Comunicaciones pticas

HISTORIA DEL PROCESO DE COMUNICACIN POR FIBRA PTICA.Las ondas de luz son una forma de energa electromagntica y la idea de transmitir informacin por medio de luz, como portadora, tiene ms de un siglo de antigedad. Hacia 1880, Alexander G. Bell construy el fotfono que enviaba mensajes vocales a corta distancia por medio de la luz. Sin embargo, resultaba inviable por la falta de fuentes de luz adecuadas.Con la invencin y construccin del lser en la dcada de los 60 volvi a tomar idea la posibilidad de utilizar la luz como soporte de comunicaciones fiables y de alto potencial de informacin, debido a su elevada frecuencia portadora 1014 Hz. Por entonces, empezaron los estudios bsicos sobre modulacin y deteccin ptica. Los primeros experimentos sobre transmisin atmosfrica pusieron de manifiesto diversos obstculos como la escasa fiabilidad debida a precipitaciones, contaminacin o turbulencias atmosfricas.El empleo de fibras de vidrio como medio gua no tard en resultar atractivo: tamao, peso, facilidad de manejo, flexibilidad y coste. En concreto, las fibras de vidrio permitan guiar la luz mediante mltiples reflexiones internas de los rayos luminosos, sin embargo, en un principio presentaban elevadas atenuaciones.En 1966 se produce un gran hito para los que sern las futuras comunicaciones por fibra ptica, y es la publicacin por Kao y Hockman de un artculo en el cual se sealaba que la atenuacin observada hasta entonces en las fibras de vidrio, no se deba a mecanismos intrnsecos sino a impurezas originadas en el proceso de fabricacin. A partir de esta fecha empiezan a producirse eventos que darn como resultado final la implantacin y utilizacin cada vez mayor de la Fibra ptica como alternativa a los cables de cobre.En 22 de abril de 1977,General Telephone and Electronicsenvi la primera transmisin telefnica a travs de fibra ptica, en 6 Mbit/s, en Long Beach, California.El amplificador que marc un antes y un despus en el uso de la fibra ptica en conexiones interurbanas, reduciendo el coste de ellas, fue elamplificador pticoinventado por David N. Payne, de laUniversidad de Southampton, y porEmmanuel Desurvireen losLaboratorios Bell. A ambos se les concedi laMedalla Benjamin Franklinen 1988.El primer enlace transocenico con fibra ptica fue elTAT-8 que comenz a operar en 1988, usando un cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las seales dbiles se podan colocar a distancias de ms de 64 kilmetros. Tres aos despus, otro cable transatlntico duplic la capacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacfico tambin han entrado en funcionamiento. Desde entonces, se ha empleado fibra ptica en multitud de enlaces transocenicos o entre ciudades, y paulatinamente se va extendiendo su uso desde las redes troncales de las operadoras hacia los usuarios finales.Hoy en da, debido a sus mnimas prdidas de seal y a sus ptimas propiedades de ancho de banda, la fibra ptica puede ser usada a distancias ms largas que el cable de cobre. Adems, las fibras por su peso y tamao reducido, hace que sea muy til en entornos donde el cable de cobre sera impracticable.En fin, poco ms de 10 aos la fibra ptica se ha convertido en una de las tecnologas ms avanzadas que se utilizan como medio de transmisin de informacin.Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, v desde lograr una mayor velocidad en la transmisin y disminuir casi en sutotalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envo en comunicaciones y recepcin por va telefnica.

FABRICACIN DE LA FIBRA PTICA

Una fibra ptica no es ms que un largusimo filamento devidrio, tan fino que es perfectamente flexible, debidamente protegido por una camisa plstica. A travs de estos haces se transmiten, mediante un lser acoplado, seales luminosas que se detectan en el destino. Pero evidentemente, para tener una gran capacidad de transmisin a larga distancia, la fibra debe tener unas caractersticas muy particulares.Fig.1. Proceso de fabricacin de Fibra ptica

La fabricacin de fibra ptica es un proceso de alta tecnologa. Tengamos en cuenta que el grosor estndar de la fibra es125 micras(aproximadamente el doble que un cabello humano) y el ncleo es de unas 8 micras (en fibras monomodo, que son las usadas para comunicaciones a larga distancia). Y evidentemente, es crtico mantener la pureza y la regularidad del ncleo.Todo ello convierte la fabricacin de fibra en un proceso complicado. Sin embargo, el fundamento es sencillo. Como sabemos la fibra ptica est formada por tres partes: el ncleo, el revestimiento y el recubrimiento. Se trata de construir grandes tubos de vidrio que reproducen a escala macroscpica la estructura de la fibra, en esta fase se depositan las materias primas en su estado ms puro vapor. Estos tubos se llamanpreformas. A continuacin la preforma se coloca en un horno de consolidacin para que deje de ser un compuesto de vidrio poroso y se convierta en vidrio transparente solido con un tal grado de pureza que sus niveles de contaminacin se miden en billonsimas partes. El tamao de la preforma determina la longitud de la fibra que se puede extraer de ella. Continua proceso de estiramiento aqu la preforma debe descender lentamente en un horno para q se caliente uno de sus extremos esto hace que se caliente uno de sus extremos y caiga una masa de vidrio al rojo vivo, la preforma se va fundiendo y estirando hasta que obtenemos un filamento alargado cuyo fino dimetro reproduce a escala microscpica la preforma original.El proceso de fabricacin de las preformas no es en absoluto sencillo ya que evidentemente no estamos hablando de simple vidrio, sino de unas caractersticas muy concretas y una extremapureza. En este proceso, se parte debarras de vidriohuecas, que se baan en un gas que contiene las partculas de lo que ser el futuro ncleo. Calentando hasta mil grados, estas partculas comienzan a fundirse hasta que el tubo hueco colapsa y forma una vara maciza con la estructura deseada: la preforma.Una vez hechas las preformas, se colocan verticalmente y se calientan hasta que se van fundiendo formando un hilillo continuo. De una preforma se sacan kilmetros y kilmetros de fibra. Este proceso, a pesar de la sencillez de la idea, es muy complejo y delicado, ya que hay que garantizar que el flujo se mantiene constante, que el hilo mantiene un grosor de 125 micras y que no se producen tensiones excesivas. Durante esta fase adems se aprovecha para crear unacapa protectorasobre el vidrio Un recubrimiento de acrilato de doble capa aadido a la fibra la protege del transporte del cableado y la instalacin, la fibra recubierta se somete a pruebas para garantizar que se cumplen las especificaciones geomtricas ms rigurosas y a continuacin se enrolla en las bobinas, se miden los parmetros pticos y fsicos y se verifica el funcionamiento de la fibra respecto a sus especificaciones.Fig. 3. Fibra ptica con recubrimiento.

Las grandes redes de comunicacin usan haces de varias fibras agrupadas en un cable tan grueso como un cable elctrico pero capaces de transmitir una cantidad de informacin mucho mayor, a distancias muchsimo mayores y con un menor gasto de potencia.

ESPECTRO ELECTROMAGNTICO

Fig.3. Diagrama del espectro electromagnticoEl espectro electromagntico es el conjunto de longitudes de onda de todas las radiaciones electromagnticas es decir es el rango que comprende todas las radiaciones electromagnticas posibles. Las ondas electromagnticas se agrupan bajo distintas denominaciones segn su frecuencia, aunqueno existeun lmite muy preciso para cada grupo. Adems, una misma fuente de ondas electromagnticas puede generar al mismo tiempo ondas de varios tipos.

El espectro electromagntico se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilmetros y la fraccin del tamao de un tomo. Se piensa que el lmite de la longitud de onda corta est en las cercanas de la longitud Planck, mientras que el lmite de la longitud de onda larga es el tamao del universo mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo.

Las ondas electromagnticas abarcan un amplio rango de frecuencias (y, correspondientemente, de longitudes de onda). Este rango de frecuencias y longitudes de onda es denominado espectro electromagntico. Referido a un objeto se denomina espectro electromagntico a la radiacin electromagntica que emite o absorbe una sustancia. Dicha radiacin sirve para identificar la sustancia. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopio que permitir observar el espectro y realizar medidas como la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiacin.

RELACIN DE C (VELOCIDAD LUZ) CON (LONGITUD DE ONDA).Cuando se trata con ondas electromagnticas de frecuencia superior, tales como la luz, es comn usar unidades de longitud de onda en vez de frecuencia. La longitud de la onda es la longitud de la onda que un ciclo de una onda electromagntica ocupa en el espacio. La longitud de una longitud onda depende de la frecuencia de la onda y la velocidad de la luz. Matemticamente una longitud de onda es:

En donde: =longitud de onda (metros por ciclo)C=velocidad de la luz (300 000 000 m/s)f= frecuencia (hertz)Con las frecuencias de luz, una longitud de onda es frecuentemente establecida en micrones.FOTN El fotn es una manifestacin de las ondas electromagnticas empaquetadas formando una partcula, la cual se define como campo cuntico, es decir, un campo que toma la forma de partcula.El fotn es una partcula indivisible que se mueve, siempre, a la velocidad de la luz. sta es la mxima velocidad de propagacin posible en el Universo. Ningn cuerpo material puede alcanzarla porque la resistencia de la materia a ser acelerada, su inercia, aumenta con la velocidad, y se hace infinita a la velocidad de la luz. Los fotones son producidos por cargas elctricas en movimiento. Las cargas elctricas producen simultneamente fuerzas elctricas y magnticas que se propagan en el espacio a la velocidad de la luz como ondas electromagnticas. Los fotones se mueven en direcciones precisas, pero se les encuentra slo en los lugares donde ocurren las ondas de fuerzas elctricas y magnticas generadas por las cargas. Se puede encontrar un fotn, todo completo, en cualquier lugar donde esas fuerzas existan; ms probablemente en aquellos lugares donde esas fuerzas son mayores. Como las fuerzas electromagnticas se propagan en forma de ondas, el fotn podr ser encontrado con mayor probabilidad en lugares de interferencia constructiva de estas ondas y con menor o nula probabilidad en aquellos de interferencia destructiva. Esto, en algunos fenmenos como la difraccin, hace que su movimiento se confunda con el de una onda, pero el fotn siempre se manifiesta como una unidad indivisible y nunca en fracciones, ni repartido sobre la regin ocupada por la onda electromagntica. Los fotones se manifiestan como partculas, ya que concentran sus energas, sus movimientos y sus efectos en regiones definidas y separadas.

ENERGA DE LOS FOTONES A principios del siglo XX se haba demostrado que la radiacin electromagntica transporta energa, que puede absorberse o emitirse. Para explicar los procesos de emisin y absorcin, Plank y Einstein propusieron que la energa de la radiacin est compuesta de unidades (cuantos) indivisibles. En cada proceso elemental slo puede emitirse o absorberse un cuanto de luz. A cada uno de estos cuantos se les denomin fotn. El fotn es una partcula que se denota con la letra griega . La energa de un fotn es proporcional a la frecuencia de la radiacin:

J.s = 4.13566733 (10) Donde h es la constante de Planck( es una constante fsica que representa al cuanto elemental de accin), c es la velocidad de la luz, y es la longitud de onda (La longitud de una onda es el perodo espacial o la distancia que hay de pulso a pulso.). PROPIEDADES FSICAS DEL FOTN El fotn no tiene masa, tampoco posee carga elctrica y no se desintegra espontneamente en el vaco. El fotn tiene dos estados posibles depolarizacin que pueden describirse mediante tres parmetros continuos: las componentes de su vector de onda, que determinan su longitud de onda y su direccin de propagacin.

ABSORCIN DE LOS FOTONES Los fotones se absorben en los procesos de reversin temporal que se corresponden con los ya mencionados: por ejemplo, en la produccin de pares partcula-antipartcula (Proceso por el cual una partcula de energa suficiente crea dos o ms partculas diferentes) o en las transiciones moleculares, atmicas o nucleares a un nivel de energa ms alto.

NIVELES DE ENERGACada seccin del espectro electromagntico, tiene valores caractersticos de los niveles de energa, longitudes de ondas y frecuencias asociadas con sus fotones. Los rayos gamma tienen los mayores niveles de energa, las longitudes de ondas ms cortas y las frecuencias ms altas. En contraste, las ondas de radio tienen la energa ms baja, las longitudes de ondas ms largas y las frecuencias ms bajas que cualquier tipo de radiacin (EM). En orden de energa, de mayor a menor, las secciones del espectro electromagntico (EM) se llaman: rayos gamma , rayos X, radiacin ultravioleta , luz visible , radiacin infrarroja , y ondas de radio .

La radiacin gamma o rayos gamma ()

Es un tipo de radiacin electromagntica, y por tanto constituida por fotones, producida generalmente por elementos radiactivos o por procesos subatmicos como la aniquilacin de un par positrn-electrn. Tambin se genera en fenmenos astrofsicos de gran violencia. Debido a las altas energas que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiacin ionizante capaz de penetrar en la materia ms profundamente que la radiacin alfa y la beta. Pueden causar grave dao al ncleo de las clulas, por lo cual se usan para esterilizar equipos mdicos. La energa de esta naturaleza se mide en mega electrn voltios (MeV). Un MeV corresponde a fotones gamma de longitudes de onda inferiores a 10-11 m o a frecuencias superiores a 1019 Hz. Los rayos gamma se producen por des excitacin de un nuclen de un nivel o estado excitado a otro de menor energa y por desintegracin de istopos radiactivos. Se diferencian de los rayos X en su origen. stos se generan a nivel extra nuclear, por fenmenos de frenado electrnico. Generalmente a la radiactividad se le vincula con la energa nuclear y con los reactores nucleares. A menudo los rayos gamma ocurren entre otras categoras de radiacin, como la alfa y la beta. Cuando un ncleo emite una partcula o , a veces el producto de desintegracin queda excitado y puede saltar a un nivel de energa inferior y emite un rayo gamma. De igual manera un electrn atmico puede saltar a un nivel de energa inferior y emite luz visible o radiacin ultravioleta.

Rayos x

Los rayos X son un tipo de radiacin electromagntica (EM) de alta energa. La radiacin de rayos X tiene longitudes de ondas mucho ms cortas que la luz visible, por lo que los fotones de rayos X tienen mucha mayor energa que los fotones de luz. Los rayos X se encuentran entre la "luz" ultravioleta y los rayos gamma del espectro electromagntico. Los rayos X tienen longitudes de ondas entre 10 nanmetros (10 x 10-9 metros) y 10 picometros (10 x 10-12 metros). La radiacin de rayos X oscila de 30 petahertz (PHz 1015 hertz) hasta 30 exahertz (EHz 1018 hertz). Los rayos X se encuentran subdivididos en rayos X duros y rayos X blandos. La baja energa de los rayos X blandos tienen longitud de onda ms larga, mientras que los rayos X duros de elevada energa tienen longitud de onda ms corta. La divisin entre los dos tipos de rayos X se encuentra a una longitud de onda aproximada de 100 picmetros, o a un nivel de energa aproximado de 10 keV por fotn. Los rayos X con energas entre 10 keV y unos cuantos cientos de keV se consideran rayos X duros. No hay una distincin precisa entre los rayos X de mayor energa y los rayos gamma de menor energa. De hecho, la distincin entre los rayos X y los rayos gamma se basa en el origen de la radiacin y no en la frecuencia o longitud de onda de las ondas electromagnticas. Los rayos gamma se producen a causa de transiciones nucleares, mientras que los rayos-X son resultado de la aceleracin de electrones.

Radiacin Ultravioleta. La siguiente frecuencia en el espectro es el ultravioleta (o rayos UV), que es la radiacin cuya longitud de onda es ms corta que el extremo violeta del espectro visible. Al ser muy energtica, la radiacin ultravioleta puede romper enlaces qumicos, haciendo a las molculas excepcionalmente reactivas o ionizndolas, lo que cambia su comportamiento. Las quemaduras solares, por ejemplo, estn causadas por los efectos perjudiciales de la radiacin UV en las clulas de la piel, y pueden causar incluso cncer de piel si la radiacin daa las molculas de ADN complejas en las clulas. El Sol emite una gran cantidad de radiacin UV, lo que podra convertir rpidamente la Tierra en un desierto estril si no fuera porque, en su mayor parte, es absorbida por la capa de ozono de la atmsfera antes de alcanzar la superficie. Sus longitudes de onda se extienden entre 10 y 400 nm ms cortas que las de la luz visible.

Rayos infrarrojos. La radiacin infrarroja fue descubierta por el astrnomo William Herschel (1738-1822) en 1800, al medir una zona ms caliente ms all de la zona roja del espectro visible. La radiacin infrarroja se localiza en el espectro entre 3x1011 Hz. hasta aproximadamente los 4x1014 Hz. La banda infrarroja se divide en tres secciones de acuerdo a su distancia a la zona visible: prxima (780 - 2500 nm), intermedia (2500 - 50000 nm) y lejana (50000 - 1mm). Toda molcula que tenga un temperatura superior al cero absoluto (-273 K) emite rayos infrarrojos y su cantidad est directamente relacionada con la temperatura del objeto.

Microondas. La frecuencia sper alta (SHF) y la frecuencia extremadamente alta (EHF) de las microondas son las siguientes en la escala de frecuencia. Las microondas son ondas los suficientemente cortas como para emplear guas de ondas metlicas tubulares de dimetro razonable. La energa de microondas se produce con tubos klistrn y tubos magnetrn, y con diodos de estado slido como los dispositivos Gunn e IMPATT. Las microondas son absorbidas por la molculas que tienen un momento dipolar en lquidos. En un horno microondas, este efecto se usa para calentar la comida. La radiacin de microondas de baja intensidad se utiliza en Wi-Fi. El horno microondas promedio, cuando est activo, est en un rango cercano y bastante poderoso como para causar interferencia con campos electromagnticos mal protegidos, como los que se encuentran en dispositivos mdicos mviles y aparatos electrnicos baratos. La regin de las microondas se encuentra entre los 109 hasta aproximadamente 3x1011 Hz (con longitud de onda entre 30 cm a 1 mm).

Ondas de Radio. Heinrich Hertz (1857-1894), en el ao de 1887, consigui detectar ondas de radio que tenan una longitud del orden de un metro. La regin de ondas de radio se extiende desde algunos Hertz hasta 109 Hz con longitudes de onda desde muchos kilmetros hasta menos de 30 cm. Las ondas de radio suelen ser utilizadas mediante antenas del tamao apropiado (segn el principio de resonancia), con longitudes de onda en los lmites de cientos de metros a aproximadamente un milmetro. Se usan para la transmisin de datos, a travs de la modulacin. La televisin, los telfonos mviles, las resonancias magnticas, o las redes inalmbricas y de radio-aficionados, son algunos usos populares de las ondas de radio. Las ondas de radio pueden transportar informacin variando la combinacin de amplitud, frecuencia y fase de la onda dentro de una banda de frecuencia. El uso del espectro de radio est regulado por muchos gobiernos mediante la asignacin de frecuencias. Cuando la radiacin electromagntica impacta sobre un conductor, se empareja con l y viaja a lo largo del mismo, induciendo una corriente elctrica en la superficie de ese conductor mediante la excitacin de los electrones del material de conduccin. Este efecto (el efecto piel) es usado en las antenas. La radiacin electromagntica tambin puede hacer que ciertas molculas absorban energa y se calienten, una caracterstica que se utiliza en los microondas.