Fibra óptica para niños

La fibra óptica es un hilo muy delgado y flexible, hecho de vidrio (como el que se usa en las ventanas, pero mucho más puro) o plástico. Es tan delgada como un cabello humano. Su principal uso es transmitir luz de un lugar a otro.

Se usa mucho en las comunicaciones, como el internet que llega a tu casa, porque puede enviar información a distancias muy largas y a una velocidad mucho mayor que los cables eléctricos. La luz viaja por la fibra con muy poca pérdida de señal, y además, no le afectan las interferencias de la electricidad, algo que sí les pasa a los cables de metal.

Las fibras ópticas también se usan para iluminar lugares o para ver imágenes en sitios difíciles de alcanzar, como dentro del cuerpo humano con un fibroscopio. Algunas fibras especiales se usan como sensores o para crear láseres.

Normalmente, una fibra óptica tiene un centro llamado núcleo y está rodeada por una capa transparente llamada revestimiento. La luz se mantiene dentro del núcleo gracias a un fenómeno llamado reflexión interna total, que hace que la luz rebote una y otra vez sin salirse, como si la fibra fuera un túnel de luz.

Existen dos tipos principales de fibras:

• Fibras multimodo: Permiten que la luz viaje por varios caminos diferentes. Son buenas para distancias cortas y para aplicaciones que necesitan mucha potencia de luz.
• Fibras monomodo: Solo permiten que la luz viaje por un único camino. Se usan para distancias muy largas, como más de 1000 metros.

Unir fibras ópticas es un proceso delicado. Es más complicado que unir cables eléctricos. Se necesita mucha precisión para alinear los centros de las fibras. Para conexiones permanentes, se usa una técnica llamada empalme por fusión, donde se calientan los extremos de las fibras con un arco eléctrico para unirlas. Para conexiones temporales, se usan conectores especiales.

La ciencia y la ingeniería que estudian y aplican las fibras ópticas se llama óptica de fibras. El físico Narinder Singh Kapany es considerado el padre de este campo.

Historia de la Fibra Óptica

Primeros pasos en la transmisión de luz

Desde la antigüedad, la gente ha buscado formas de enviar mensajes usando la luz. Los antiguos griegos usaban espejos para transmitir información con la luz del sol. En 1792, un sistema de telegrafía óptica usaba torres y espejos para enviar mensajes a 200 kilómetros de distancia en solo 16 minutos.

Aunque las ideas sobre cómo la luz se comporta dentro del cristal se conocían desde 1820, no fue hasta 1910 que se pensó en usar "cables de vidrio" para esto.

El principio de que la luz puede quedarse atrapada y guiarse dentro de un material transparente fue demostrado por Jean-Daniel Colladon y Jacques Babinet en París en la década de 1840. Más tarde, en 1870, el físico inglés John Tyndall mostró que la luz podía viajar dentro del agua, curvándose por reflexión interna. Esto llevó a la idea de usar el cristal para transmitir luz a largas distancias.

Avances clave en el siglo XX

A pesar de estos descubrimientos, las primeras técnicas y materiales no eran muy eficientes. La luz perdía mucha intensidad al viajar por el cristal. No fue hasta 1950 que las fibras ópticas empezaron a interesar a los investigadores. En 1952, Narinder Singh Kapany, basándose en los estudios de John Tyndall, realizó experimentos que llevaron a la invención de la fibra óptica moderna.

Uno de los primeros usos prácticos fue en el endoscopio, un instrumento médico que permite ver dentro del cuerpo. En 1956, se patentó un endoscopio semiflexible que usaba fibras con un revestimiento especial. Sin embargo, la luz aún perdía mucha intensidad, hasta el 99% en solo 9 metros.

En 1966, los investigadores Charles K. Kao y George Hockham propusieron que se podían fabricar fibras de vidrio mucho más transparentes y que la luz, en lugar de la electricidad, podría usarse para enviar mensajes telefónicos. Demostraron que las grandes pérdidas de señal se debían a pequeñas impurezas en el cristal. Esto impulsó la fabricación de nuevas fibras con mucha menos pérdida de señal.

En 1970, Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schultz y Frank Zimar, de Corning Glass, crearon la primera fibra óptica con una claridad cristalina, aunque todavía tenía algunas pérdidas. Durante esa década, las técnicas de fabricación mejoraron mucho, reduciendo las pérdidas a niveles muy bajos.

El 22 de abril de 1977, se realizó la primera transmisión telefónica a través de fibra óptica en Long Beach, California.

Un invento importante que ayudó a usar la fibra óptica en conexiones entre ciudades fue el amplificador óptico, creado por David N. Payne y Emmanuel Desurvire en 1988.

En 1980, las fibras eran tan transparentes que una señal podía viajar 240 kilómetros antes de debilitarse. Se descubrió que el cristal de sílice puro se podía fabricar directamente a partir de vapores, evitando la contaminación.

Ese mismo año, en Estados Unidos, se propuso un sistema de 978 kilómetros para conectar ciudades importantes. Cuatro años después, este sistema, con un cable de menos de 25 centímetros de diámetro, podía manejar 80,000 llamadas telefónicas al mismo tiempo. La longitud total de los cables de fibra óptica en Estados Unidos ya alcanzaba los 400,000 kilómetros.

El primer cable transoceánico de fibra óptica, el TAT-8, empezó a funcionar en 1988. Usaba un cristal tan transparente que los amplificadores de señal solo se necesitaban cada 64 kilómetros. Desde entonces, la fibra óptica se ha usado en muchísimas conexiones transoceánicas y entre ciudades, y cada vez llega a más usuarios finales.

Hoy en día, la fibra óptica es preferida sobre el cable de cobre por sus mínimas pérdidas de señal, su gran capacidad para transmitir datos y su menor peso y tamaño.

¿Cómo se fabrica la fibra óptica?

La fabricación de la fibra óptica es un proceso complejo que se realiza en varias etapas. Primero, se crea una "preforma", que es un cilindro de vidrio muy puro. Luego, esta preforma se estira para formar la fibra delgada.

Creación de la preforma

Existen varios métodos para crear la preforma:

• M.C.V.D (Modified Chemical Vapor Deposition): Se usa un tubo de cuarzo puro y se depositan capas de dióxido de silicio y otros materiales en su interior mientras se calienta y gira. Esto forma el núcleo de la fibra. Luego, el tubo se calienta aún más para que se convierta en un cilindro sólido.
• V.A.D (Vapor Axial Deposition): En este método, se depositan tanto el núcleo como el revestimiento de la fibra. Permite obtener preformas más grandes y largas, pero requiere equipos más sofisticados.
• O.V.D (Outside Vapor Deposition): Se calienta una varilla de cerámica y se depositan los materiales sobre ella. Este método permite fabricar fibras de muy alta calidad y con muy poca pérdida de señal.
• P.C.V.D (Plasma Chemical Vapor Deposition): Desarrollado por Philips, este método usa plasma para oxidar los materiales y depositarlos, creando perfiles muy suaves.

Estiramiento de la preforma

Una vez que la preforma está lista, se calienta en un horno a unos 2000 °C para ablandar el cuarzo. Mientras se calienta, se aplica una tensión para estirar la preforma y convertirla en una fibra muy delgada, manteniendo un diámetro constante. Es crucial que el horno esté muy limpio para evitar que la fibra se contamine o se rompa. Durante este proceso, se aplica una capa de polímero protector a la fibra para hacerla más resistente y flexible.

Aplicaciones de la Fibra Óptica

La fibra óptica tiene muchos usos, desde las comunicaciones hasta la decoración.

Comunicaciones con fibra óptica

Es el uso más conocido. La fibra óptica es el medio principal para transmitir datos en las redes de telecomunicaciones. Los cables de fibra óptica, que pueden ser de vidrio o plástico, se agrupan para formar cables. Las fibras de vidrio se usan para distancias largas debido a su baja pérdida de señal.

Sensores de fibra óptica

Las fibras ópticas pueden funcionar como sensores para medir cosas como la temperatura, la presión, la humedad, las vibraciones o los campos eléctricos y magnéticos. Son muy útiles porque son pequeñas y no conducen electricidad, lo que las hace seguras en ciertos entornos.

Se usan como hidrófonos (micrófonos submarinos) para detectar sismos o en aplicaciones de sonar, incluso en la industria petrolera y en las marinas de guerra. También hay sensores de fibra óptica para medir la temperatura y presión en pozos petrolíferos, donde los sensores electrónicos no podrían funcionar por el calor. Los giróscopos de fibra óptica se usan en aviones.

Iluminación con fibra óptica

La fibra óptica también se usa para iluminar espacios. Sus ventajas son:

• Ausencia de electricidad y calor: La fibra solo transmite luz, no electricidad ni calor, lo que la hace segura.
• Cambio de color fácil: Se puede cambiar el color de la luz sin cambiar la lámpara, ya que la fibra transporta cualquier color.
• Iluminación amplia con una sola lámpara: Una sola lámpara puede iluminar varias fibras, que se pueden colocar en diferentes lugares.

Otros usos de la fibra óptica

• Guía de onda: Para guiar un haz de luz a un objetivo que no está a la vista, como en medicina o industria.
• Endoscopios: Instrumentos médicos e industriales para ver dentro de objetos o el cuerpo a través de pequeños agujeros.
• Decoración: En árboles de Navidad, veladores y otros elementos decorativos.
• Edificios: Para recoger luz solar en el tejado y distribuirla por todo el edificio.
• Hormigón translúcido: Un material de construcción que combina hormigón y fibra óptica, permitiendo que la luz lo atraviese.

Características de la Fibra Óptica

Núcleo y revestimiento de la fibra óptica.

Una fibra óptica es como una guía para la luz. Tiene un núcleo central de vidrio o plástico con un alto índice de refracción, rodeado por una capa de material similar con un índice de refracción ligeramente menor.

¿Cómo funciona la fibra óptica?

La luz viaja por el núcleo de la fibra rebotando constantemente en las paredes internas. Esto sucede porque el material del núcleo tiene un índice de refracción mayor que el revestimiento, y la luz incide con un ángulo que provoca la reflexión interna total. Así, la luz se guía sin salirse y sin perder mucha intensidad a lo largo de grandes distancias.

Representación de dos rayos de luz propagándose dentro de una fibra óptica. En esta imagen se percibe el fenómeno de reflexión total en el haz de luz "a".

Ventajas de la fibra óptica

• Gran capacidad: Puede transmitir muchísima información a la vez (decenas de Gigabits por segundo).
• Tamaño y peso reducidos: Ocupa poco espacio y es muy ligera, mucho menos que los cables de cobre.
• Inmunidad a interferencias: No le afectan las señales electromagnéticas externas, lo que asegura una transmisión de muy buena calidad.
• Seguridad: Es difícil interceptar la señal sin ser detectado, lo que es importante para la confidencialidad.
• Baja atenuación: La señal se debilita muy poco, permitiendo cubrir grandes distancias sin necesidad de amplificadores. Puede llegar hasta 70 km sin regenerar la señal, y hasta 150 km con amplificadores láser.
• Resistencia: Es resistente al calor, frío, corrosión y tiene buena resistencia mecánica.
• Fácil localización de fallos: Si hay un corte, es relativamente fácil encontrar el lugar para repararlo.

Desventajas de la fibra óptica

A pesar de sus muchas ventajas, la fibra óptica también tiene algunos puntos débiles:

• Fragilidad: Las fibras son delicadas y pueden romperse.
• Costo: Los equipos para transmitir y recibir la luz suelen ser más caros.
• Dificultad en los empalmes: Unir fibras es complicado y requiere precisión, lo que dificulta las reparaciones en el campo.
• No transmite electricidad: No puede alimentar dispositivos intermedios, que necesitan su propia fuente de energía.
• No hay memorias ópticas: La información no se puede almacenar directamente en forma de luz.
• Sensibilidad al agua: El agua puede corroer la superficie del vidrio y afectar la fibra con el tiempo.

Tipos de Fibra Óptica

Las diferentes formas en que la luz puede viajar dentro de una fibra se llaman "modos de propagación". Según estos modos, hay dos tipos principales:

Tipos de fibra óptica.

Fibra multimodo

En una fibra multimodo, los haces de luz pueden tomar varios caminos o modos. Esto significa que no todos los rayos de luz llegan al mismo tiempo, lo que puede causar una ligera "dispersión" de la señal. Se usa para distancias cortas, generalmente menos de 2 kilómetros, y es más fácil de instalar y más económica.

El núcleo de una fibra multimodo es más grande, lo que facilita su conexión. Hay dos tipos según cómo cambia el índice de refracción en el núcleo:

• Índice escalonado: El índice de refracción es constante en todo el núcleo.
• Índice gradual: El índice de refracción cambia gradualmente, lo que ayuda a reducir la dispersión de la luz.

Las fibras multimodo se clasifican según su ancho de banda y el tipo de emisor de luz que usan (LED o láser):

• OM1: Fibra de 62.5/125 µm, para Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usa LEDs.
• OM2: Fibra de 50/125 µm, para Gigabit Ethernet (1 Gbit/s), usa LEDs.
• OM3: Fibra de 50/125 µm, para 10 Gigabit Ethernet (hasta 300 m), usa láseres (VCSEL).
• OM4: Fibra de 50/125 µm, para 40 Gigabit Ethernet (hasta 150 m) y 100 Gigabit Ethernet (hasta 100 m), usa láseres (VCSEL).
• OM5: Fibra de 50/125 µm, para 40 Gigabit Ethernet (hasta 440 m) y 100 Gigabit Ethernet (hasta 150 m), usa láseres (VCSEL).

Fibra monomodo

Una fibra monomodo es aquella en la que solo un modo de luz puede propagarse. Esto se logra haciendo el diámetro del núcleo muy pequeño (entre 8.3 y 10 micrones). La luz viaja de forma paralela al eje de la fibra. A diferencia de las fibras multimodo, las monomodo pueden alcanzar distancias mucho mayores (hasta 400 km con láseres de alta intensidad) y transmitir una cantidad enorme de información (10 Gbit/s o más).

Tipos de Cables de Fibra Óptica según su Diseño

Los cables de fibra óptica se diseñan de diferentes maneras según su uso.

Cable de estructura holgada

Este tipo de cable se usa tanto en exteriores como en interiores. Contiene varios tubos que rodean un elemento central de refuerzo. Dentro de cada tubo, hay varias fibras ópticas que "descansan" holgadamente. Los tubos pueden estar vacíos o llenos de un gel que protege contra la humedad. Esta estructura protege las fibras de las fuerzas mecánicas externas.

Cable de estructura ajustada

Diseñado para instalaciones dentro de edificios, es más flexible y se puede curvar más que el cable de estructura holgada. Cada fibra tiene una protección plástica directamente sobre ella, lo que le da soporte físico y facilita su instalación.

Componentes de la Fibra Óptica

Además de la fibra en sí, un sistema de fibra óptica incluye otros componentes importantes:

Transmisores de luz

Estos dispositivos convierten la señal eléctrica en una señal luminosa. Los más comunes son:

• LEDs (Diodos Emisores de Luz): Son económicos, fáciles de usar y tienen una vida útil muy larga. Se usan principalmente con fibras multimodo y son más lentos.
• Láseres: Son mucho más rápidos y se pueden usar con fibras monomodo y multimodo. Aunque su circuito es más complejo y suelen ser más caros, hoy en día hay opciones de buen precio y alto rendimiento.

Conversores luz-corriente eléctrica

Estos dispositivos, llamados fotodetectores, hacen lo contrario: convierten la señal luminosa que llega por la fibra en una señal eléctrica. Los más comunes son:

• Detectores PIN: Se usan en sistemas donde es fácil distinguir los niveles de luz y para distancias cortas.
• Detectores APD (Fotodiodos de Avalancha): Son más sensibles y pueden amplificar la señal de luz. Se usan para detectar señales ópticas muy débiles.

Tipos de pulido de los conectores

Los extremos de las fibras necesitan un acabado especial para conectarse correctamente. Algunos tipos de pulido son:

• Plano: Los extremos son planos y perpendiculares al eje de la fibra.
• PC (Physical Contact): Los extremos son convexos para que los núcleos de las fibras hagan contacto directo.
• UPC (Ultra PC): Una mejora del PC con un acabado aún más fino y menos pérdidas.
• APC (Angled PC): Similar al UPC, pero con el plano de corte ligeramente inclinado.

Tipos de conectores

Tipos de conectores de la fibra óptica.

Estos elementos unen las fibras a otros dispositivos. Algunos tipos comunes son:

• FC: Usado en transmisión de datos y telecomunicaciones.
• LC y MT-Array: Para transmisiones de alta densidad de datos.
• SC y SC-Dúplex: Usados para transmisión de datos.
• ST o BFOC: Usado en redes de edificios y sistemas de seguridad.

Cables de Fibra Óptica

Sección de un cable de fibra óptica.

Conectores de cable de fibra óptica tipo ST.

Un cable de fibra óptica está formado por varias fibras ópticas que transmiten señales de luz, junto con hilos de aramida que le dan resistencia.

Los cables de fibra óptica son una alternativa a los cables coaxiales en la electrónica y las telecomunicaciones. Un cable con 8 fibras ópticas es mucho más pequeño que los cables tradicionales y puede manejar la misma cantidad de comunicaciones que muchos cables de cobre, pero a distancias mucho mayores entre repetidores.

Además, los cables de fibra óptica son mucho más ligeros que los coaxiales. Una bobina de cable de ocho fibras puede pesar unos 30 kg por kilómetro, lo que permite instalar tramos de 2 a 4 kilómetros de una sola vez, mientras que con cables de cobre, las distancias prácticas son mucho menores.

Funciones del cable

El cable protege las fibras ópticas de daños y roturas durante la instalación y a lo largo de su vida útil. También le da la resistencia mecánica necesaria para soportar la tracción, compresión y torsión, e incluye elementos de refuerzo y aislamiento contra el exterior.

Instalación y mantenimiento

Durante la instalación, es importante no aplicar demasiada tensión al cable para evitar que se rompa y asegurar que dure unos 20 años.

Las técnicas para unir cables de fibra óptica (empalmes) incluyen:

• Empalme mecánico: Las fibras se mantienen en contacto por fuerza mecánica.
• Empalme por fusión de arco eléctrico: Los extremos de las fibras se funden con un arco eléctrico para unirlas, logrando muy pocas pérdidas de señal.

Elementos y diseño del cable de fibra óptica

La estructura de un cable de fibra óptica varía según su función, pero todos tienen elementos comunes:

• Revestimiento secundario: Una capa protectora alrededor de la fibra. Puede ser "ceñido" (en contacto directo con la fibra) o "holgado" (con un tubo hueco o relleno de gel para proteger la fibra de vibraciones, cambios de temperatura y humedad).
• Elementos estructurales: Proporcionan el centro alrededor del cual se organizan las fibras.
• Elementos de refuerzo: Soportan la tensión para que las fibras no se estiren demasiado. Suelen ser de acero, Kevlar o fibra de vidrio.
• Funda exterior: Generalmente de plástico, protege el cable de la temperatura, humedad, fuego y golpes. Su composición varía según dónde se instale el cable (subterráneo, aéreo, submarino).

Pérdida de señal en los cables de fibra óptica

La pérdida de potencia de la luz a medida que viaja por la fibra se llama "atenuación". Se mide en decibelios (dB). Las fibras multimodo suelen tener mayores pérdidas porque la luz se dispersa más debido a las impurezas. Las principales causas de pérdida son:

• Pérdidas por absorción: Ocurre cuando las impurezas en la fibra absorben la luz y la convierten en calor.
• Pérdida de Rayleigh: Pequeñas irregularidades en la fibra causan que la luz se difracte en diferentes direcciones.
• Dispersión cromática: Diferentes colores de luz viajan a velocidades ligeramente distintas, haciendo que no lleguen al mismo tiempo.
• Pérdidas por radiación: Ocurren cuando la fibra se dobla o tiene cambios bruscos en su trayectoria.
• Dispersión modal: Diferencias en los tiempos de viaje de los rayos de luz en fibras multimodo.
• Pérdidas por acoplamiento: Se dan en las uniones de las fibras debido a problemas de alineación.

Conectores Comunes

Los conectores más usados en redes de área local para fibra óptica son:

• SC (Set and Connect): Se inserta directamente, común en conmutadores Ethernet de tipo Gigabit.
• ST (Set and Twist): Similar al SC, pero requiere un giro para insertarlo.

Tipos de Dispersión

La dispersión es una propiedad de las fibras ópticas que afecta el ancho de banda y la claridad de la señal.

• Dispersión intermodal (o modal): Causada por la diferencia en los tiempos de viaje de los rayos de luz que toman diferentes caminos en una fibra. Solo afecta a las fibras multimodo.
• Dispersión cromática del material: Diferentes longitudes de onda de luz viajan a distintas velocidades a través del material de la fibra.
• Dispersión cromática de la guía de onda: Relacionada con la forma en que la luz se guía por la fibra. Generalmente es menor que la dispersión del material.

Véase también

En inglés: Optical fiber Facts for Kids

• Amplificador óptico
• Terminal de red óptico
• DWDM
• Medición de temperatura por fibra óptica
• Red óptica síncrona
• Red Óptica Sincrona SONET
• Canal de fibra
• Fibra óptica plástica
• Fibra óptica multimodo
• Comunicación por fibra óptica
• Red óptica pasiva