La fibra Óptica Hoy

Escrito por freddy ortiz magallanes ,Setiembre 2011

Algunos años después que el primer laser se mostrará alla por el año 1960; ocurre otro evento que impulsa el desarrollo de la fotónica. Dos ingenieros jovenes investigadores de la Standard Telecommunications Laboratories en Inglaterra, presentron un estudio en 1966 en el Institute of Electrical Engineer (Dielectric-Fiber Surface Waveguides for Optical Frequencies);  sugiriendo que la transmisión de información sobre la fibra óptica podría ser una realidad. Charles Kuen Kao y George Kockman sugirieron que la pérdida que se presentaba en la fibra óptica no solamente era una propiedad inherente al vidrio, sino que era en realidad debido a las impurezas dentro del material. Esta ídea que nos parece obvio hoy en día,  fue un cambio en las maneras de ver las cosas en aquel entonces. Han trancurrido mas de 45 años y todas las grandes infraestructuras de las empresas de Telecomunicaciones hoy en día están construidas con cables de fibra óptica. Además tenemos  innumerables desarrollos y aplicaciones desde que Kao nos presentara su investigación.

Hoy en día inclusive se usa la fibra óptica de Plástico (POF) la cual es  una fibra de bajo costo para bajas velocidades e ideal para aplicaciones de distancias cortas.

Hoy el uso de la POF en los automóbiles ha ganado un rápido crecimiento y ya los nuevos vehículos incorporan diseños de multimedia y redes de datos para el control, seguridad y entretenimiento en el vehículo.

Una Breve Cronología Histórica de la fibra óptica

La Prehistoria de la fibra

Los sistemas ópticos de comunicación, existen desde hace 2 siglos, el "Telégrafo Óptico" fue inventado por el Ing. francés Claude Chappe en 1790, Su sistema consistía de una serie de semáforos montados en torres en los que un operador transmitía mensajes de una torre a otra.

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 y popular.

 Por 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 los chorros de agua de una fuente. Pero fué el físico británico, John Tyndall, quien popularizó la guia de luz en base a chorros de agua, en una demostración realizada por primera vez en 1854, demostro que la luz podia ser guiada usando un chorro de agua fluyendo desde un tanque.

A inicios del siglo 20, los investigadores demostraron que una varilla de cuarzo doblada, podia transportar luz, y lo utilizaron como iluminadores dentales. Por los años 40s, muchos doctores usaban ya depresores de lengua de plexiglass iluminado.

En 1951, Holger Moller Hansen, presento en la oficina de patentes Danesa, un estudio de la Fibra Optica. Sin embargo, la oficina danesa negó su aplicación, Moller Hansen fue incapaz de lograr interesar a las compañías con su invento.

En 1954, 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 acerca de un conductor óptico en el prestigioso diario Británico "Nature". Ni Van Heel, ni Hopkins, ni tampoco Kapany, fabricaron coductores que pudieran transportar la luz a distancias largas, pero sus reportes hicieron que la F.O. evolucionara

Por los años 60, ya se habian desarrollado las fibras con cubiertas de vidrio, las que tenían atenuación de aproximadamente un decibelio por metro, adecuadas para la medicina, pero muy altas para ser utilizada en las comunicaciones.

En 1960 fue inventado el láser. El 22 de Julio de 1960, Una revista de Electrónica publicó la demostración de Theodore Maiman del primer láser.

Las fibras ópticas llamaron la atención, porque eran parecidos en teoría a una guia de onda con dieléctrico de plástico. En 1961, Elias Snitzer un óptico Americano, trabajando con Hicks en Mosaic Fabrications (Luego Galileo Electro-Optics) demostró esta similitud, fabricando fibras con núcleos pequeños que transportaban la luz a la manera de una guia de onda.

El Laboratorio STL de ITT y la aparición de Kao

Un pequeño grupo de investigadores no descartó la utilidad de la fibra tan fácilmente, un equipo de Standard Telecommunications Laboratories , inicialmente encabezados por Antoni E. Karbowiak, se dedicaron a estudiar las 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.. Su investigación lo convenció que la alta pérdida de las primeras fibras , se debian a las impurezas, y no al sílice del vidrio mismo. En medio de esta investigación , en 1964, Karbowiak dejó STL y Kao tuvo que reemplazarlo como director de investigación de Comunicaciones Opticas. Kao trabajó en una propuesta de comunicaciones de larga distancia con fibras monomodos. Convencido que las pérdidas de fibra podia ser reducida por debajo de los 20 decibels por kilómetro.

El 1 de Abril de 1966 el instituto de Ingenieria Electrónica IEE publicó la propuesta notable de Kao con estas palabras: 

"En el encuentro IEE en Londres el mes pasado, el Dr. C.K. Kao observó que a cortas distancias,se ha demostrado 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 que 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. 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".


La era Corning
Tomó cuatro años para alcanzar la meta fijada por 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 de investigación, 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 a trabajar con la sílice fundida, un material que puede fabricarse extremadamente puro, pero este tiene un punto de fusión alto y un bajo índice de refracción. Ellos probaron con un preformado y realizaron depósitos de materiales purificados, desde la fase de vapor, adicionando cuidadosamente niveles controlados de dopantes, para obtener el nucleo con un índice refractivo ligeramente más alto que el del revestimiento, sin una elevación dramática de la atenuación.

En Septiembre de 1970, se realizo el anuncio que se habían obtenidos fibras monomodos, con atenuación a los 633-nanometros debajo de los 20 dB/km. Las fibras eran frágiles, pero las pruebas confirmaban la baja perdida.



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 de 1970, el laboratorio 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 onda, a los puntos donde las fibras tienen esencialmente baja atenuación.

Las primeras aplicaciones, la fibra monomodo no desplazada y La fabricación masiva

Las primeras fibras monomódos tenían núcleos de varios micrómetros de diámetro, y a inicios de los años 70 este hecho causaba molestia a los cientificos. Ellos dudaron que podría ser posible lograr la tolerancia necesaria para capturar eficazmente la luz de las fuentes dentro de los diminutos núcleos, 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 fibras multi-modo con un índice-refractivo gradual entre el nucleo y el revestimiento, y diámetros del nucleo de 50 o 62.5 micrómetros.

Un hito 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 para transmitir luz a 850 nanometros de los diodos láser de galio-aluminio-arseniuro.

Estas primeras generaciones de sistemas podían transmitir luz a varios kilómetros sin repetidor, pero estaban limitados por pérdidas de aproximadamente 2 dB/km. Una segunda generación pronto apareció, usando los nuevos lásers de InGaAsP que emitieron a 1.3 micrómetros, donde la atenuación de la fibra era tan baja como 0.5 dB/km, y la dispersión del pulso reducida a 850 nm.

A inicios de los años 80, los portadores inician sus construcciones de las redes nacionales con fibra monomodo a 1300-nm.

En 1983 MCI, una de las grandes compañias de larga distancia en los Estados Unidos fué la primera en tender una Red Nacional de Fibra óptica en ese pais.

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 1,550-nm con dispersión cero en la misma longitud de onda, con lo cual mayores velocidades de datos podrían llevarse a distancias mayores. 

En los primeros años de los 90,aparece la fibra dopada con erbio (EDFA) , a esto 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, le permitió a la WDM ser el método de transmisión dominante hasta hoy .

Cuando se inicio el despliegue de estas nuevas tecnologías, 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 de vidrio por el uso de varios amplificadores por cada longitud de onda dio como resultado, los efectos no lineales en la transmisión.

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 cercana a cero.

El desarrollo de la industria de la fibra de dispersión no nula (NZDSF) era una respuesta directa a los efectos no lineales de la propagación. Se Cambia la longitud de onda de dispersión cero fuera de la ventana de operacion, introduciendo asi una cantidad pequeña pero finita de dispersión para lograr reducir los efectos de FWM.

Los primeros cables NZDSF disponibles comercialmente con una gran área eficaz aparecen en 1998. 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 Nueva revolución

Asi como los amplificadores de erbio significaron un salto significativo hacia adelante en las comunicaciones ópticas basados en fibra, el Scwitch óptico y los ruteadores han sido la chispa para una nueva revolución de la fibra óptica.

Estemos atento a estos cambios que tiene como unico objetivo reducir el costo de transmisión por canal..

Bibliografía

1.- "City of de light: The Story of fiber Optics" por Tom Hayes, Oxford University Press
2.-Artículo "Optical Fiber Span 30 years" publicado en la revista Ligh-Wave en julio del 200

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