fibra, es importante mirar el marco total. Entre los Factores a
considerar cuando proyectemos costos de la red, estan la vida de la red, la vida del
sistema, la necesidad de actualizar el sistema para los requisitos de capacidades futuras, y
la posibilidad del rédito generado por arrendar la capacidad de la reserva a otros
portadores.
Comparado con el cable de cobre de par trenzado, los sistemas de comunicaciones ópticos
exhiben una tasa de error muy baja (BER) mientras opera a velocidades altas. Como
resultado, la transmisión de los datos será más rápida y más fiable en los sistemas de
fibras ópticas. De hecho, la instalación de fibra provee una mayor facilidad para la
instalación. Tampoco, la fibra óptica es "dependiente del hardware" eso quiere decir que
no es necesario actualizar la fibra con la introducción de nuevas tecnologías de
transmisión disponible.
Conforme el proceso de instalación de la fibra se hace más fácil, significa que los costos de
la instalación disminuyen. Los costos del tendido son el mismo comparado al cable de
cobre.
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Los cables de par trenzado pueden usarse para las aplicaciones de datos de gran
velocidad.
Si usted está mirando más allá de los 100 Mbps, La fibra es el único medio que puede
usarse confiablemente.
Para aquéllos interesados, hay algunos sistemas de cables de cobre de gran velocidad que
se ofrecen hoy. Pero estos sistemas pueden requerir el cableado de alambre especial, como
una versión especialmente basada en el par trenzado. Aún con este cable de cobre especial,
hay también algunas dudas de sí el sistema puede transmitir a 100 Mbps por encima de
distancias típicas. ¡Con una red de fibra, no hay ninguna duda al respecto.
Solo los sistemas de alta velocidad necesitan de la fibra.
La Fibra puede usarse eficazmente en cualquier sistema, y cuando una capacidad
adicional se requiere, una nueva electrónica puede instalarse sin ningún problema.
Sin tener en cuenta la velocidad del sistema, la capacidad de transmisión libre de error es
un aspecto crítico de cualquier sistema de comunicaciones moderno. Muchas redes
actuales y virtualmente todas redes de comunicaciones futuras requerirán de un gran
ancho de banda y flexibilidad.
La fibra es altamente técnica y dura de trabajar
Fig 2.3 La Fibra ya no es percibida como una tecnología exótica. Y con normas ahora establecidas. Para las herramientas y
técnicas, los costes de la instalación están bajando.
Hoy, La instalación de las redes de fibra-ópticas es predecible y estandarizado. Es verdad
que la fibra es diferente al cobre. La Fibra requiere diferente fuerza de tiro en el tendido,
instalación, y procedimientos de terminación, pero las prácticas de campo y los equipos de
terminación han evolucionado. Ya que el cable de fibra es pequeño, liviano, y más flexible
que otros tipos de cable, algunos instaladores sienten que es realmente más fácil de
instalar la fibra.
Este mito también se deriva de los primeros días de los conectores ópticos. Los conectores
eran difíciles de obtener: Ellos llegaron acompañados de muchas partes. Se necesitaba del
epoxico, curar, pegar, y pulir. Además, las tecnologías del epoxy, el curado, el pegado, y el
pulido todavía estaban en evolución. Hoy, los conectores tienen menos partes, se
entienden bien los procedimientos para la terminación, y los técnicos cuentan con la ayuda
de máquinas de pulido y hornitos para hacer el trabajo más rápido y más fácil.
La fibra es sumamente frágil
Para el mismo diámetro, La fibra de vidrio es realmente más fuerte que el acero.
Con una fuerza media de tensión de ruptura de 600,000 libras por pulgada cuadrada, La
fibra excede los requisitos de tensión de todas las aplicaciones de comunicaciones de hoy.
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Cada pulgada de fibra fabricada se prueba inmediatamente después de la fabricación para
asegurar que soporta una fuerza de tensión mínima, típicamente 100 kpsi.
Fig 2.4 La Fibra es flexible,
robusta y fácil de trabajar
El Vidrio es un material sumamente estable. Además, de datos obtenidos en campo
durante varios años han ayudado a la industria a establecer normas para la fibra, y
aseguran a los usuarios de la fibra una larga vida de servicio.
La fibra óptica ha mostrado tener la capacidad de soportar una cantidad casi ilimitada de
información y exhibe una pequeña susceptibilidad a climas severo o interferencia de
fuerzas electromagnéticas. La inmunidad de la fibra a las condiciones adversas como la
humedad, corrosión y fatiga, hacen posible proyectar una vida útil mas allá de los 20 años.
La fibra óptica es solo realista para las compañías Telefónicas y Televisión por
Cable
En muchas partes, las fibras ópticas están formando la base de sistemas de transporte
inteligentes. Se están supervisándose flujos de tráfico con sensores ópticos y TELEVISIÓN
de circuito cerrado. En el futuro no tan distante, con la conexión de computadoras a una
red de dispositivos sobre fibra unidas sobre una plataforma óptica, las señales dirigirán el
tráfico mientras los sistemas de navegación a bordo de los automóviles guiarán a los
choferes a sus destinos
Los sensores de Fibra Óptica se están usando en los sistemas para supervisar la
infraestructura de los países. Los sensores químicos pueden detectar la polución, y los
sensores que supervisan la tensión en la infraestructura civil pueden proporcionar
advertencias sobre lo avanzado de las debilidades de los puentes, diques y edificios. Las
fibras informaran de la actividad sísmica con precisión y proporcionarán una temprana
advertencia de los terremotos.
La fibra no es necesaria para el abonado.
¿Cuánto ancho de banda necesita un usuario particular? ¿Cuánto es mucho? Subvaluar
los requisitos de un usuario ha sido por mucho tiempo un error en la computación y en la
industria de redes de computadoras. Los críticos a la fibra defienden que los usuarios ya
no necesitan un gran ancho de banda en su terminal, Usar fibra seria un desperdicio de
potencial.
Ya los anillos Token Ring de 4-Mbps que parecían rápidos al principio, fueron
reemplazado por la de 16-Mbps versión cuatro veces más rápida. El Ethernet tradicional
ha estado siendo reemplazando a través de 100-mbps. La teleconferencia, el vídeo, la
multimedia, y otras aplicaciones hambrientas de ancho de banda están avanzando.
Mientras las redes principales pueden beneficiarse de la gran velocidad de transmisión, y
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la mayor distancia lograda con la fibra, no olvidemos al usuario final. Las demandas de
los usuarios finales invariablemente crecerán con nuevas aplicaciones como el ATM que
requiera más ancho de banda.
La tecnología presenta un problema importante aquí. El cable de Categoría 5 puede ser
empujado a sus límites, logrando 100-MHz de actuación. Mientras los adelantos en la
codificación de los datos pueden proporcionar mayores velocidades de datos, la pregunta
es si el cable de Categoría 5 puede extender su actuación. ¿Necesitaremos el cable de
Categoría 6 UTP? Al mismo tiempo, la fibra ya lo tiene. Para los 100 metros de distancias
recomendados, El cable de Categoría 5 tiene un ancho de banda de 100 MHz, mientras
que la fibra multimodo tiene un ancho de banda de más de 1 GHz.
Todas las fibras son iguales
En las Especificaciones de las redes de comunicaciones de voz/data/vídeo, la fibra óptica
no debe ser considerada sólo otro componente." Todas las fibras no son iguales.
Las Fibras difieren de un proveedor a otro debido a los procesos industriales
fundamentalmente diferentes. Hay dos maneras primarias de fabricación la fibra óptica:
Por deposición de vapor interno IVD, algunas veces llamada MCVD y deposición de
vapor externo OVD. Los científicos de Corning inventaron ambos procesos, IVD en 1970 y
OVD unos años después. El proceso de IVD ha sido autorizado a otros fabricantes de
fibra.
2.5 Una Breve Cronología Histórica de la fibra óptica2
La Prehistoria de la fibra
Los sistemas ópticos de comunicación, existen desde hace 2 siglos, el “Telégrafo Optico”
fue inventado por el Ing. francés Claude Chappe en 1790, Su sistema consistia de una serie
de semáforos montados en torres en los que un operador transmitía mensajes de una torre
a otra. El uso de los mensajeros hizo más efectivo la manera de llevar mensajes, pero a
mediados del siglo 19 los mensajeros fueron reemplazados por el “Telégrafo Eléctrico”.
Alejandro Graham Bell, patento un Sistema de Teléfono Optico, al cual lo llamó el
“Photophone”, en 1880, pero su primer invento el “Teléfono” fue el más práctico. Él
soñaba con enviar señales a través del aire, pero la atmósfera no transmitía la luz de
manera tan confiable como los alambres transportaban la electricidad. En las siguientes
décadas, la luz se usó para aplicaciones especiales, tal como el hacer señales entre
embarcaciones, por otro lado las comunicaciones ópticas como el Photophone de Bell fue
donado al Instituto SmithSoniano, en el cual acabaría en un estante.
En los años siguientes, poco a poco, una nueva tecnología resolvería el problema de la
transmisión óptica pero lo haría lentamente, aunque pasaria un tiempo largo antes que
fuera adaptado a las comunicaciones. Esta tecnología dependía del fenómeno de Reflexión
2
Este escrito se basa en el resúmen Tomado del Libro de Jim Hayes,, City of Light: The Story of Fiber Optics, Oxford University Press,
New York, 1999. (ISBN 0-19-510818-3).
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Interna total, que permitia confinar la luz en un material rodeado por otros con bajo
índice refractivo, como aire en vidrio. En los años 40 del siglo 19, el físico suizo Daniel
Collodon y el físico francés Jacques Babinet, demostrarón que la luz podía guiarse a lo
largo de chorros de agua de una fuente.
El físico británico, John Tyndall, popularizó la guia de luz, en una demostración realizada
por primera vez en 1854, guiando la luz en un chorro de agua que fluía desde un tanque.
Al inicio del siglo 20, los investigadores demostraron que una varilla de cuarzo doblada,
podia transportar luz, y los utilizaron como iluminadores dentales. Por los años 40 del
siglo 19, muchos doctores usaban ya depresores de lengua de plexiglass iluminado.
Con esta aplicación La Fibra Optica dio un paso adelante, eran principalmente unas
varillas transparentes de vidrio o plástico, de gran longitud y flexibles. En el año 1920,
John Lagie Baird en Inglaterra y Clarence W. Hanbell en los E.E.U.U, patentaron la idea
del uso de arreglos de tuberías de varillas huecas, o varillas transparentes para transmitir
imágenes de video. Sin embargo, la 1° persona conocida en haber demostrado la
transmisión de la imagen a través de un arreglo de Fibras Opticas, fué Heiurich Lamm, un
estudiante de medicina en Munich. Su meta fue ver las partes inaccesibles del cuerpo, y en
1930 lo dio a conocer transmitiendo la imagen por un filamento de luz, a través de un
pequeño arreglo. Sin embargo las fibras transmitieron imágenes deficientes, y la
consolidación de los Nazis forzó a Lamm que era judío, mudarse a América, y abandonar
sus sueños de hacerse profesor de medicina.
En 1951, Holger Moller Hansen, presento en la oficina de patentes Danesa, un estudio de
la Fibra Optica. Sin embargo, la oficina dinamarquesa negó su aplicación, citando la
patente de Baird y a Hanbell. Moller Hansen fue incapaz de interesar a las compañías de
su invento.
No se reporta nada acerca de la fibra óptica hasta 1954, cuando Abraham Van Heel, de la
Universidad Técnica de Delft en Holanda y Harold H. Hopkins y Narinder Kapany de la
Academia Imperial en Londres, individualmente presentaron un estudio de un conductor
óptico en el prestigioso diario Británico “Nature”.
Ni Van Heel, ni Hopkins, ni tampoco Kapany, fabricaron conductores que pudieran llevar
lejos la luz, pero sus reportes hicieron que la F.O. revolucionara. Una importante
innovación, fue hecha por Van Heel, estimulados por una conversación con el Fisico
Optico americano – Brian O’Brien.
Todas las primeras fibras fueron “desnudas” con una reflexión interna total, en la interface
vidrio – aire. Van Heel cubrió una fibra desnuda de vidrio o plástico, con un protector
transparente de bajo índice refractivo. Esto protegió la superficie de la reflexión total de la
contaminación y redujó en gran medida el crostalk entre fibras.
El próximo paso importante fue el desarrollo de las fibras recubiertas por vidrio, por
Lawrence Curtiss, en ese momento era un estudiante de la Universidad de Michigan, que
trabajaba a media jornada en un proyecto para desarrollar un endoscopio, para examinar
dentro del estomago con el físico Basil Hirschowitz, y el físico C. Wilbur Peters. (Will
Hicks, que en ese entonces estaba trabajando en el American Optical Co., fabrico las fibras
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cubiertas por vidrio, aproximadamente al mismo tiempo, pero su grupo perdió una batalla
amargamente disputada por la patente). Por 1960, las fibras cubiertas con vidrio, tenían
atenuación de aproximadamente de un decibelio por metro, adecuadas para la medicina,
pero muy altas para las comunicaciones.
Entre tanto, los ingenieros de telecomunicaciones estaban en busca de más ancho de
banda para la transmisión. La Radio y las frecuencias del microonda estaban saturandose,
por lo que se buscaba transportes para mayores frecuencias, ya que se esperaba continuar
aumentando con el crecimiento de la televisión y el tráfico del teléfono. Las compañías de
Teléfonos pensaban que los teléfonos con video estaban a la vuelta de la esquina, y que se
podía presentar una escalada de la demanda del ancho de banda más adelante. El punto
de corte de las investigaciones, fue el Sistema de ondas milimétricas, donde, tuberias con
cavidad servian de guia de ondas para evadir la pobre transmisión atmosférica en decenas
de giga herz, y donde la longitud de onda estaba en el rango de los milímetros.
Las frecuencias ópticas altas parecían un lógico próximo paso, tal como lo indicara en 1958
Alec Reeves, el visionario ingeniero de la Britain’s Standard Telecomunications
Laboratories, quien inventó la modulación PCM digital (pulse code modulation), antes de
la II Guerra Mundial. Otras personas continuaron investigando las comunicaciones
ópticas, hasta que en 1960 fue inventado el láser. El 22 de Julio de 1960, Una revista de
Electrónica publicó la demostración de Theodore Maiman sobre el primer láser: “los
canales de comunicacion utiles, en el espectro electromagnético, pueden ser extendidos
gracias al desarrollo de un amplificador de frecuencia óptica experimental”.
El trabajo serio en las comunicaciones ópticas, tendría que esperar por el láser de onda
continua de helio-neón. Mientras que el aire era mucho más transparente en las longitudes
de onda óptica que en las longitudes de ondas milímetras, los investigadores descubrieron
que la lluvia,la niebla, las nubes y la turbulencia atmosférica limitaba la fiabilidad de los
enlaces atmosfericos del laser para larga distancia. Por 1965, estaba claro que las
principales barreras técnicas permanecían tanto para las ondas milímetricas y para las
telecomunicaciones del laser.
Ls guias de ondas milimetricas tenian pérdida pequeña , aunque solamente si ellos se
mantenían rectas; los diseñadores pensaban que el problema máyor era la falta de
repetidores adecuados. Las guias de onda ópticas , demostraron ser un problema. El grupo
de Stewart Miller en los Laboratorios de Bell Telephone estuvieron trabajando en un
sistema de lentes de gas, para enfocar el láser que se emitiría a lo largo de la cavidad de
guia de onda para las telecomunicaciones de larga distancia. Sin embargo, la mayoría de
las industrias de telecomunicaciones, pensaron que el futuro pertenecia a las guia de
ondas milímetricas.
Las fibras ópticas llamaron un poco la atención, porque eran parecidos en teoría a una
guia de onda con dielectrico de plástico, usado en ciertas aplicaciones de microonda. En
1961, Elias Snitzer un óptico Americano, trabajando con Hicks en Mosaic Fabrications (Luego
Galileo Electro-Optics) demostró la similitud, fabricando fibras con nucleos tan pequeños
que llevaron la luz a la manera de una guia de onda. Sin embargo, virtualmente todos
consideraron que las fibras perdian las comunicaciones; la atenuación de un decibel por
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metro era bueno para realizar observarciones dentro del cuerpo, pero las comunicaciones
operaban sobre distancias muy largas, y requerían perder no mas que 10 o 20 decibels por
kilómetro.
El Laboratorio STL de ITT y la aparición de Kao
Un pequeño grupo de investigadores, no descartó las fibras tan fácilmente – un equipo en
Standard Telecommunications Laboratories , inicialmente encabezados por Antoni E.
Karbowiak, quien trabajó bajo la dirección de Reeves para estudiar guias de onda ópticos
para las comunicaciones. Karbowiak pronto se unio con un joven ingeniero nacido en
Shanghai, Charles K. Kao.
A Kao le toco investigar la atenuación de la fibra. El coleccionó muestras de fabricación de
fibras, y cuidadosamente investigó las propiedades de la masa del vidrio. Su investigación
lo convenció que la alta pérdida de las primeras fibras , se debió a las impurezas, y no al
sílice de vidrio. En medio de esta investigación , en 1964, Karbowiak dejó STL para ocupar
un puesto en la materia de Ingeniería Electrica en la Universidad New South Wales en
Australia, y Kao
tuvo que reemplazarlo como director de
investigación de
Comunicaciones Opticas. Con George Hockham, otro joven ingeniero de STL, quien se
especializó en teoría de antena, Kao trabajó fuerte en una propuesta de comunicaciones de
larga distancia con fibras monomodos. Convencido que las perdidas de fibra podia ser
reducida por debajo de los 20 decibels por kilómetro, ellos presentaron un documento en
un encuentro en Londres del Instituto de Ingeniería Electrónica IEE.
El 1 de Abril de 1966 se publicó la propuesta notable de Kao:
“En el encuentro IEE en Londres el mes pasado, el Dr. C.K. Kao observó que a cortas distancias,se
ha mostrado que las guias de ondas ópticas experimentales, desarrollados por los laboratorios de la
Standard Telecommunications tiene una capacidad de información de un gigaciclo, o equivalente a
alrededor de 200 canales de televisión o más de 200,000 líneas telefónicas. El describió el dispositivo
de STL, como un nucleo de vidrio aproximadamente de tres o cuatro micras en diámetro, revestido
con una capa coaxial de otro vidrio que tiene un índice refractivo aproximadamente de uno por
ciento menor que el nucleo. El diámetro total de la guia de onda está entre 300 y 400 micras. Las
Ondas opticas superficiales se propagan a lo largo de la interface entre los dos tipos de vidrio”.
“Según el Dr. Kao, la fibra es relativamente fuerte y puede manejarse fácilmente. También, la
superficie de la guía es protegida de influencias externas...la guia de onda tiene un radio mecánico
de curvatura, lo suficiente para hacer a la fibra casi completamente flexible. A pesar de la
circunstancia, el material tiene una adecuada disponibilidad y una baja pérdida, tiene una pérdida
de aproximadamente 1000 dB/Km., STL cree que en el futuro, se desarrollaran materiales que
tendran pérdidas de solo 10 decibelios por kilómetro”.
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Fig. 2.5 Charles K. Kao nació en Shanghai, China, y recibió un B.Sc. en 1957 y un Ph.D. en de la Universidad de Londres. Él
llega a ITT's Standard Telecommunications Laboratories en 1957 y escala desde ser un científico de investigación a
Gerente de investigación. En 1974, Kao se une a la división de los productos electro-óptico en Roanoke, VA, como científico
principal y después se hizo director de ingeniería. En 1982, ITT lo nombra como el primer científico ejecutivo, y llega a ser
director corporativo de investigación en 1986. Desde 1987 hasta las 1996, Dr. Kao ha ocupado el puesto de vice canciller de
La Universidad China de Hong Kong. Hasta el año 1999 es presidente y jefe funcionario ejecutivo de Transtech Service Ltd
en Hong Kong y continúa sus investigaciones en las telecomunicaciones y el desarrollo de redes de información.
Kao y Hockham detallaron el análisis que fue publicado en Julio de 1966 en Proceedings of
the Institution of Electrical Engineers. Su audaz pronóstico era que la perdida de la fibra
pudiera ser reducido debajo de 20 dB/km, atrayendo el interés de la Oficina Británica de
Correos, entonces operada por la British Telephone Network. F.F. Roberts, un gerente
ingeniero en el Laboratorio de Investigación de la Oficina de Correos (entonces en Dollis
Hill en Londres), vio la posibilidad y convenció a otros en la oficina de Correos. Su jefe,
Jack Tillman, tocó un nuevo fondo de investigación de 12 millones de libras, para estudiar
las maneras de disminuir la pérdida de fibra, Kao promocionó las perspectivas de
comunicaciones de la fibra casi evangélicamente, y la Oficina de Correo se interesó en las
aplicaciones, los laboratorios de alrededor del mundo empezaron a intentar reducir la
perdida de la fibra.
La era Corning3
Tomó cuatro años para alcanzar la meta de Kao de los 20 dB/km., y la ruta del éxito fue
demostrado de manera diferente a lo que muchos esperaban. La mayoría de los grupos
intentaron purificar los compuestos del vidrio, que eran usados por la óptica estándar,
que son fáciles de fundir y estirar y convertirse en fibras. En Corning Glass Works (ahora
Corning Inc.), Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz, empezaron con la sílice
fundida, un material que puede fabricarse extremadamente puro, pero tiene un punto de
fusión alto y un bajo índice de refracción. Ellos probaron con un preformado y realizaran
depósitos de materiales purificados, desde la fase de vapor, adicionando cuidadosamente
3
Corning Inc, es una empresa Norteamericana, establecida en 1851
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niveles controlados de dopantes, para obtener el nucleo con un índice refractivo
ligeramente más alto que el del revestimiento, sin elevación dramática de la atenuación.
En Septiembre de 1970, ellos anunciaron que habían obtenidos fibras monomodos, con
atenuación a 633-nanometros debajo de los 20 dB/km. Las fibras eran frágiles, pero las
pruebas en el nuevo Laboratorio de Investigación de la Oficina Correos Británica, en
Martlesham Heath confirmo la baja perdida.
Fig. 2.6 Robert D. Maurer es un nativo de Arkadelphia, AR. Él
recibió el grado de bachiller en física en la Universidad de Arkansas
en 1948 y un doctorado en físicas del Massachusetts Institute of
Technology (MIT) en 1951. Después de un año de graduado en el
MIT, Maurer se unió al departamento de física de Corning en
Sullivan Park en el laboratorio de investigación y de desarrollo.
Ocupo los puestos de físico investigador, Senior asociado y Gerente
del departamento de Física Fundamental de Corning. Él fue
nombrado research fellow, que es la mas alta posición técnica de
Corning, en 1978, y se retira en 1989.
El gran avance del Corning estaba entre los más dramáticos de muchos desarrollos que
abrieron la puerta a la comunicación por fibra- óptica. En el mismo año, el laboratorio de
Bell y un equipo en el Instituto Físico Ioffe en Leningrad (ahora San Petersburg),
fabricaron los primeros diodos lásers capaz de emitir ondas continuas a la temperatura
ambiente. Durante los siguientes años, las pérdidas de las fibras cayeron dramáticamente,
debido sobretodo a los métodos mejorados de fabricación y por el cambio de la longitud
de la longitud de onda, a los puntos donde las fibras tienen esencialmente baja atenuación.
“En los 30 años desde que nuestro descubrimiento
de la fibra de baja-pérdida, más de 300 millones de
km de fibra óptica se ha desplegado a nivel mundial.
Estas fibra solas pueden manejar más información
que todo los miles de millones de kilómetros de
cables de cobre instalados durante el último siglo.
Sería necesario 2 toneladas métricas de alambre de
cobre para transmitir la información que se puede
con un poco más de 1 lb de fibra. En laboratorio hoy,
una sola fibra puede transmitir el equivalente de 60
millones de llamadas telefónicas simultáneas.”...(Dr
Donald Keck...1999)
Fig 2.7 Los tres científicos de Corning, que tiene
el crédito de la invención de la fibra óptica en
1970: Dr Donald Keck, Dr. Bob Maurer, y Dr.
Peter Schultz.
Narración del Dr Donald Keck4
4
Publicado en la revista Ligh-Wave en Julio del 2000 bajo el título “Optical fiber spans 30 years “It took four years to achieve the
technical breakthrough that led to today's multibillion-dollar optical-fiber-based communications industry. Por Dr. Donald B. Keck de
Corning Inc
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“A mediados de los 60 pocas compañias, Corning entre ellas, pensaban que la fibra óptica
ofrecia potencial para el uso de las telecomunicaciones. El reto era encontrar un modo de
reducir las pérdidas de la luz en su viaje a lo largo de la longitud de fibra. La meta era
encontrar una fibra con una pérdida menor a los 20 dB/km.
Bob trabajó en los problemas de física. Peter, como químico, desarrollaba las formulas del
vidrio. Juntos, Peter y yo transformabamos el vidrio en fibra. Mi papel era entonces medir
las propiedades de la transmisión de la fibra. Yo recuerdo las primeras demostraciones
que indicaban pérdidas de miles de decibelios. Los resultados de nuestro trabajo solo era
para nosotros, pero la meta era clara.
La fibra necesitaba para ser construida de dos capas de vidrio, un nucleo para llevar la luz
y un cladding o corteza para capturar la luz mediante la reflexión interna. El
descubrimiento iba por el desarrollo del nucleo, un vidrio que permitiría a la luz viajar a
través de un kilómetro. En esos momentos, el vidrio más puro en el mundo se obtenia a
partir de la fusión del Silice, un vidrio desarrollado en corning por el Dr.Frank Hyde Pero
sus temperaturas de la fusión altas no le hicieron aparecer como el candidato obvio para la
materia prima de la fibra óptica.
Mientras los competidores estaban buscando quitar las impurezasl vidrio, nosotros
tomamos la dirección contraria. Nos enfocamos en el desarrollo del cladding y tomamos la
decisión de usar sílice fundido tanto para el cladding como el núcleo, pero se agregó de
manera controlada impurezas al núcleo para obtener un índice refractivo más alto que el
cladding.
Al mismo tiempo, nos enfrentamos el desafío de convertir el vidrio en fibra. Aquí de
nuevo, nosotros seguimos un camino contrario al usual. Los cladding necesitaban ser más
grueso que el nucleo para proporcionar la reflectancia, por consiguiente, nosotros
teníamos que pensar en desarrollar un proceso libre de burbuja, así la luz no podría
escapar por los agujeros dimuinutos de. Depositamos una película delgada de vidrio del
nucleo usando la tecnología de deposición de vapor de Corning dentro de un tubo denso
de vidrio que formaba el cladding. De aqui, el proceso de deposición de vapor, inventado
por el Dr. Frank Hyde para el uso en otras tecnologías de Corning se volvió parte del
proceso de fabricación de la fibra.
Después de casi cuatro años de ensayo y error, experimentando, y aprendiendo, el
descubrimiento llego finalmente al iniciarse una noche de agosto en 1970 , cuando las
medidas indicaron que nosotros habíamos logrado una pérdida de menos de 20 dB/km.
Esta fibra de baja-pérdida podría potencialmente transmitir 65,000 veces tanta información
como el alambre de cobre.”
Las primeras aplicaciones, la fibra monomodo no desplazada y La fabricación masiva
Las primeras fibras monomodos tenían nucleos de varios micrómetros de diámetro, y en
los inicios de 1970 essto incomodaba a los inventstigadoress. Se dudba que pudiera ser
posible lograr la tolerancia necesaria para capturar eficazmente la luz de las fuentes
dentro de los diminutos nucleos, o lograr empalmes o conectores eficientes. No satisfecho
con el bajo ancho de banda de la fibra multimodo de indice escalón, se concentraron en las
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fibras multi-modo con un índice-refractivo gradual entre el centro y el revestimiento, y
diámetros del nucleo de 50 o 62.5 micrómetros.
Un hito importante tambien que es importante señalar es el logrado por MacChesney y sus
colegas en los Laboratorios de Bell que consiguieron en 1974 el proceso quimico
modificado de deposición de vapor MCVD que hizo posible la fabricación masiva de fibra
óptica de alta calidad.
La primera generación probada en el campo de la telefonia fue en 1977, se usaron fibras
semejantes para transmitir luz en 850 nanometros de los diodos láser de galio-aluminioarseniuro.
Esas primeras generaciones de sistemas que podían transmitir luz a varios kilómetros sin
repetidor, pero estaban limitados por pérdidas de aproximadamente 2 dB/km en la fibra.
Una segunda generación pronto apareció, usando nuevos lásers de InGaAsP que
emitieron a 1.3 micrómetros, donde la atenuación de la fibra fue tan baja como 0.5 dB/km.
A inicios de 1980 los portadores de larga distancia construyeron la redes principales redes
nacionales con fibra monomodo a 1300-nm. Aquella tecnología se ha extendido dentro de
otras aplicación de telecomunicación, y permanecio como estándar para la mayoria de
sistemas de fibras. En 1983 MCI, una de las mas grandes compañias de larga distancia hoy
en los Estados Unidos fué la primera en tender una red nacional de Fibra óptica en ese
pais.
Fig 2.8 John B. MacChesney nacio en New Jersey en 1929.
Obtuvo el grado B.A. degree en Química de Bowdoin
College en 1951. Sirvió en el ejercito de USA en la guera de
Korea, y estudio en el City College de New York y en la
Universidad de New York University mientras trabajaba.
Se matriculo en la Universidad de Pennsylvania, donde se
graduó con un Ph.D. in geoQuímica in 1959.
La fibra de dispersión desplazada y la Segunda revolución de la Fibra
A fines de los años ochenta, los sistemas tendian a operar a mayores longitudes de onda.
La Fibra de dispersión desplazada (DSF), se introdujo en 1985, y anunció una nueva era
en las comunicaciones ópticas. Uniendo el mínimo de atenuación en la ventana de 1,550http://lafibraopticaperu.com/ []. http://ingenia-t.com/
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nm con dispersión cero en la misma longitud de onda, mayores velocidades de datos
podrían llevarse a distancias mayores.
Hasta este momento, los sistemas de fibra todavía se basaban en el uso de la electrónica
para regenerar la señales. Mientras se adecuaban para velocidades de datos modestas se
descubrio que seria más difícil para la tecnología progresar hacia velocidades del orden de
los gigabit-por-segundo. Es más, la regeneración eléctrica se limita a una sola longitud de
onda.
En los primeros años de los 90,aparece la fibra dopada con erbio (EDFA) , a estos muchos
lo consideran la segunda revolución en la comunicación de la fibra óptica. Esta tecnología
no sólo superó la limitación de la velocidad para la regeneración electrónica y permitió
tramos más largos sin el uso de repetidores, y asimismo le permitió a WDM
(Multiplexación de Longitud de onda)ser la metodología de la transmisión dominante
como lo es hoy
Efectos Nolineales y la WDM
Cuando de inicio el despiegue de la nueva tecnología WDM, se puso en claro que el
mismo atributo que había hecho tan atractivo la fibra de dispersión desplazada causaba
inconveniente para las demandas de WDM. La potencia extra que tenia que transportar la
fibra debido al uso de varios amplificadores por cada longitud de onda dio como
resultado, los efectos de transmisión nonlineales.
Uno de los primeros y mas perjudiciales efectos que aparece es el efecto de la mezcla de
cuatro ondas (FWM). En FWM, las longitudes de onda múltiples se combinan para crear
nuevas longitudes de onda que pueden interferir potencialmente con la transmisión. El
efecto es mas pronunciado cuando la dispersión es cercano a cero.
El desarrollo de la industria de la fibra de dispersión no nula (NZ-DSF) era una respuesta
directa a los efectos no linelaes de la propagación. Se Cambia la longitud de onda de
dispersión cero fuera de la ventana de operacion, asi introduciendo una cantidad pequeña
pero finita de dispersión se logro reducir los efectos de FWM. Corning Inc introduce en
1994 las primeras fibras NZ-DSF con su producto SMF-LS fiber
EN 1988 se realiza una mejora a los primeros cables NZDSF y se disponen comercialmente
cables con área eficaz grande (Corning LEAF fiber). Aumentando el área eficaz del modo
de campo dentro de la fibra y de aqui, los efectos no lineales pueden reducirse. Los
beneficios técnicos son inmediatos: la capacidad del manejo de la potencia es más alta, el
ratio señal/ruido es mayor, y el espacio entre amplificadores es mayor
La Proxima revolución
Asi como los amplificadores de Erbium significarón un salto significativo hacia adelante
en las comunicaciones ópticas basado en fibra, se espera que el Scwitch óptico y
ruteadores ópticos son la chispa de una nueva revolución.
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