01/10/2021

Introducción: todas las ondas electromagnéticas en el vacío viajan a la misma velocidad, equivalente a la constante universal c, con un valor aproximado de c=2,998 x 10⁸ m/s = 29,98 cm/ns (≈ 30 cm/ns)

En la parte 1 de esta noticia, vimos que la velocidad de las ondas electromagnéticas de las señales eléctricas se reduce a un 80-90% al transmitirse a través de un buen conductor metálico. Lo mismo sucede con la luz al desplazarse por diferentes medios:

v_vacío = c ≈ 2,998 x 10⁸ m/s

v_aire ≈ 2,997 x 10⁸ m/s

v_agua ≈ 2,250 x 10⁸ m/s

v_vidrio ≈ 1,970 x 10⁸ m/s

v_cuarzo ≈ 1,940 x 10⁸ m/s

v_silicio ≈ 0,748 x 10⁸ m/s

La fibra óptica es un hilo flexible y transparente hecho de vidrio (óxido de silicio, comúnmente conocido como sílice) o plástico con un diámetro del orden de un cabello humano.

La principal diferencia entre la fibra óptica y el vidrio normal es su atenuación, que en los cristales normales se sitúa en la franja 100-1000 dB/km, mientras la tecnología actual para la fabricación de fibra óptica permite alcanzar valores de atenuación tan bajos como 0,16 dB/km.

A modo de comparación, se podría mirar a través de una ventana de un kilómetro de espesor de fibra óptica con la misma claridad como hacerlo a través de un cristal estándar del espesor de un cabello.

La otra gran ventaja de esta tecnología es que la transmisión de la señal es por medio de láser. Al ser un haz de luz ‘coherente’, está portado en una única frecuencia, por lo que no presenta un fenómeno limitante como la distorsión de fase o amplitud que se presenta en la transmisión de pulsos eléctricos o en el espacio abierto.

Por tanto, su frecuencia de transmisión (o ancho de banda del canal) es muy superior. Con la tecnología actual, se pueden llegar a generar pulsos de luz láser con periodo de transmisión de hasta pocos femtosegundos (T=10^-15 s, f=10¹⁵ Hz) que equivale a 0,000001 nanosegundos, o el tiempo que la luz tarda en recorrer 0,3 micrómetros en el vacío.

Debido a la delgadez de su interior, a fibra óptica es una guía de ondas (1) para frecuencias ópticas. Para longitudes superiores a 1000 metros se suele emplear fibra óptica monomodo (SM) y para longitudes inferiores multimodo (MM).

En 2021 un equipo de trabajo conjunto del NICT, Nokia Bell Labs y Prysmian Group consiguieron alcanzar la transmisión récord de 1 Petabit/s = 1000 Terabits/s = 10⁶ Gigabits/s = 10¹⁵ bits/seg a través de una fibra óptica single-core quince-modal de 0,125mm.

(1) Una guía de ondas (waveguide) es cualquier estructura física que guía ondas electromagnéticas. En la guía de ondas los campos eléctricos y magnéticos están confinados en su interior por lo que las pérdidas e interferencias con otras señales son mínimas.

El número de frecuencias y formas de la señal que pueden propagarse en una guía de ondas se limita a los modos de propagación, que son las soluciones de las ecuaciones de onda derivadas de las ecuaciones de Maxwell, que satisfacen las condiciones de frontera o de contorno (boundary conditions)

La transmisión de señales en modos de propagación por guías de onda también se utiliza en las comunicaciones PLC (Power Line Communications) y para alimentar señales de microondas (práctica que va progresivamente en desuso).

Referencias: Wikipedia, Señales, La Ciencia de las Telecomunicaciones, John R. Pierce y A. Michael Noll, Editorial Reverté, S.A., 1995