1. ¿Qué es la Fibra Óptica?

La fibra óptica es un hilo flexible y transparente hecho de vidrio o plástico con un diámetro similar al de un cabello humano.

La fibra óptica se usa con mayor frecuencia como un medio para transmitir luz entre sus dos extremos, se utilizan ampliamente en comunicaciones ópticas, permitiendo así  la transmisión de información a largas distancias y anchos de banda mayores que los cables eléctricos.

La fibra se utiliza en lugar de cables de metal porque las señales viajan a lo largo de ellas con menos pérdida, además, las fibras son inmunes a la interferencia electromagnética, un problema del cual los alambres de metal sufren en exceso.

Las fibras también se utilizan para la iluminación e  imagen, a menudo se envuelven en paquetes para que puedan ser utilizados para transportar la luz o imágenes de espacios confinados, como en el caso de un fibroscopio.  

El término fibra óptica fue acuñado por el físico indio Narinder Singh Kapany, quien es ampliamente reconocido como el padre de la fibra óptica.

Las fibras ópticas incluyen un núcleo rodeado por un material de revestimiento transparente

La luz se mantiene en el núcleo por el fenómeno de reflexión interna total que hace que la fibra actúe como guía de ondas. Las fibras que admiten muchas rutas de propagación o modos transversales se llaman fibras multimodo (MM por su término en inglés Multi Mode), mientras que las que admiten un único modo se denominan fibras monomodo (SM por su término en inglés Single Mode).

Las fibras multimodo generalmente tienen un diámetro de núcleo más amplio y se usan para enlaces de comunicación de corta distancia. Las fibras monomodo se utilizan para la mayoría de enlaces de comunicación de más de 1,000 metros (3,300 pies).

La fusión de fibras ópticas (unión de dos fibras) con bajas pérdidas es importante en la comunicación óptica, dado que es más complejo que unir un cable o cable eléctrico e implica un corte cuidadoso de las fibras, una alineación precisa de los núcleos de fibra y el acoplamiento de estos núcleos alineados.

Para aplicaciones que exigen una conexión permanente, es común un empalme por fusión, en esta técnica se usa un arco eléctrico para fundir los extremos de las fibras entre sí, otra técnica común es el empalme mecánico, donde los extremos de las fibras se mantienen en contacto por la fuerza mecánica.

Las conexiones temporales o semi permanentes se realizan por medio de conectores de fibra óptica especializados.

2. Historia de la Fibra Ópica

La luz guiada por reflexión es el principio físico que hace posible el funcionamiento de la fibra óptica, fue demostrado por primera vez por Daniel Colladon y Jacques Babinet en París a inicios de la década de 1840.

John Tyndall incluyó una demostración de ello en sus conferencias públicas en Londres, 12 años después. Tyndall también escribió sobre la propiedad de reflexión interna total en un libro introductorio sobre la naturaleza de la luz en 1870:

«Cuando la luz pasa del aire al agua, el rayo refractado se inclina hacia la perpendicular … Cuando el rayo pasa del agua al aire, se dobla desde la perpendicular … Si el ángulo que el rayo en el agua encierra con la perpendicular a la superficie es mayor de 48 grados, el rayo no abandonará el agua en absoluto: se reflejará totalmente en la superficie … El ángulo que marca el límite donde comienza la reflexión total se denomina ángulo limitante del medio. Para el agua, este ángulo es de 48° 27′, para el vidrio de sílex es de 38° 41′, mientras que para el diamante es de 23° 42′.» (Tyndall, John, 1870)

A finales del siglo XIX y principios del siglo XX

En la medicina, se utilizaban varillas de vidrio dobladas que guiaban la luz con el fin de iluminar las cavidades del cuerpo. Las aplicaciones prácticas como la iluminación interna cerrada, en la odontología, aparecieron a principios del siglo XX.

Por otra parte, la transmisión de imágenes a través de tubos fue demostrada de forma independiente por el experimentador de radio Clarence Hansell y el pionero de la televisión John Logie Baird en la década de 1920.

En la década de 1930, Heinrich Lamm demostró que se podían transmitir imágenes a través de un paquete de fibras ópticas sin aislar que podían ser usados para exámenes médicos internos, sin embargo, su trabajo fue en gran parte olvidado.

En 1953, el científico holandés Bram van Heel demostró por primera vez la transmisión de imágenes a través de haces de fibras ópticas con revestimiento transparente.

Ese mismo año, Harold Hopkins y Narinder Singh Kapany del Imperial College de Londres lograron hacer paquetes de transmisión de imágenes con más de 10.000 fibras, y posteriormente lograron la transmisión de imágenes a través de un haz de 75 cm de largo que combinó varios miles de fibras, este hallazgo fue publicado en un artículo titulado titulado » A flexible fibrescope, using static scanning» en la revista Nature en 1954.

El primer gastroscopio semiflexible de fibra óptica práctico fue patentado por Basil Hirschowitz, C. Wilbur Peters, y Lawrence E. Curtiss, investigadores de la Universidad de Michigan, en 1956, en el proceso de desarrollo del gastroscopio, Curtiss produjo la primera fibra óptica revestida (glass-clad fibers), las fibras ópticas diseñadas anteriormente se habían basado en recubrimiento de aire o aceites y ceras que eran poco prácticos como material de revestimiento de bajo índice. Luego, se pudo encontrar una variedad de otras aplicaciones tales como la transmisión de imágenes.

El primer sistema de transmisión de datos de fibra óptica en funcionamiento fue demostrado por el físico alemán Manfred Börner en Telefunken Research Labs en Ulm en 1965, que fue seguido por la primera solicitud de patente para esta tecnología en 1966.

La NASA utilizó fibra óptica en las cámaras de televisión que se enviaron a la luna

En ese momento, el uso en las cámaras se clasificó como confidencial, y los empleados que manejaban las cámaras tenían que ser supervisados ​​por alguien con una autorización de seguridad apropiada.

Charles K. Kao y George A. Hockham de la compañía británica Standard Telephones and Cables (STC) fueron los primeros, en 1965, en promover la idea de que la atenuación en las fibras ópticas podría reducirse por debajo de 20 decibelios por kilómetro (dB / km), haciendo de las fibras un medio de comunicación práctico.

Indicaron que la atenuación en fibras disponible en ese momento era causada por impurezas que podrían eliminarse, más que por efectos físicos fundamentales como la dispersión.

Teorizaron de forma correcta y sistemática las propiedades de pérdida de luz de la fibra óptica y señalaron el material adecuado para utilizar con dichas fibras: vidrio de sílice de alta pureza. Este descubrimiento le valió a Kao el Premio Nobel de Física en 2009.

El límite de atenuación crucial de 20 dB / km se logró por primera vez en 1970 por los investigadores Robert D. Maurer, Donald Keck, Peter C. Schultz y Frank Zimar quienes trabajaban para el fabricante estadounidense de vidrio Corning Glass Works.

Fabricaron una fibra con una atenuación de 17 dB/km al dopar el vidrio de sílice con titanio

Unos años más tarde produjeron una fibra con solo 4 dB/km de atenuación usando dióxido de germanio como el núcleo dopante. En 1981, General Electric produjo lingotes de cuarzo fundido que se podían trazarse en hebras de 25 millas (40 km) de largo.

Inicialmente, las fibras ópticas de alta calidad solo podían fabricarse a 2 metros por segundo. El ingeniero químico Thomas Mensah se unió a Corning en 1983 y aumentó la velocidad de fabricación a más de 50 metros por segundo, lo que hizo que los cables de fibra óptica sean más baratos que los de cobres. Estas innovaciones marcó el comienzo de la era de las telecomunicaciones de fibra óptica.

El centro de investigación italiano CSELT trabajó con la empresa Corning con el fin de desarrollar cables de fibra óptica de uso práctico, lo que resultó en el primer cable de fibra óptica de uso metropolitano.

3. ¿Como Funciona la Fibra Óptica?

El principio de la fibra óptica se basa en su funcionamiento como una guía de onda dieléctrica cilíndrica (guía de onda no conductora) que transmite la luz a lo largo de su eje, el funcionamiento de la fibra óptica se debe principalmente al proceso de reflexión interna total, esto se explicará mas adelante.

La fibra esta conformado de un núcleo rodeado por una capa de revestimiento, ambos están hechos de materiales dieléctricos. Para limitar la señal óptica en el núcleo, el índice de refracción del núcleo debe ser mayor que el del revestimiento.

El límite entre el núcleo y el revestimiento puede ser abrupto, en fibra de índice escalonado, o gradual, en fibra de índice gradual.

3.1. Índice de refracción

El índice de refracción es una forma de medir la velocidad de la luz en un material. La luz viaja más rápido en el vacío, como en el espacio exterior.

La velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 300,000 kilómetros por segundo. El índice de refracción de un medio se calcula dividiendo la velocidad de la luz en el vacío por la velocidad de la luz en ese medio.

El índice de refracción en el vacío es por definición uno. Una fibra monomodo típica utilizada para telecomunicaciones tiene un revestimiento hecho de dióxido de sílicio puro, con un índice de 1.444 a 1.500, y un núcleo de sílice dopada con un índice de alrededor de 1.4475.

Cuanto mayor es el índice de refracción, la luz más lenta viaja en ese medio. A partir de esta información, una simple regla general es que una señal que utiliza fibra óptica para comunicaciones viajará a alrededor de 200,000 kilómetros por segundo.

Para decirlo de otra manera, a la señal le tomará 5 milisegundos en viajar 1.000 kilómetros por fibra.

Por lo tanto, una llamada telefónica realizada por fibra entre Sydney y Nueva York, a una distancia de 16,000 kilómetros, significa que hay un retraso mínimo de 80 milisegundos (aproximadamente 1/12 de segundo) entre una persona que habla y la otra que escucha.

(La fibra en este caso probablemente recorra una ruta más larga, y habrá retrasos adicionales debido a la conmutación de los equipos de comunicación y al proceso de codificación y decodificación de la voz en la fibra).

3.2. Reflexión interna total

Cuando la luz que viaja en un medio ópticamente denso, llega a un límite en un ángulo pronunciado (mayor que el ángulo crítico del límite), la luz se refleja por completo, a esto se le llama reflexión interna total. Este efecto se usa en fibras ópticas para confinar la luz en el núcleo.

La luz viaja a través del núcleo de la fibra, rebotando hacia adelante y hacia atrás fuera del límite entre el núcleo y el revestimiento. Debido a que la luz debe alcanzar el límite con un ángulo mayor que el ángulo crítico, solo la luz que ingresa a la fibra dentro de un cierto rango de ángulos puede viajar por la fibra sin desviarse.

Este rango de ángulos se llama cono de aceptación de la fibra. El tamaño de este cono de aceptación es una función de la diferencia de índice de refracción entre el núcleo de la fibra y el revestimiento.

En términos más simples, hay un ángulo máximo desde el eje de la fibra en el cual la luz puede ingresar a la fibra para que se propague, o viaje, en el núcleo de la fibra.

El seno de este ángulo máximo es la apertura numérica (NA) de la fibra. La fibra con una NA más grande requiere menos precisión para empalmar y trabajar que la fibra con una NA más pequeña. La fibra monomodo tiene una pequeña NA.

A continuación se puede ver en el siguiente video

Cual es el principio de funcionamiento de la fibra óptica, activar los subtítulos en español, el video es gracias a http://www.engineerguy.com/

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