Cómo Funciona La Fibra Óptica

Las líneas de fibra óptica son hebras de vidrio ópticamente puro tan delgadas como un cabello humano que transportan información digital a largas distancias. También se utilizan en imágenes médicas e inspección de ingeniería mecánica. Prácticamente han reemplazado la tecnología más antigua de cables de cobre en las telecomunicaciones.

En este artículo, te mostraremos cómo estas pequeñas hebras de vidrio tranSMiten la luz y la forma fascinante en que se hacen estas hebras.

Contenido

1. ¿Qué Son Las Fibras Ópticas?

2.How ¿Una fibra óptica transmite luz?

3. Un sistema de relé de fibra óptica

4. Ventajas de la fibra óptica

5.How ¿Están Hechas Las Fibras Ópticas?

¿Qué Son Las Fibras Ópticas?

La fibra óptica (fibras ópticas) son hebras largas y delgadas de vidrio muy puro aproximadamente 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 miras de cerca una sola fibra óptica, verás que tiene las siguientes partes:

Núcleo - centro delgado de la fibra donde viaja la luz

Revestimiento: material óptico exterior que rodea el núcleo que refleja la luz de vuelta al núcleo.

Buffer - una capa protectora de plástico aplicada directamente a la fibra óptica

Chaqueta: capa exterior protectora del cable que protege la fibra de daños y humedad.

Cientos o miles de estas fibras ópticas están dispuestas en haces en cables ópticos.

Las fibras ópticas vienen en dos tipos:

Fibras monomodo

Fibras multimodo

Las fibras monomodo tienen núcleos pequeños (aproximadamente 3,5 x 10-4 pulgadas o 9 micras de diámetro) y transmiten luz láser infrarroja (longitud de onda = 1.300 a 1.550 nanómetros o nm). Las fibras multimodo tienen núcleos más grandes (aproximadamente 2,5 x 10-4 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 se pueden hacer de plástico. Estas fibras tienen un núcleo grande (0,04 pulgadas o 1 milímetro de diámetro) y se pueden usar con chips de silicio. La fibra de vidrio no funciona bien con silicio y es costosa de adaptar.

¿Cómo Transmite Luz Una Fibra Óptica?

Supongamos que quieres hacer brillar un rayo de linterna por un pasillo largo y recto. Simplemente apunte el rayo directamente por el pasillo — light travels in straight lines, so it is no problem. What if the hallway has a bend in it? You could place a mirror at the bend to reflect the light beam around the corner. What if the hallway is very winding with multiple bends? You might line the walls with mirrors and angle the beam so that it bounces from side-to-side all along the hallway. This is exactly what happens in an optical fiber.

La luz en un cable de fibra óptica viaja a través del núcleo (pasillo) rebotando constantemente desde el revestimiento (paredes forradas 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 dentro de la fibra se pierde a medida que recorre distancias más largas. La medida en que la señal se degrada depende de la pureza del vidrio, el número de curvas en la fibra o empalmes que conectan secciones de fibra y la longitud de onda de la luz transmitida.

Por ejemplo, con fibra multimodo, diámetros de 850 nm = 3 dB / km; 1.300 nm = 1 dB / km. Para cable monomodo, 1.310 nm = 0,5 dB / km; 1.550 nm = 0,4 dB / km).

Un Sistema De Relé De Fibra Óptica

Para entender 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 barcos navales de una flota necesitan comunicarse con mientras mantienen el silencio de radio o en mares tormentosos. Un barco se detiene junto al otro. El capitán de un barco envía un mensaje a un marinero en cubierta. El marinero traduce el mensaje al código Morse (puntos y guiones) y utiliza una luz de señal (reflector con un obturador de tipo ciego veneciano) para enviar el mensaje al otro barco. Un marinero en la cubierta del otro barco ve el mensaje en código Morse, lo decodifica en inglés y envía el mensaje al capitán.

Ahora, imagina hacer esto cuando los barcos están a cada lado del océano separados por miles de millas y tienes un sistema de comunicación de fibra óptica en su lugar entre los dos barcos. Los sistemas de relevos de fibra óptica consisten en lo siguiente:

Transmisor - produce y codifica las señales de luz

Fibra óptica: conduce las señales de luz a distancia

Regenerador óptico - puede ser necesario para aumentar la señal de luz (para largas distancias)

Receptor óptico: recibe y decodifica las señales de 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 costosos. El cable de fibra óptica es más caro que el de cobre, pero también requiere menos mantenimiento. A largo plazo, le ahorra dinero a usted y a su proveedor de Internet.

Son más delgados. Las fibras ópticas se pueden dibujar en diámetros más pequeños que el alambre de cobre.

Tienen mayor capacidad de carga. Debido a que las fibras ópticas son más delgadas que los cables de cobre, se pueden agrupar más fibras en un cable de un 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.

Tienen menos degradación de la señal. La pérdida de señal en la fibra óptica es menor que en el alambre de cobre.

No tienen interferencia de señales de luz. 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 o recepción de TV más claras.

Tener menor potencia. Debido a que las señales de las fibras ópticas se degradan menos, se pueden utilizar transmisores de baja potencia en lugar de los transmisores eléctricos de alto voltaje necesarios para los cables de cobre. Una vez más, esto le ahorra dinero a usted y a su proveedor.

Tienen señales digitales. Las fibras ópticas son ideales para transportar información digital, lo que es especialmente útil en redes informáticas.

No son inflamables. Debido a que no pasa electricidad a través de las fibras ópticas, no crea calor, lo que reduce el riesgo de incendio.

Son livianos. Un cable óptico pesa menos que un cable de alambre de cobre comparable (4 libras o 2 kilogramos por 1.000 pies o 305 metros, frente a 39 libras o 18 kilogramos por 1.000 pies). Los cables de fibra óptica también ocupan menos espacio en el suelo.

Son flexibles. Debido a que la fibra óptica es tan flexible y puede transmitir y recibir luz, se utilizan en muchas cámaras digitales flexibles para los siguientes fines:

Imágenes médicas - en broncoscopios, endoscopios, laparoscopios

Imágenes mecánicas - inspección de soldaduras mecánicas en tuberías y motores (en aviones, cohetes, transbordadores espaciales, automóviles)

Plomería - para inspeccionar las líneas de alcantarillado

Debido a estas ventajas, se ve fibra óptica en muchas industrias, sobre todo en las telecomunicaciones y las redes informáticas. Por ejemplo, si llamaste a Europa a un teléfono fijo desde Estados Unidos (o viceversa) y la señal rebota en un satélite de comunicaciones, a menudo escucharías un eco en la línea. Pero con cables de fibra óptica transatlánticos, tienes una conexión directa con 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 fabrican? 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 cristal de ventana.

La fabricación de fibras ópticas requiere los siguientes pasos:

1.Hacer un cilindro de vidrio de preforma

2.Dibujando las fibras de la preforma

3.Probando las fibras

Haciendo la Preforma en Blanco

El vidrio para la preforma se hace por un proceso llamado deposición química modificada de vapor (MCVD).

En MCVD, el oxígeno se burbujea a través de soluciones de tetracloruro de silicio (SiCl4), tetracloruro de germanio (GeCl4), tricloruro de fósforo (PoCl3) y / u otros productos químicos. La mezcla precisa rige las diversas propiedades físicas y ópticas (índice de refracción, coeficiente de expansión, punto de fusión, etc.). Los vapores de gas se conducen al interior de un tubo sintético de sílice o cuarzo (revestimiento) en un torno especial. A medida que el torno gira, una antorcha se mueve hacia arriba y hacia abajo por el exterior del tubo. El calor extremo de la antorcha hace que sucedan dos cosas:

El silicio y el germanio reaccionan con al 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 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, juntas) y controlando con precisión el flujo y la composición de la mezcla. El proceso de fabricación de la preforma en blanco está altamente automatizado y toma varias horas. Después de que la preforma en blanco se enfría, se prueba para el control de calidad (índice de refracción).

Dibujando Fibras del Preform Blank

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

El espacio en blanco se baja a un horno de grafito (3.452 a 3.992 grados Fahrenheit o 1.900 a 2.200 grados Celsius) y la punta se funde hasta que una masa fundida cae por gravedad. A medida que cae, se enfría y forma un hilo.

El operador enhebra la hebra a través de una serie de tazas de recubrimiento (recubrimientos de tampón) y hornos de curado por luz ultravioleta en un carrete controlado por tractor. El mecanismo tractor tira lentamente de la fibra del blanco de preforma calentado y se controla con precisión mediante el uso de un micrómetro láser para medir el diámetro de la fibra y enviar la información al mecanismo del tractor.

Las fibras se extraen del blanco a una velocidad de hasta 66 pies / s (20 m / s) y el producto terminado se enrolla en el carrete. No es raro que los carretes individuales contengan millas o kilómetros de fibra óptica.

Probando la fibra óptica terminada

La fibra óptica terminada se prueba para lo siguiente:

Resistencia a la tracción. Debe soportar 100.000 lb / in2 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 la medida en que las señales de luz de varias longitudes de onda se degradan a lo largo de la distancia.

Capacidad de transporte de información (ancho de banda). Número de señales que se pueden transportar a la vez (fibras multimodo)

Dispersión cromática. Difusión de varias longitudes de onda de luz a través del núcleo (importante para el ancho de banda)

Rango de temperatura / humedad de funcionamiento

Dependiendo de la temperatura de la 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. La mayoría de las empresas han reemplazado sus viejos sistemas basados en alambre de cobre con nuevos sistemas basados en fibra óptica para mejorar la velocidad, la capacidad y la claridad.