La comunicación inalámbrica utiliza ondas electromagnéticas, y, para generalizar, tanto los métodos de comunicación alámbrica que utilizan fibra óptica como los métodos de comunicación inalámbrica que utilizan ondas electromagnéticas, esencialmente aprovechan la comunicación a través de la luz, colectivamente denominada comunicación óptica. Dentro de esto, la comunicación alámbrica que utiliza fibra óptica como medio se conoce como comunicación por fibra óptica.
Entonces, ¿por qué se utiliza la fibra óptica como medio de comunicación y se ha convertido, especialmente, en la corriente principal para la comunicación a larga distancia?
Tabla de contenidos
- Fundamentos y Ventajas de la Fibra Óptica
- Desarrollo Tecnológico en la Comunicación por Fibra Óptica
- Amplificación y Sistemas de Transmisión
- Evolución y Futuro de la Comunicación por Fibra Óptica
Fundamentos y Ventajas de la Fibra Óptica
Para convertirse en un medio de transmisión de comunicaciones, se evalúan principalmente dos indicadores: la distancia de transmisión y la capacidad de información.
La distancia de transmisión está estrechamente relacionada con la pérdida; obviamente, cuanto menor sea la pérdida, mejor. La pérdida de transmisión de los cables coaxiales puede alcanzar más de diez dB por kilómetro, mientras que la pérdida en la fibra óptica es mucho menor. Según la fibra óptica más reciente G.654E, la atenuación en la ventana de 1550 nm ya ha alcanzado menos de 0.17 dB/km, lo que será beneficioso para el despliegue de sistemas de comunicación de fibra óptica de 400G, y también es la mejor elección para medios de transmisión de comunicaciones submarinas.
Otro factor, la capacidad de información, o la capacidad de comunicación, se refiere a la cantidad de datos transmitidos en una unidad de tiempo. Cuanto más alta es la frecuencia, mayor es la cantidad de datos que se pueden transmitir en una unidad de tiempo, y por lo tanto, mayor es la capacidad de comunicación. Los cables de comunicación convencionales tienen una frecuencia máxima de uso de aproximadamente 106 Hz, mientras que la frecuencia de trabajo de la fibra óptica está entre 1014-1015 Hz. Se puede ver que la frecuencia de la fibra óptica es varias veces mayor.
En cuanto a la comunicación por fibra óptica, generalmente usamos el producto de la tasa de bits y la distancia, conocido como el producto BL (Bit rate-Distance product), donde B es la tasa de bits y L es la distancia entre repetidores. Su unidad es millones de hercios por kilómetro (MHz×km), y se utiliza el producto de estos dos valores como indicador porque generalmente no es posible mejorar ambos valores al mismo tiempo, sino que se debe hacer una elección.
Por lo tanto, se puede ver que la fibra óptica tiene ventajas considerables como medio de transmisión, especialmente porque la fibra óptica también tiene una fuerte resistencia a las interferencias electromagnéticas.
Desarrollo Tecnológico en la Comunicación por Fibra Óptica
A continuación, veamos qué han hecho tantos científicos a lo largo de los años para lograr la comunicación por fibra óptica.
Para la comunicación por cable óptico, los principales dispositivos involucrados son los láseres que sirven como fuentes de luz para la transmisión y recepción. El medio de transmisión son las fibras ópticas y los amplificadores ópticos para aumentar la distancia de transmisión.
En cuanto a los láseres, hay tres tipos de fuentes de luz: láseres de semiconductor, diodos emisores de luz (LED) de semiconductor y láseres no semiconductores. En los sistemas de comunicación por cables de fibra óptica reales, los más utilizados son los láseres de semiconductor, es decir, los diodos láser, denotados como LD. Fueron inventados por el científico soviético H.Γ. Basov en 1960. La estructura de un láser de semiconductor generalmente consta de una región P, una región N y una región activa que forma una heteroestructura doble, con longitudes de onda de operación entre 700-900nm.
Unos años más tarde, los láseres de arseniuro de galio e indio fosfuro que operan en el rango de 1200-1650nm fueron desarrollados con éxito en los Laboratorios Bell, proporcionando una fuente de luz más adecuada para la comunicación por fibra óptica. Esto permitió el desarrollo de tecnologías de transmisión de división de longitud de onda en la comunicación por fibra óptica. Al mismo tiempo, los dispositivos en el extremo receptor de la luz evolucionaron desde diodos PIN hasta diodos APD de avalancha, dependiendo del escenario de aplicación específico.
En cuanto a la fibra óptica, probablemente todos estén más familiarizados con ella. Un avance teórico significativo fue el artículo «Ondas superficiales de guía de onda de fibra de medio de frecuencia óptica» publicado por el científico Charles Kao, que hizo posible el uso de fibras ópticas como medio de transmisión.
Más tarde, la compañía estadounidense Corning (una fabricante de vidrio establecida en 1851, la primera en fabricar bombillas de vidrio para las lámparas eléctricas inventadas por Edison), comenzó discretamente la investigación y desarrollo y en 1970 logró producir fibra óptica con una pérdida de alrededor de 20dB/km. Poco después, Corning produjo una fibra multimodo con una pérdida tan baja como 4dB/km, llevando la comunicación por fibra óptica de la teoría a la aplicación. A continuación, veamos qué tan rápido ha disminuido la pérdida en las fibras ópticas:
- 1970: 20dB/km
- 1972: 4dB/km
- 1974: 1.1dB/km
- 1976: 0.5dB/km
- 1979: 0.2dB/km
Como se mencionó anteriormente, la pérdida en la fibra óptica comercial G.654E ya ha alcanzado menos de 0.17dB/km.
Amplificación y Sistemas de Transmisión
La comunicación por fibra óptica funciona dentro de una zona de baja pérdida en la fibra óptica, es decir, dentro de un determinado rango de longitudes de onda. Para transmitir a mayores distancias, es necesario amplificar la señal en algún punto intermedio (existen relés eléctricos y ópticos, aquí nos referimos a los ópticos). Esto es similar a cuando hacemos un viaje largo en coche y necesitamos parar en una estación de servicio para recargar combustible o electricidad. Algunos coches necesitan gasolina de 92 octanos, otros de 95, y algunos son eléctricos. Para los sistemas de transmisión a larga distancia en comunicaciones por fibra óptica, el sistema dominante es DWDM (Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa), que opera principalmente en la banda C. Entonces, ¿qué sustancia puede «recargar» las señales en la banda C?
Los científicos buscaron en la tabla periódica elementos adecuados y finalmente, en 1985, la Universidad de Southampton en el Reino Unido logró desarrollar con éxito el Amplificador de Fibra Dopada con Erbio (EDFA), compuesto por fibra dopada con erbio (de aproximadamente 10-30m de longitud) y una fuente de luz de bombeo. La fibra dopada con erbio tiene iones del elemento de tierras raras erbio (Er) mezclados en la fibra óptica pura, y a través de la radiación estimulada entre la luz de bombeo y los iones de erbio, la señal óptica se amplifica.
Evolución y Futuro de la Comunicación por Fibra Óptica
Con estos aspectos principales como base, los sistemas de fibra óptica han podido desarrollarse y avanzar. El primer sistema de comunicación por fibra óptica fue desarrollado en Estados Unidos, con una tasa de datos de 45Mb/s y una distancia de relé de 10km. En 1980, Estados Unidos desarrolló un sistema de comunicación por fibra óptica multimodo de 140Mb/s. Y en 1989, se completó el primer sistema de cable submarino transpacífico del mundo. En 1993, los productos tecnológicos SDH comenzaron a desplegarse comercialmente, y en 1997, se lograron avances significativos en productos de tecnología de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) de 20Gb/s y 40Gb/s.
Es evidente que la evolución de la comunicación por fibra óptica ha sido increíblemente rápida. Hasta el día de hoy, seguimos buscando formas de aumentar la capacidad de transmisión de los sistemas de comunicación por fibra óptica.