Introducción

Durante siglos, la humanidad ha buscado formas de utilizar la luz para la comunicación, desde balizas luminosas y telégrafos de semáforos hasta los modernos enlaces láser. Sin embargo, en el espacio libre, la energía luminosa se dispersa y disminuye rápidamente con la distancia. Esto se debe a la ley del cuadrado inverso, que establece que la intensidad de la luz disminuye proporcionalmente al cuadrado de la distancia a la fuente. En la práctica, un receptor alejado de una fuente de luz capta solo una pequeña fracción de la luz emitida, lo que produce señales débiles.

La Figura 1 ilustra cómo la intensidad de la luz disminuye a medida que aumenta la distancia. Para superar esta dilución geométrica de la luz, los ingenieros emplean guías de onda, estructuras que confinan y dirigen la luz. Una fibra óptica es esencialmente una guía de onda transparente que canaliza la luz en una sola dirección, de forma similar a como una tubería transporta agua sin derramarse. Al guiar la luz, las fibras ópticas evitan la dispersión de energía en el espacio, lo que permite la transmisión eficiente de información a largas distancias sin las graves pérdidas que sufriría un haz de propagación libre. Este principio permitió el desarrollo de las actuales redes de comunicación de fibra óptica de alta capacidad que abarcan todo el mundo.

fibras ópticas de sílice

El aprovechamiento de la luz para las comunicaciones a larga distancia se hizo posible con la invención de la fibra óptica de sílice a finales del siglo XX. Si bien los conceptos rudimentarios de guía de luz se remontan a la demostración de la reflexión interna total realizada por John Tyndall en la década de 1870 con una fuente de agua, la fibra óptica moderna comenzó realmente en la década de 1960. En 1966, el Dr. Charles K. Kao y George Hockham publicaron un artículo histórico en el que proponían que las fibras de vidrio de sílice purificadas podrían utilizarse para transportar señales a largas distancias [1]. En aquel entonces, las fibras de vidrio presentaban una pérdida extremadamente alta (más de 1000 dB/km), lo que significaba que la luz solo podía viajar unos pocos metros antes de desvanecerse. Kao calculó que si la atenuación de la fibra se pudiera reducir por debajo de unos 20 dB/km, sería posible la comunicación óptica a kilómetros de distancia. Esta audaz visión le valió a Kao el apodo de "Padre de la Fibra Óptica" (y una parte del Premio Nobel de Física de 2009). Esto desencadenó una carrera mundial para crear fibras de vidrio ultrapuras.

El gran avance se produjo en 1970, cuando investigadores de Corning Glass Works (Robert Maurer, Donald Keck, Peter Schultz y Frank Zimar; véase la figura 2) lograron la primera fibra óptica de baja pérdida. Su fibra de sílice presentaba una atenuación de aproximadamente 17 dB/km en longitudes de onda de luz roja, una mejora asombrosa, aunque aún superior al objetivo de Kao. El progreso fue rápido: para 1972, Corning contaba con fibras con una pérdida de tan solo ~4 dB/km, y para 1979, las pérdidas se redujeron a ~0,2 dB/km en las longitudes de onda infrarrojas óptimas.

Para contextualizar, 0,2 dB/km significa que más del 50 % de la luz permanece después de 1 km de fibra, lo que permite enlaces de fibra de decenas de kilómetros con amplificación periódica. Este logro revolucionó el campo de las comunicaciones por fibra óptica y sentó las bases del internet global. Hoy en día, la fibra de sílice constituye la columna vertebral de las telecomunicaciones, transportando de forma fiable señales de datos, telefonía y vídeo a una velocidad cercana a la de la luz a través de océanos y continentes.

Fundamentos de las fibras ópticas de sílice

La magia de las fibras ópticas reside en un principio óptico simple pero potente: la reflexión interna total (TIR). Como se ilustra en la Figura 3, una fibra consta de un núcleo de sílice transparente rodeado por un revestimiento de bajo índice de refracción. La vista transversal resalta esta estructura en capas, mientras que la vista lateral muestra cómo los rayos de luz se reflejan repetidamente dentro del núcleo, lo que permite que las señales se propaguen a largas distancias con mínimas pérdidas. Cuando la luz que viaja en el núcleo alcanza el límite entre el núcleo y el revestimiento con un ángulo pequeño, se refleja de vuelta al núcleo en lugar de refractarse. Si el ángulo de incidencia es inferior a un cierto ángulo crítico, toda la luz se refleja internamente; esto se conoce como reflexión interna total. En esencia, el revestimiento de la fibra actúa como un espejo que mantiene la luz atrapada dentro del núcleo. Una vez que la luz se inyecta en el núcleo con un ángulo adecuado (dentro del cono de aceptación de la fibra, definido por su apertura numérica), zigzaguea a lo largo de la fibra, reflejándose en las paredes internas y manteniendo su trayectoria a lo largo de la fibra. Gracias a este mecanismo, las fibras pueden guiar la luz en curvas y a grandes distancias con mínimas pérdidas. El vidrio en sí es sílice pura ultratransparente, por lo que absorbe poca luz al viajar (las fibras modernas absorben solo un pequeño porcentaje de luz por kilómetro). Una capa protectora (generalmente de polímero acrílico) rodea el revestimiento para proporcionar resistencia mecánica y evitar la humedad y las impurezas.

Fibras monomodo y multimodo

No todas las fibras ópticas son iguales; existen diferentes tipos optimizados para diversas aplicaciones. Las dos categorías principales son la fibra monomodo (SMF) y la fibra multimodo (MMF). La distinción radica en el diámetro del núcleo y en cómo viaja la luz en la fibra:

Fibra monomodo: Como su nombre indica, una fibra monomodo contiene un núcleo muy estrecho, típicamente de entre 8 y 10 µm de diámetro (véase la Figura 3). Este pequeño núcleo solo permite una trayectoria (modo) para la propagación de la luz. En esencia, la luz viaja en un único modo, similar a un rayo, directamente a través de la fibra. Al eliminar múltiples trayectorias, la SMF evita el problema de la llegada de diferentes rayos de luz en momentos distintos. Esto proporciona el mayor ancho de banda y el mayor alcance, ideal para enlaces de comunicación de larga distancia, redes de datos de alta velocidad y cables submarinos. Las fibras monomodo típicas están diseñadas para longitudes de onda de entre 1310 nm y 1550 nm, donde la pérdida de sílice es mínima. De hecho, la mayoría de los sistemas de telecomunicaciones utilizan fibra monomodo con láseres infrarrojos a 1550 nm (y a 1310 nm para algunos enlaces más cortos). El núcleo estrecho del SMF requiere fuentes láser y alineación precisas, lo que hace que los transmisores sean ligeramente más caros, pero se compensa con una distancia y una velocidad de datos prácticamente ilimitadas (decenas de terabits por segundo a lo largo de cientos de kilómetros con amplificación).

Fibra multimodo: Una fibra multimodo tiene un núcleo más grande, típicamente de 50 o 62,5 µm, que admite múltiples trayectorias de luz (modos), como se muestra en la Figura 3. Los LED o los láseres VCSEL de menor costo (típicamente con una longitud de onda de 850 nm) pueden excitar fácilmente las fibras multimodo. La MMF se utiliza principalmente para enlaces de corta distancia, como dentro de edificios o centros de datos (hasta unos pocos cientos de metros). Debido a que los múltiples modos viajan a velocidades ligeramente diferentes, un pulso de luz corto tiende a dispersarse (dispersión modal) a lo largo de la distancia, lo que limita la velocidad de datos y la distancia en comparación con la fibra monomodo. La fibra multimodo generalmente está optimizada para longitudes de onda de 850 nm y 1300 nm (las llamadas primera y segunda ventanas de telecomunicaciones para la fibra más antigua). Es perfecta para conexiones económicas en redes LAN, redes de fábrica o equipos audiovisuales a distancias de decenas a cientos de metros. La contrapartida es una mayor atenuación (~3 dB/km a 850 nm, superior a la de SMF a 1550 nm) y una relación ancho de banda-distancia significativamente menor. Sin embargo, el equipo (transceptores, conectores) puede ser más económico y tolerar mejor las ligeras desalineaciones gracias al núcleo más ancho. En resumen, monomodo = larga distancia, alto ancho de banda; multimodo = corta distancia, menor coste.

Ventanas de transmisión en fibra de sílice

Las fibras ópticas de sílice tienen ciertas ventanas de longitud de onda preferidas donde presentan mínima pérdida de señal y distorsión. Esto se debe a que la atenuación en el vidrio no es uniforme en todos los colores de la luz; depende de las características de absorción y dispersión del material. Las fibras de telecomunicaciones operan en el rango del infrarrojo cercano, aproximadamente de 850 nm a 1600 nm, donde el sílice es más transparente. Existen varias bandas estándar (o "ventanas") en este rango:

• Primera ventana (banda de 850 nm): Históricamente utilizada con las primeras fibras multimodo y fuentes LED. La atenuación en esta banda es mayor (~2–3 dB/km) y la dispersión es más significativa a longitudes de onda más cortas. Actualmente, la banda de 850 nm sigue siendo importante para enlaces multimodo cortos (p. ej., en centros de datos), que a menudo utilizan láseres VCSEL, pero no se utiliza para enlaces de larga distancia debido a las pérdidas. (Esta banda corresponde a la región superior del espectro visible/IR cercano y a veces se denomina simplemente "banda de 850 nm").
• Banda O (1260–1360 nm): La banda original utilizada en comunicaciones ópticas. Los primeros sistemas de fibra monomodo de la década de 1980 utilizaban ~1310 nm debido a que la dispersión de la fibra es muy baja en esa zona (los pulsos no se dispersan mucho) y el material podía fabricarse con pérdidas razonablemente bajas. La banda O era atractiva, ya que las fibras de la década de 1970 tenían su pérdida mínima cerca de 1300 nm. La atenuación en la banda O suele rondar los 0,4–0,5 dB/km en las fibras modernas; una buena, pero no la mejor.
• Banda E (1360–1460 nm): La banda extendida. Inicialmente, se evitó esta región porque las primeras fibras presentaban un pico de pérdida elevado alrededor de 1383 nm debido a la absorción por trazas de OH⁻ (agua) en el vidrio. Las mejoras en la fabricación (técnicas de deshidratación) redujeron posteriormente este "pico de agua", lo que permitió el uso de la banda E en algunas aplicaciones. Sin embargo, muchas fibras antiguas aún presentan una pérdida elevada en este rango, por lo que la banda E se utiliza con menos frecuencia en la práctica.
• Banda S (1460–1530 nm): Banda de longitud de onda corta justo por debajo de la banda C. La atenuación de la fibra en esta banda es ligeramente superior al mínimo absoluto, pero aún bastante baja, y la banda S puede utilizarse para aumentar la capacidad en algunos sistemas. Las redes ópticas pasivas (como los sistemas de fibra óptica hasta el hogar) suelen utilizar alrededor de 1490 nm (en banda S) para las señales descendentes. Existe un creciente interés en el uso de la banda S junto con la banda C para ampliar el ancho de banda de la fibra (con nuevas tecnologías de amplificación).
• Banda C (1530–1565 nm): La banda convencional y la ventana más utilizada para las comunicaciones a larga distancia. Aquí es donde la atenuación de la fibra de sílice alcanza su mínimo histórico, alrededor de 0,2 dB/km, gracias a la mínima dispersión de Rayleigh y a una absorción intrínseca muy baja. La banda C es la herramienta fundamental de las telecomunicaciones ópticas; se utiliza en cables submarinos y redes troncales. Los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA), una tecnología esencial de fibra óptica, también están optimizados para la banda C, lo que facilita la amplificación de señales en este rango. (1550 nm, el centro de la banda C, se considera a menudo la "tercera ventana" de la fibra óptica y la longitud de onda óptima para la pérdida).
• Banda L (1565–1625 nm): Banda de longitud de onda larga. La pérdida de sílice se mantiene baja en la banda L, solo ligeramente superior a la de la banda C. Muchos sistemas modernos se han extendido a la banda L para prácticamente duplicar el espectro disponible, especialmente para sistemas WDM (multiplexación por división de longitud de onda) densos de alta capacidad. Los EDFA también se pueden crear para la banda L. El uso conjunto de las bandas C+L es ahora común en cables submarinos y redes de larga distancia para transportar más canales de datos.
• Banda U (1625–1675 nm): Banda de longitud de onda ultralarga, en el límite del rango de baja pérdida del sílice. Aquí, la atenuación de la fibra comienza a aumentar debido a la absorción infrarroja. La banda U no se suele utilizar para canales de datos, pero a veces se reserva para la monitorización de la fibra y las señales de mantenimiento de la red (al estar fuera del rango de tráfico normal, se puede enviar una señal de prueba para comprobar el estado de la fibra).

La Figura 4 muestra una curva representativa de atenuación para la fibra de sílice en función de la longitud de onda, destacando estas bandas de telecomunicaciones y sus características de pérdida. Al seleccionar longitudes de onda en estas ventanas óptimas, los ingenieros minimizan la atenuación y dispersión de la señal, lo que permite que los datos viajen decenas o cientos de kilómetros entre repetidores. Los sistemas de fibra modernos suelen operar en torno a 1310 nm (para enlaces más cortos o donde se requiere baja dispersión) y 1550 nm (para enlaces más largos y multiplexación densa de longitudes de onda). El desarrollo de ventanas de fibra de baja pérdida es una de las razones por las que las redes ópticas pueden transportar cantidades masivas de información a distancias transcontinentales con relativamente pocos amplificadores.

Technologie Optic.ca, líder canadiense en innovación en fibra óptica, desarrolla y da soporte activamente a sistemas de fibra en todo el espectro de telecomunicaciones, desde la banda O hasta la banda U. Sus líneas de productos incluyen transceptores y cables de conexión directa optimizados para longitudes de onda de 850 nm a 1675 nm, lo que permite un rendimiento robusto en aplicaciones de corto y largo alcance.

Desafíos y limitaciones de la fibra de sílice

Las fibras de sílice de núcleo sólido convencionales han permitido avances increíbles en las comunicaciones, pero también presentan desafíos y limitaciones:

Límites de atenuación y ancho de banda: A pesar de su extrema transparencia, la fibra de sílice no es completamente libre de pérdidas. Incluso a 1550 nm con una pérdida de ~0,2 dB/km, una señal perderá aproximadamente la mitad de su potencia cada 15 km. En largas distancias, las fibras necesitan amplificadores ópticos periódicos o repetidores. Además, el ancho de banda de la fibra es alto, pero no infinito; efectos como la dispersión cromática (velocidad dependiente de la longitud de onda) pueden difuminar las señales a largas distancias, lo que requiere compensación de dispersión o formatos de modulación sofisticados. Las ventanas de telecomunicaciones definidas existen porque fuera de estos rangos, la pérdida aumenta considerablemente (por ejemplo, debido a la absorción ultravioleta en longitudes de onda más cortas y a las vibraciones del material que absorben la luz en longitudes de onda más largas). Los ingenieros deben seleccionar cuidadosamente los láseres y los tipos de fibra para optimizar el rendimiento de la aplicación, equilibrando la atenuación y la dispersión.

Manipulación física y contaminación: Las fibras de sílice son finísimas (125 µm de diámetro exterior para el vidrio) y requieren una manipulación cuidadosa. Al empalmar fibras o conectar conectores, las superficies de vidrio deben estar impecablemente limpias. Cualquier partícula de polvo o suciedad en el extremo de un conector de fibra puede causar una pérdida óptica significativa y reflexiones de señal. Un conector contaminado no solo degrada la señal, sino que incluso puede dañar la fibra o el receptor; por ejemplo, la suciedad en el extremo de una fibra puede quemarse en el vidrio por la luz intensa, causando una atenuación permanente. Por lo tanto, los cables de fibra óptica requieren conexiones limpias y pulidas, y a menudo, tapas protectoras al desconectarlos. Los técnicos están capacitados para inspeccionar y limpiar meticulosamente los conectores con herramientas especializadas, ya que incluso los residuos microscópicos pueden interrumpir un flujo de datos de 40 Gb/s o 100 Gb/s. Además, aunque las fibras se pueden doblar en las esquinas, doblarlas demasiado puede provocar que se escape la luz (pérdida por curvatura) o incluso romper la fibra, por lo que se deben respetar las pautas de radio de curvatura mínimo (normalmente, no más pronunciado que un radio de unos pocos centímetros para la fibra estándar).

El equipo de investigación y desarrollo de Technologie Optic.ca trabaja activamente en los desafíos de contaminación de las fibras de sílice mediante la aplicación de técnicas científicas de vanguardia. Su enfoque consiste en explorar tanto la composición estructural como la naturaleza fundamental de diversos contaminantes para comprender cómo estas impurezas alteran la estructura cristalina de la fibra. Tras este análisis, el equipo busca desarrollar métodos para eliminar estos contaminantes o mitigar su impacto en el rendimiento de las fibras ópticas de sílice.

Efectos ópticos no lineales: Cuando la potencia óptica de una fibra óptica es muy alta o cuando muchos canales se multiplexan mediante WDM, las no linealidades de la fibra entran en juego. En una fibra, la luz está estrechamente confinada en una sección transversal diminuta, lo que significa que la intensidad óptica (potencia por área) puede alcanzar valores considerables incluso a niveles de potencia moderados. A lo largo de decenas de kilómetros, estas intensidades inducen interacciones no lineales en el vidrio. El más común es el efecto Kerr, en el que el índice de refracción del sílice aumenta ligeramente con la intensidad de la luz. Esto puede causar fenómenos como la automodulación de fase, la modulación de fase cruzada (entre canales de diferentes longitudes de onda) y la mezcla de cuatro ondas, todos los cuales pueden distorsionar la señal o crear interferencias entre canales. Otros efectos no lineales incluyen la dispersión Raman y la dispersión Brillouin, que pueden transferir la luz a diferentes frecuencias y causar pérdida o ruido. La respuesta no lineal de Kerr del sílice impone un límite fundamental a la cantidad de información que se puede enviar a través de una sola fibra, a menudo denominado "límite de Shannon no lineal" en las comunicaciones por fibra. Para gestionar estos efectos, los sistemas limitan la potencia por canal, utilizan procesamiento avanzado de señales para compensar la distorsión o incluso nuevos diseños de fibra para mitigar la no linealidad. Las no linealidades no son un factor a baja potencia (p. ej., tendidos cortos de fibra o enlaces más lentos), pero en cables de larga distancia de alta velocidad de datos que transportan docenas de canales de longitud de onda intensa, se convierten en un problema crítico de diseño.

Latencia (Velocidad de la Luz en Fibra): Aunque a menudo se habla de comunicaciones a "la velocidad de la luz", en fibra óptica esto se refiere en realidad a la velocidad de la luz en el vidrio, que es un poco más lenta que en el vacío. La luz en sílice viaja a aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz en el aire/vacío debido al índice de refracción (~1,5) del vidrio. En números, la luz viaja a unos 300.000 km/s en el vacío, pero a unos 200.000 km/s en fibra. Esto significa que existe una latencia inherente de unos 5 microsegundos por kilómetro de fibra. En distancias transoceánicas (digamos 10.000 km), los enlaces de fibra incurren en un retardo unidireccional de aproximadamente 50 milisegundos solo por el tiempo de propagación. En la mayoría de las aplicaciones, este ligero retardo es insignificante (las ventajas de la fibra lo compensan con creces), pero en ciertos contextos de comercio de alta frecuencia o supercomputación, incluso estos milisegundos son importantes. Los esfuerzos para reducir la latencia incluyen encontrar rutas más rectas para las fibras y, en casos de vanguardia, explorar nuevos tipos de fibras (como discutiremos a continuación) que permitan que la luz viaje más rápido.

El auge de la fibra de núcleo hueco

Para abordar las limitaciones inherentes de las fibras de sílice convencionales, los investigadores han introducido las fibras de núcleo hueco (HCF), una clase avanzada de fibras ópticas en las que la luz viaja a través de un núcleo lleno de aire (o vacío) en lugar de vidrio sólido. Su funcionamiento se basa en estructuras de revestimiento diseñadas con precisión, como diseños de banda prohibida fotónica o antirresonantes, que confinan y guían la luz dentro del centro hueco. Dado que el campo óptico interactúa predominantemente con el aire en lugar de con el sílice, las HCF presentan varias ventajas de rendimiento distintivas. Como empresa con visión de futuro, Technologie Optic.ca participa activamente en el desarrollo de tecnologías de fibra de última generación, incluidas las fibras de núcleo hueco. Su investigación y oferta de productos reflejan el compromiso de ampliar los límites de la transmisión óptica, desde las fibras de sílice convencionales hasta los diseños avanzados guiados por aire. Para un análisis detallado de la tecnología HCF, consulte nuestro artículo dedicado a las fibras de núcleo hueco, disponible en la sección Base de conocimientos del sitio web de Technologie Optic.ca.

El equipo de ingeniería de Technologie Optic.ca diseña activamente sistemas de comunicación avanzados que operan en una amplia gama de longitudes de onda, desde enlaces multimodo de corto alcance hasta redes monomodo de larga distancia. Su trabajo abarca todo el espectro de telecomunicaciones, desde la banda O hasta la banda U, garantizando la compatibilidad con infraestructuras modernas y tecnologías emergentes. Para más información o para contactar con nuestros expertos, visite https://www.optic.ca/ .

Referencia