Autor: Freddy Ortiz Magallanes

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2 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 2 La Fibra Óptica: Los Conceptos Básicos Libro Electrónico Por Freddy Ortiz Ingenia-T Consultores y Servicios Copyright 2012 Instituto Virtual Todos los derechos Reservados Todos los derechos Reservado -

3 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 3 CAPITULO I Introduccion

4 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 4 CAPITULO II Historia y Tecnología de la Fibra óptica 2.1 Introducción Hitos Importantes en la Historia de la Fibra Las Ventajas de La Fibra Mitos sobre la fibra Una Breve Cronología Histórica de la fibra óptica Todos los derechos Reservado -

5 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 5 CAPITULO 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.

6 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA Hitos Importantes en la Historia de la Fibra 1 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. 1 En 1.4 detallaremos con mayor amplitud la historia de la Fibra óptica Todos los derechos Reservado -

7 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 7 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

8 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 8 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. Todos los derechos Reservado -

9 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 9 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.

10 10 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.

11 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 11 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

12 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 12 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 óptica 2 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, (ISBN ). Todos los derechos Reservado -

13 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 13 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

14 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 14 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 Todos los derechos Reservado -

15 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 15 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.

16 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 16 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 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 Corning 3 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 Todos los derechos Reservado -

17 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 17 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 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 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. 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. 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 ) Narración del Dr Donald Keck 4 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

18 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 18 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 Todos los derechos Reservado -

19 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 19 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 Obtuvo el grado B.A. degree en Química de Bowdoin College en 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 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-

20 APUNTES SOBRE FIBRA OPTICA 20 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. Todos los derechos Reservado -

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