¿Cómo funciona la fibra óptica?

Cómo funciona la fibra óptica

Usted oye hablar de cables de fibra óptica cuando las personas hablan sobre el sistema telefónico , el sistema de televisión por cable o Internet.

Las líneas de fibra óptica son hebras de vidrio ópticamente puro, tan delgado como un cabello humano que transporta información digital a grandes distancias. También se utilizan en la imagen médica y la inspección de ingeniería mecánica.

Foto Pixabay

En este artículo, le mostraremos cómo estos pequeños filamentos de vidrio transmiten la luz y la forma fascinante en que se producen.

¿Qué son las fibras ópticas?

Las fibras ópticas (fibras ópticas) son hebras largas y delgadas de vidrio muy puro del diámetro de un cabello humano. Están dispuestos en paquetes llamados cables ópticos y se utilizan para transmitir señales de luz a largas distancias.

Si observa detenidamente una sola fibra óptica, verá que tiene las siguientes partes:

Núcleo : centro de vidrio delgado de la fibra por donde viaja la luz.
Revestimiento : material óptico exterior que rodea el núcleo que refleja la luz hacia el interior del núcleo
Recubrimiento de tampón: revestimiento de plástico que protege la fibra contra daños y humedad

Cientos o miles de estas fibras ópticas están dispuestas en paquetes en cables ópticos. Los paquetes están protegidos por la cubierta exterior del cable, llamada cubierta .

Las fibras ópticas vienen en dos tipos:

1. Fibras monomodo
2. Fibras multimodo

Las fibras monomodo tienen núcleos pequeños (aproximadamente 3.5 x 10 -4 pulgadas o 9 micrones de diámetro) y transmiten luz láser infrarroja (longitud de onda = 1,300 a 1,550 nanómetros).

Las fibras multimodo tienen núcleos más grandes (aproximadamente 2.5 x 10 -3 pulgadas o 62.5 micrones de diámetro) y transmiten luz infrarroja (longitud de onda = 850 a 1,300 nm) desde diodos emisores de luz (LED).

Algunas fibras ópticas pueden estar hechas de plástico . Estas fibras tienen un núcleo grande (0,04 pulgadas o 1 mm de diámetro) y transmiten luz roja visible (longitud de onda = 650 nm) desde los LED.

¿Cómo una fibra óptica transmite luz?

Supongamos que quieres hacer brillar una linterna en un pasillo largo y recto. Simplemente apunte la viga hacia el pasillo: la luz viaja en línea recta, por lo que no es un problema.

¿Qué pasa si el pasillo tiene una curva? Podría colocar un espejo en la curva para reflejar el haz de luz que rodea la esquina.

¿Qué pasa si el pasillo es muy sinuoso con múltiples curvas? Puede cubrir las paredes con espejos y inclinar la viga para que rebote de lado a lado a lo largo del pasillo. Esto es exactamente lo que sucede en una fibra óptica.

La luz en un cable de fibra óptica viaja a través del núcleo (pasillo) rebotando constantemente desde el revestimiento (paredes revestidas de espejo), un principio llamado reflexión interna total.

Debido a que el revestimiento no absorbe ninguna luz del núcleo, la onda de luz puede viajar grandes distancias.

Sin embargo, parte de la señal luminosa se degrada dentro de la fibra, principalmente debido a impurezas en el vidrio.

El grado en que la señal se degrada depende de la pureza del vidrio y de la longitud de onda de la luz transmitida (por ejemplo, 850 nm = 60 a 75 por ciento / km; 1,300 nm = 50 a 60 por ciento / km; 1,550 nm es mayor que 50 porcentaje / km).

Algunas fibras ópticas de primera calidad muestran una degradación de la señal mucho menor, menos del 10 por ciento / km a 1.550 nm.

Un sistema de relé de fibra óptica

Para comprender cómo se utilizan las fibras ópticas en los sistemas de comunicaciones, veamos un ejemplo de una película o documental de la Segunda Guerra Mundial en el que dos naves navales de una flota necesitan comunicarse entre sí mientras mantienen el silencio de la radio o en mares tormentosos.

Una nave se detiene junto a la otra. El capitán de un barco envía un mensaje a un marinero en cubierta.

El navegante traduce el mensaje a código Morse (puntos y guiones) y usa una luz de señal (un reflector con un obturador veneciano) para enviar el mensaje al otro barco. Un marinero en la cubierta del otro barco ve el mensaje del código Morse, lo decodifica en inglés y envía el mensaje al capitán.

Ahora, imagine que hace esto cuando los barcos están a ambos lados del océano separados por miles de millas y tiene un sistema de comunicación de fibra óptica en su lugar entre los dos barcos. Los sistemas de relé de fibra óptica consisten en lo siguiente:

Transmisor - Produce y codifica las señales luminosas.

Fibra óptica : conduce las señales de luz a una distancia
Regenerador óptico : puede ser necesario para aumentar la señal de luz (para distancias largas)

Receptor óptico - Recibe y decodifica las señales luminosas.

Transmisor
El transmisor es como el marinero en la cubierta del barco que envía. Recibe y dirige el dispositivo óptico para encender y apagar la luz en la secuencia correcta, generando así una señal de luz.

El transmisor está físicamente cerca de la fibra óptica e incluso puede tener una lente para enfocar la luz en la fibra.

Los láseres tienen más potencia que los LED, pero varían más con los cambios de temperatura y son más caros. Las longitudes de onda más comunes de las señales de luz son 850 nm, 1,300 nm y 1,550 nm (partes infrarrojas, no visibles del espectro ).

Regenerador óptico

Como se mencionó anteriormente, se produce cierta pérdida de señal cuando la luz se transmite a través de la fibra, especialmente en largas distancias (más de media milla, o aproximadamente 1 km), como con los cables submarinos.

Por lo tanto, uno o más regeneradores ópticos se empalman a lo largo del cable para aumentar las señales de luz degradadas.

Un regenerador óptico consiste en fibras ópticas con un recubrimiento especial ( dopaje ). La parte dopada se "bombea" con un láser. Cuando la señal degradada entra en el recubrimiento dopado, la energía del láser permite que las moléculas dopadas se conviertan en láseres.

Las moléculas dopadas emiten una nueva señal de luz más fuerte con las mismas características que la señal de luz débil entrante. Básicamente, el regenerador es un amplificador láser para la señal entrante.

Receptor óptico

El receptor óptico es como el marinero en la cubierta de la nave receptora. Toma las señales luminosas digitales entrantes, las decodifica y envía la señal eléctrica a la computadora , TV o teléfono del otro usuario (el capitán del barco receptor). El receptor utiliza una fotocélula o fotodiodo para detectar la luz.

Ventajas de la fibra óptica

¿Por qué los sistemas de fibra óptica están revolucionando las telecomunicaciones? En comparación con el alambre de metal convencional (alambre de cobre), las fibras ópticas son:

Menos costoso : varias millas de cable óptico pueden ser más baratas que las longitudes equivalentes de cable de cobre. Esto ahorra su proveedor (televisión por cable, Internet) y su dinero.

Diluyente : las fibras ópticas se pueden dibujar en diámetros más pequeños que el alambre de cobre.

Mayor capacidad de carga : como las fibras ópticas son más delgadas que los cables de cobre, se pueden agrupar más fibras en un cable de diámetro dado que los cables de cobre.

Esto permite que más líneas telefónicas pasen por el mismo cable o que más canales pasen por el cable a su caja de TV por cable.

Menos degradación de la señal : la pérdida de señal en la fibra óptica es menor que en el cable de cobre.

Señales luminosas- A diferencia de las señales eléctricas en los cables de cobre, las señales de luz de una fibra no interfieren con las de otras fibras en el mismo cable.

Esto significa conversaciones telefónicas más claras o recepción de TV. Baja potencia : debido a que las señales en las fibras ópticas se degradan menos, se pueden usar transmisores de menor potencia en lugar de los transmisores eléctricos de alto voltaje necesarios para los cables de cobre.

Una vez más, esto le ahorra a su proveedor y usted dinero. Señales digitales : las fibras ópticas son ideales para transportar información digital, lo cual es especialmente útil en redes de computadoras.

No inflamable : debido a que no pasa electricidad a través de las fibras ópticas, no existe riesgo de incendio.

Ligero- Un cable óptico pesa menos que un cable de cobre comparable. Los cables de fibra óptica ocupan menos espacio en el suelo.

Flexible : como la fibra óptica es muy flexible y puede transmitir y recibir luz, se utilizan en muchas cámaras digitales flexibles para los siguientes fines:

1. Imagen médica - en broncoscopios, endoscopios, laparoscopios
2. Imágenes mecánicas : inspección de soldaduras mecánicas en tuberías y motores (en aviones , cohetes , transbordadores espaciales , automóviles )

Fontanería - para inspeccionar líneas de alcantarillado.
Debido a estas ventajas, usted ve la fibra óptica en muchas industrias, especialmente en telecomunicaciones y redes de computadoras.

Por ejemplo, si llama a Europa desde los Estados Unidos (o viceversa) y la señal se rebota desde un satélite de comunicaciones , a menudo oirá un eco en la línea. Pero con los cables de fibra óptica transatlánticos, tiene una conexión directa sin ecos.

¿Cómo se hacen las fibras ópticas?

Ahora que sabemos cómo funcionan los sistemas de fibra óptica y por qué son útiles, ¿cómo los hacen? Las fibras ópticas están hechas de vidrio óptico extremadamente puro.

Pensamos en una ventana de vidrio como transparente, pero cuanto más grueso se vuelve el vidrio, menos transparente se vuelve debido a las impurezas en el vidrio.

Sin embargo, el vidrio en una fibra óptica tiene muchas menos impurezas que el vidrio de la ventana.

La descripción de la calidad del vidrio por parte de una compañía es la siguiente: si estuviera en la cima de un océano que está a millas de vidrio de fibra óptica de núcleo sólido, podría ver claramente el fondo.

La fabricación de fibras ópticas requiere los siguientes pasos:

1. Hacer un cilindro de vidrio de preformas.
2. Dibujando las fibras de la preforma.
3. Probando las fibras
4. Haciendo la preforma en blanco
5. El vidrio para la preforma se fabrica mediante un proceso llamado deposición de vapor químico modificado (MCVD).

En MCVD, el oxígeno se burbujea a través de soluciones de cloruro de silicio (SiCl4), cloruro de germanio (GeCl4) y / u otros productos químicos.

La mezcla precisa gobierna las diversas propiedades físicas y ópticas (índice de refracción, coeficiente de expansión, punto de fusión, etc.).

Luego, los vapores de gas se conducen al interior de un tubo de sílice sintética o de cuarzo (revestimiento) en un torno especial. A medida que gira el torno, una antorcha se mueve hacia arriba y hacia abajo por el exterior del tubo. El calor extremo de la antorcha hace que ocurran dos cosas:

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

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

El torno gira continuamente para hacer un recubrimiento uniforme y un blanco consistente. La pureza del vidrio se mantiene utilizando plástico resistente a la corrosión en el sistema de suministro de gas (bloques de válvulas, tuberías, sellos) y controlando con precisión el flujo y la composición de la mezcla.

El proceso de hacer la preforma en blanco es altamente automatizado y toma varias horas. Después de que la pieza preformada se enfríe, se prueba para el control de calidad ( índice de refracción ).

Dibujo de fibras del preforma en blanco

Una vez que se ha probado el blanco de la preforma, se carga en una torre de dibujo de fibra .

La pieza en bruto desciende a un horno de grafito (3,452 a 3,992 grados Fahrenheit o 1,900 a 2,200 grados Celsius) y la punta se derrite hasta que un globo fundido cae por gravedad . A medida que cae, se enfría y forma un hilo.

El operador pasa la hebra a través de una serie de copas de recubrimiento (recubrimientos de protección) y hornos de curado por luz ultravioleta en un carrete controlado por un tractor.

El mecanismo del tractor retira lentamente la fibra de la pieza preformada calentada y se controla con precisión mediante un micrómetro láser para medir el diámetro de la fibra y devolver la información al mecanismo del tractor.

Las fibras se extraen de la pieza en bruto a una velocidad de 33 a 66 pies / s (10 a 20 m / s) y el producto terminado se enrolla en el carrete. No es raro que los carretes contengan más de 1.4 millas (2.2 km) de fibra óptica.

Prueba de la fibra óptica terminada
La fibra óptica terminada se prueba para lo siguiente:

Bobina acabada de fibra óptica.
Resistencia a la tracción : debe soportar 100,000 lb / en 2 o más

Perfil de índice de refracción : determine la apertura numérica y la pantalla para defectos ópticos
Geometría de la fibra: el diámetro del núcleo, las dimensiones del revestimiento y el diámetro del revestimiento son uniformes

Atenuación : determine en qué medida las señales luminosas de varias longitudes de onda se degradan con la distancia

Capacidad de transporte de información (ancho de banda): número de señales que pueden transmitirse a la vez (fibras multimodo)
Dispersión cromática : propagación de varias longitudes de onda de la luz a través del núcleo (importante para el ancho de banda)
Temperatura de funcionamiento / rango de humedad
Dependencia de la temperatura de atenuación

Capacidad para conducir luz bajo el agua - Importante para cables submarinos
Una vez que las fibras han pasado el control de calidad, se venden a compañías telefónicas, compañías de cable y proveedores de redes.

Muchas compañías están actualmente reemplazando sus viejos sistemas basados ​​en alambre de cobre con nuevos sistemas basados ​​en fibra óptica para mejorar la velocidad, la capacidad y la claridad.

Física de la reflexión interna total

Cuando la luz pasa de un medio con un índice de refracción (m1) a otro medio con un índice de refracción más bajo (m2), se dobla o se refracta lejos de una línea imaginaria perpendicular a la superficie ( línea normal ).

A medida que el ángulo del haz a través de m1 se hace mayor con respecto a la línea normal, la luz refractada a través de m2 se inclina más lejos de la línea.

En un ángulo particular (ángulo crítico ), la luz refractada no entrará en m2, sino que viajará a lo largo de la superficie entre los dos medios ( seno [ángulo crítico] = n2 / n1 donde n1 y n2 son los índices de refracción [n1 es mayor que n2]). Si el haz a través de m1 es mayor que el ángulo crítico, entonces el haz refractado se reflejará completamente de nuevo en m1 (reflexión interna total), ¡aunque el m2 puede ser transparente!

En física, el ángulo crítico se describe con respecto a la línea normal. En fibra óptica, el ángulo crítico se describe con respecto al eje paralelo que se extiende por el centro de la fibra. Por lo tanto, el ángulo crítico de fibra óptica = (90 grados - ángulo crítico de física).

En una fibra óptica, la luz viaja a través del núcleo (m1, alto índice de refracción) al reflejarse constantemente desde el revestimiento (m2, menor índice de refracción) porque el ángulo de la luz es siempre mayor que el ángulo crítico. La luz se refleja en el revestimiento, sin importar en qué ángulo se doble la fibra, ¡incluso si es un círculo completo!

Debido a que el revestimiento no absorbe ninguna luz del núcleo, la onda de luz puede viajar grandes distancias. Sin embargo, parte de la señal luminosa se degrada dentro de la fibra, principalmente debido a impurezas en el vidrio.

El grado en que la señal se degrada depende de la pureza del vidrio y de la longitud de onda de la luz transmitida (por ejemplo, 850 nm = 60 a 75 por ciento / km; 1,300 nm = 50 a 60 por ciento / km; 1,550 nm es mayor que 50 porcentaje / km).

Algunas fibras ópticas premium muestran una degradación de la señal mucho menor, menos del 10 por ciento / km a 1.550 nm.

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