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¿Qué es la fibra óptica y cómo funciona?

¿Qué es la fibra óptica y cómo funciona?

Internet de alta velocidad, televisión digital y comunicaciones móviles son posibles gracias a las delgadas hebras de vidrio que se extienden a lo largo del lecho marino entre continentes. Si no hubiera sido por la fibra óptica, difícilmente habría leído estas líneas.

Los fundamentos básicos de esta tecnología se describen en el medio. XIX siglo. Así que intentaron utilizar el agua como conductor de señales, pero sin éxito. Los materiales adecuados para la realización de una idea audaz solo se desarrollaron después de más de cien años.

Conductor de luz

En un cable normal, la señal se transmite a través de un núcleo de cobre. La información es transportada por un flujo de electrones, una corriente eléctrica. Los datos se transmiten encriptados en código binario. Si el impulso pasa, significa uno, no pasa, cero.

En una línea de comunicación de fibra óptica, el principio de codificación es el mismo, pero la información es transportada por fotones u ondas de luz, más precisamente, ambos al mismo tiempo. Los científicos han debatido la naturaleza de la luz durante tanto tiempo que finalmente combinaron teorías incompatibles. Pero no es necesario comprender la dualidad de las ondas cuánticas para comprender cómo se utiliza la luz para transmitir información en las redes de telecomunicaciones.

Simplemente descubra cómo hacer que la luz fluya a través de los cables por millas.

Lo primero que me viene a la mente son los espejos. Crea un tubo de metal y cubre el interior con una capa suave, como la plata.

La luz que entra por un lado rebotará en las paredes hasta que llegue a la salida del otro lado. No es una mala idea, pero no funcionará.

En primer lugar, fabricar una tubería de este tipo con la longitud requerida es una tarea extremadamente difícil y, por lo tanto, costosa.

En segundo lugar, la reflectancia de la plata es del 99%, es decir, la luz que entra al tubo perderá energía y después de 100 reflejos se apagará por completo.

Es mucho mejor prescindir de los espejos. La forma de hacer esto será sugerida por los fundamentos de la óptica geométrica, establecidos en el siglo XIX.

La idea básica es fácil de demostrar con un acuario. Un rayo de luz de una fuente submarina atraviesa el límite entre el agua y el aire (dos medios con propiedades ópticas diferentes) y cambia parcialmente la dirección del movimiento, y se refleja parcialmente en el límite de los dos medios como si fuera un espejo.

Si se reduce el ángulo de incidencia del haz, en un momento determinado la luz dejará de salir por completo del agua y se reflejará por completo, al 100%. El borde de dos habitaciones funciona mejor que cualquier espejo.

Al final resultó que, no se necesita agua para crear tal borde. Dos materiales cualesquiera que transmitan la luz de manera diferente, con diferentes índices de refracción, servirán. Incluso una diferencia del 1% es suficiente para crear una fibra.

Hebras de vidrio

En lámparas y juguetes, las guías de luz están hechas de plástico, pero se necesitan materiales más caros y transparentes para obtener una fibra óptica adecuada para la comunicación.

Los científicos han adaptado el vidrio de cuarzo para este propósito. El núcleo de una preforma de fibra a menudo se compone de dióxido de silicio puro. La capa exterior también está hecha de cuarzo, pero con una mezcla de boro o germanio para reducir el índice de refracción.

Anteriormente, para obtener ese espacio, simplemente insertaban dos tubos de vidrio entre sí, pero hoy en día a menudo lo hacen de manera diferente. Los tubos huecos de cuarzo puro se llenan con una mezcla de gases con un alto contenido de germanio y se calientan lentamente hasta que el germanio se asienta uniformemente en la superficie interior.

Después de que haya crecido una capa suficientemente gruesa de óxido de germanio sobre el vidrio de cuarzo, el tubo se calienta hasta que se ablanda y se extrae hasta que la cavidad interna colapsa.

Se obtiene así una varilla con un diámetro de 1 a 10 centímetros y una longitud de aproximadamente 1 metro, que ya contiene cuarzo en el núcleo con la adición de germanio, que tiene un índice de refracción aumentado y una cáscara de cuarzo puro alrededor.

Tal pieza se entrega encima de una torre de hasta varias decenas de metros de altura. Allí, la parte inferior de la pieza de trabajo se calienta nuevamente a mil quinientos grados, casi hasta el punto de fusión, y se extrae un hilo más delgado. Durante el descenso, el vidrio se enfría y se sumerge en un baño de polímero, que forma una capa protectora sobre la superficie del cuarzo. Este método produce hasta 100 km de fibra de vidrio de una sola pieza. En la base de la torre, la fibra enfriada se enrolla en un carrete.

Sí, está envuelto con precisión: curiosamente, la fibra de cuarzo se dobla fácilmente.

Las fibras resultantes se recogen en haces de varias piezas y se sellan en polietileno. Luego, los cables se tejen a partir de estos paquetes.

Cada cable puede contener de dos a tres y hasta varios cientos de fibras ópticas. En el exterior, están tejidos con un hilo de polímero para mayor resistencia y reciben otra capa protectora de polietileno.

Ventajas y desventajas de la fibra.

Todas estas complicaciones están justificadas porque la luz es la más rápida del universo.

Gracias a esta propiedad de la luz, la fibra óptica tiene una capacidad de información insuperable. El par trenzado, como una línea telefónica o un cable coaxial, un conductor blindado, transmite 100 megabits por segundo.

El más común para redes informáticas, un cable de ocho conductores de 4 pares trenzados transmite hasta 1000 megabits por segundo. Fibra óptica en un núcleo: tres veces más, hasta 3000 megabits por segundo, y con la ayuda de varios trucos experimentales, este umbral se puede superar.

Además, la fibra es mucho más ligera que el cobre. Con un grosor de 9 micrones, más delgado que un cabello humano, un alambre de cuarzo de 100 km de largo pesa alrededor de 15 g.

Casi todas las líneas modernas de transmisión de datos están hechas con cables de fibra óptica. Conectan continentes, países y centros de datos.

En las grandes ciudades, la «óptica» también se utiliza al conectar edificios de apartamentos a la red global, pero la fibra se coloca entre el proveedor y la casa y el par trenzado habitual se distribuye a los apartamentos.

Con un esquema de conexión de este tipo, la velocidad máxima de acceso a la red para el abonado aún no supera los 100 Mbit / s. A modo de comparación, al pasar un cable óptico directamente a un apartamento, se puede obtener un canal de 1 Gbps, pero el consumidor rara vez se encuentra con una Internet de fibra óptica.

No es solo que la fibra sea cara de producir. El tendido de cables es solo el comienzo. Las señales que pasan a través de la línea de comunicación acumulan errores con la distancia y finalmente se desvanecen por completo. Para un cable de par trenzado, esto sucede después de 1 km, para un cable coaxial, después de unos 5 km. Después de eso, la señal debe restaurarse y amplificarse, regenerarse.

En la fibra óptica, la distancia de regeneración es muchas veces mayor, pero por muy limpio que esté el vidrio de cuarzo, quedan impurezas en él, por ejemplo, una millonésima parte de un porcentaje de agua.

La longitud de la fibra puede ser de cientos de miles de kilómetros, pero después de 100-200 km todavía hay atenuación de la señal óptica.

Por lo tanto, se instalan amplificadores intermedios en las líneas de comunicación de fibra óptica, que restauran la amplitud de la señal óptica, y regeneradores, que eliminan las interferencias. Dicho equipo es mucho más caro que los amplificadores en las líneas de comunicación tradicionales y requiere un mantenimiento calificado.

Pero, sobre todo, los canales de comunicación gigabit actualmente no son demandados por la gente común. Quizás con el advenimiento de los hogares inteligentes, las computadoras portátiles y la difusión de la transmisión de video de ultra alta definición, la demanda de ellos aumentará, pero hasta ahora la velocidad proporcionada por el cable de par trenzado es suficiente para el consumidor promedio.

Sin siquiera entrar en contacto directo con esta tecnología, cada uno de nosotros aprovecha sus ventajas. Estabilidad de conexión, baja latencia en la transmisión de la señal a los servidores más remotos y alta velocidad de recepción de respuesta de ellos, posibilidad de retirar dinero de cualquier cajero automático y realizar una llamada en cualquier país del mundo: todo esto es mérito de la fibra, y tampoco tiene competidores en el proyecto.