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El cable de fibra óptica es un medio guiado para la transmisión de luz (una forma de radiación electromagnética). En general se utiliza para transmitir señales digitales mediante el método de encender y apagar una fuente de luz [8]. En cierta medida este proceso es básicamente una modulación ASK cuando un nivel de tensión es el que define la aparición o desaparición de la señal portadora (la onda de luz), cuya frecuencia va a depender del color de la luz. Si es luz monocromática entonces la portadora utiliza una única frecuencia, lo que suele ser lo más común porque el uso de una portadora monocromática hace posible el uso de una multiplexación en frecuencia en la fibra óptica. Esta técnica de multiplexación se llama multiplexación por división en longitudes de onda o WDM (Wavelength-Division Multiplexing) [26] que consiste en la utilización de colores distintos. En 1997 se alcanzó un hito cuando en los Laboratorios Bell se demostró que una fibra óptica es capaz de transmitir 100 haces de 10 Gbps proporcionando una capacidad total de 1 Tbps. Esto puede darnos una idea de la altísima capacidad que poseen los enlaces de fibra óptica.
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La luz es una onda electromagnética, es decir, se trata de la combinación de un campo eléctrico y otro magnético vibrando en direcciones perpendiculares, que a su vez son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. La velocidad de propagación de la luz, y más en general de cualquier onda electromagnética, depende de parámetros que caracterizan electromagnéticamente el medio (permeabilidad y susceptibilidad). En el vacío la velocidad de propagación es de casi 300.000 km/s y en las fibras ópticas es de 200.000 km/s. En la Figura F.1 se muestra el espectro electromagnético, donde se puede observar que la luz, como onda que es, ocupa la banda que va desde el infrarrojo hasta el ultravioleta.
En un medio transparente y homogéneo (cristal, plástico, agua, aire, etc.) la luz se propaga en línea recta y a una velocidad constante. Sin embargo, si en su propagación la luz pasa de un medio a otro (con diferentes niveles de permeabilidad y susceptibilidad), su velocidad y dirección de propagación cambian abruptamente. Este cambio en la dirección de propagación provocado por dicha modificación de los índices de permeabilidad y susceptibilidad electromagnética de se le conoce como refracción.
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Los valores de la permeabilidad y la susceptibilidad son características del medio, a partir de los cuales se define la densidad del medio (electromagnéticamente hablando) y de los cuales depende el valor de la velocidad de propagación de una onda electromagnética en dicho medio. Cuando la luz pasa de un medio menos denso a un medio más denso (electrómagneticamente hablando), por ejemplo, del aire al agua, el ángulo de incidencia i es mayor que el ángulo de refracción r. Sin embargo, cuando pasa de un medio más denso a uno menos denso ocurre al contrario, es decir, el ángulo de incidencia i es menor que el ángulo de refracción r (véase la Figura F.2).
Cuando la luz pasa de un medio más denso a otro menos denso, existe un ángulo de incidencia i para el cual la luz no se refracta (r = 90o), sino que se propaga de forma paralela al plano de separación de ambos medios (véase la Figura F.3). A este ángulo se le llama ángulo de incidencia crítico.
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Cuando la luz atraviesa medios de diferentes densidades, no toda la energía consigue pasar al otro medio, sino que una cierta cantidad se refleja y continua transmitiéndose en el mismo medio de donde proviene. A este fenómeno se le denomina reflexión. En este caso, el ángulo de incidencia i y el ángulo de reflexión son idénticos (véase la Figura F.4).
Las fibras ópticas aprovechan el fenómeno de la reflexión de la luz para guiar (transportar en línea no recta) señales luminosas a grandes distancias. Dependiendo de la forma en que se construye la fibra y de la forma en la que se inyecta la luz dentro de la fibra, existen diferentes modos de propagación y capacidades de transmisión. La base de todas las fibras ópticas es la construcción de un tubo o cilindro de material transparente (normalmente cristal o plástico) muy delgado que posee al menos dos densidades diferentes (véase la Figura F.5). En el centro o núcleo se encuentra el medio más denso (el que más lentamente transmite la luz) y en el revestimiento se encuentra el medio menos denso. Por tanto, la luz va a reflejarse en el revestimiento y a quedar confinada en el núcleo. Externamente, la fibra se recubre de cubiertas que impiden que la luz externa, la humedad o los aplastamientos alcancen la fibra y que la luz interna alcance el exterior por refracción.
Las fibras ópticas más sencillas son las llamadas multimodo de índice discreto y se construyen de forma que el núcleo y el revestimiento tienen densidades diferentes aunque constantes. Si colocamos una fuente de luz en un extremo de la fibra, cierta cantidad de los rayos penetran en el revestimiento y en el núcleo. Los haces que entran al revestimiento son absorbidos por la capa externa opaca, sin embargo, otros consiguen entrar en el núcleo. Dado que la haz incidente alcanza la fibra óptica con diferentes ángulos de incidencia, en la fibra óptica encontraremos que parte de dicha energía se refractará en el revestimiento y será absorvida por la capa externa opaca; otra parte será reflejada con un ángulo de reflexión igual al de incidencia y otra parte se propagará de forma paralela al revestimiento (aquellos haces que indicen con un ángulo de incidencia igual al ángulo crítico). Véase la Figura F.6. Por tanto, dentro del núcleo existen rayos que se propagan sin reflejarse (rayos axiales [26]) y otros que sufren un número de reflexiones que depende del ángulo de incidencia de entrada en el núcleo y de la longitud de la fibra. Puesto que la densidad del núcleo es constante, la velocidad de propagación de la luz a través de él también lo es. Como consecuencia, los haces que más distancia recorren alcanzan más tarde el otro extremo de la fibra. Debido a que la señal recibida en el otro extremo de la fibra es la suma de todas las señales que han recorrido diferentes caminos a través de la fibra óptica, la anchura de los pulsos de luz aumenta conforme se propagan, es decir, se ha producido una distorsión por retardo (véase la Sección ??). Esta perturbación constituye el principal factor que limita la capacidad de la fibra óptica, porque la separación entre símbolos se dificulta conforme aumenta la tasa de transmisión.
Para resolver este problema hay que evitar que los diferentes haces de luz que consiguen entrar en el núcleo en el mismo instante de tiempo alcancen el otro extremo en instantes diferentes. Para ello se han propuesto tres soluciones diferentes.
La primera de ellas consiste en utilizar fuentes de luz que producen frentes de onda planos, es decir, haces de luz que se propaguen en una única dirección, y esto es justamente lo que hace un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)* . En lugar de utilizar LEDs (Light Emitting Diodes) se usan ILDs (Injection Laser Diodes).
La segunda solución consiste en reducir el diámetro del núcleo hasta el punto de forzar a que todo rayo que consiga entrar en él tenga un ángulo de incidencia tan grande que sea crítico y por lo tanto sólo el rayo axial se propaga (véase la Figura F.7). A este tipo de fibras se les llama fibras ópticas monomodo. Las fibras monomodo son las más eficientes, pero también las más caras.
La tercera solución se basa en construir una fibra con un gradiente decreciente de densidad desde el núcleo hasta el revestimiento (véase la Figura F.8). Ahora, aquellos rayos de luz que no son axiales aceleran proporcionalmente a la desviación de la dirección de propagación del rayo axial. La idea es permitir que los haces que más distancia recorren sean también los que más velozmente se propaguen. De esta forma se reduce la dispersión. A este tipo de fibra se le llama fibras ópticas multimodo de índice gradual.
Las principales ventajas de las fibras ópticas son:
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