HISTORIA DE LA FIBRA ÓPTICA (III): Transmisión
En las entradas anteriores dedicadas a la fibra óptica hemos hablado de los diversos descubrimientos e inventos que hicieron posible finalmente la comunicación por fibra óptica: desde los iniciales estudios sobre la luz hasta la invención del láser y la construcción de la fibra óptica. Con el láser conseguimos un perfecto “mensajero” que transportará la información y con la fibra óptica construimos una “autopista” por la que pudiese viajar. Ahora explicaremos brevemente como se consigue que el mensaje llegue a su destino.
Comunicación a la velocidad de la luz
En las redes de datos la información viaja en forma de impulsos eléctricos. Para poder ser enviados por fibra óptica, la energía eléctrica ha de ser transformada en energía lumínica. Para ello se utiliza un dispositivo llamado foto-emisor que cumple esta función. Del mismo modo, en la recepción, un foto-detector realiza el procedimiento inverso. En los inicios de la comunicación por fibra óptica se utilizaba el láser como fuente de luz del foto-emisor, ya que ofrecía luz de frecuencia y fase estables y con un nivel de energía elevado. Con la invención del diodo emisor de luz o LED, este empezó a utilizarse también como foto-emisor, y aunque no tiene las altas prestaciones del láser en contrapartida tiene una vida útil más larga y son mucho más económicos.
Para que la luz viaje por la fibra utilizamos una de las propiedades intrínsecas de la luz llamada “reflexión”. Gracias a ella cuando un rayo de luz choca contra una superficie transparente, una parte se refleja y otra se refracta. Usando palabras más comunes, podríamos decir que una parte de la luz “traspasa” (refracta) la superficie y otra parte “rebota” (refleja) contra esta superficie. La cantidad de luz que se refleja depende tanto del ángulo de incidencia como del material de la superficie reflectante y reflectora.
Reflexión y Refracción
En el caso de la fibra óptica, la superficie reflectante que envuelve el núcleo por donde viaja la luz se le llama recubrimiento y tiene un índice de refracción tal que al aplicar la luz con un ángulo de incidencia determinado se consigue que se refleje totalmente. De esta forma, la luz va avanzando y “rebotando” sobre las paredes del recubrimiento y conseguimos que “se propague” por el núcleo y llegue finalmente a su destino. Aun así, debido a los efectos de dispersión y atenuación, la señal va perdiendo energía y ha de ser regenerada cada cierta cantidad de kilómetros.
Ángulo de Incidencia e Índice de Refracción de la luz en el núcleo de la fibra
Las ventanas de trabajo
Ya tenemos la luz viajando a su destino de una forma un tanto “movida”. Ahora hemos de encargarnos de que transporte la información. Para ello aprovechamos una parte de la banda de infrarrojos de la luz, concretamente el margen entre los 750 nm y los 1650 nm (nm = nanometro = una mil millonésima parte de un metro) del espectro radioeléctrico. Se El uso de esta banda viene determinado porque está comprobado experimentalmente que estas zonas son de baja atenuación (échale un vistazo a la siguiente figura). La longitud de onda central que se utiliza para transmitir la información se le llama “ventana de trabajo”. Las ventanas más utilizadas son la de 850 nm (primera ventana), 1310 nm (segunda ventana) y 1550 nm (tercera ventana). La tercera ventana se divide en tres bandas, banda S, banda C y banda L.
Relación de Ventana de trabajo y Atenuación
Las primeras transmisiones en fibra óptica se realizaron a 850 nm, con una atenuación de 2,5 dB/km. A medida que la tecnología fue perfeccionándose se consiguió transmitir a mayor longitud de onda, primero a 1310 nm (atenuación 0,4 dB/km) y posteriormente a 1550 nm (0,2 dB/km). Como se puede ver, las perdidas por transmisión disminuyen a medida que aumenta la longitud de onda. Más allá de la tercera ventana vuelven a aumentar las pérdidas por efectos colaterales del material del que está hecho la fibra (silicio), pero ya se está investigando en el desarrollo de nuevos tipos de fibras que puedan trabajar en una cuarta ventana.
Utilizar una determinada ventana viene dado por el uso que se le vaya dar a la fibra. La tecnología del equipo óptico de transmisión para transmitir en la primera ventana es más sencilla y por tanto más barata que en las siguientes ventanas. Se ha de buscar la mejor relación entre las prestaciones de transmisión necesarias y el coste económico a realizar.
Multiplexando
En la década de los 90 tuvo lugar un increíble aumento en el tráfico de datos (TV digital, voz, datos, telefonía móvil y uso popularizado de Internet) y como consecuencia una mayor demanda en la capacidad de las comunicaciones, tanto en términos de velocidad como en cobertura geográfica. La fibras óptica en el campo de las comunicaciones se había empezado a aplicar en telefonía de voz, pero rápidamente pasó a estar total o parcialmente presente en cualquier sistema de comunicación.
Para aumentar la capacidad de las infraestructuras ya existentes, se empezaron a aplicar técnicas de multiplexado. Esta técnica permite combinar múltiples longitudes de onda en una sola señal óptica sin mutua interferencia, donde cada longitud de onda representa un canal óptico dentro de la fibra. La técnica de multiplexado que se utiliza en fibra óptica se conoce como WDM (wave-division multiplexing; multiplexación por división de onda). Con esta técnica se pudo incrementar la capacidad de transmisión de la fibra óptica en un terabit por segundo (1012 b/s).
Diagrama de Técnica de Multiplexado DWDM
Las técnicas de multiplexado se han ido perfeccionando para aumentar progresivamente la capacidad de transmisión. La única tecnología que puede afrontar la demanda actual es el multiplexado denso en longitud de onda (DWDM) basado en el WDM. Otra tecnología basada en WDM es el multiplexado por división aproximada de longitud de onda (CWDM) que se caracteriza por un espaciado más amplio de canales que la división densa de longitud de onda (DWDM). Los sistemas CWDM son más rentables para las aplicaciones en redes metropolitanas.
Futuro
Actualmente, en el ámbito experimental, se están llevando a cabo ensayos de sistemas de enlaces ópticos a decenas de Tb/s a distancias de miles de kilómetros utilizando láseres solitones, fibras especiales que reducen los efectos no lineales, nuevos amplificadores ópticos y por supuesto técnicas WDM (ultraDWDM). La tendencia, forzada por la necesidad de aumentar al máximo la capacidad de transmisión, es la de utilizar cada vez mayor parte del espectro óptico. En este sentido ya se están fabricando fibras ópticas que minimizan las pérdidas debidas a la absorción de las moléculas de agua en el entorno de 1470 nm de manera que también sea posible utilizar esta banda (quinta ventana).
De hecho en la actualidad la banda utilizada por las fibras ópticas está creciendo para poder cubrir las exigencias del crecimiento continuado de demanda. Muy posiblemente en un futuro habrá que saltar a zonas del espectro electromagnético con mucha mayor capacidad de transmisión, hacia las longitudes de onda inferiores a la luz visible (ultravioleta, rayos X…), lo cual permitiría dar un salto astronómico en cuanto a la capacidad de transmisión. Las fibras actuales no permiten la transmisión de estas longitudes de onda puesto que las pérdidas serían altísimas a estas longitudes. Quizás en el futuro se descubran nuevos materiales que puedan conducir esa radiación.
En la próxima entrada dejaremos la teoría y hablaremos sobre los aspectos más prácticos de la fibra óptica: instalación, medición y mantenimiento.
