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GUIADO DE LA LUZ
Santiago Aguilera [email protected]
Departamento de Tecnología Fotónica
E.T.S.I.Telecomunicación-UPM
Daniel Colladon John Tyndall
Colladon (en Génova en 1841).Tyndall (colaborador de Farady) realizó un experimento parecido enLondres, En 1854.
La historia reconoce a Tyndall como el descubridor del efecto de lareflexión total, por muchos intentos que hizo Colladon para reivindicarsu anterior experimento.
PRIMEROS EXPERIMENTOS DE GUIADO DE LA LUZ
Bell presenta el fotófono en 1880, basado en las propiedadesdel selenio: Varía su resistencia con la luz.
Patente US 247.229 de WilliamWheeler (1881) para la iluminaciónde recintos mediante tuberías devidrio recubiertas con una películaMetálica. No emplea reflexión totalsino solo reflexión sobre unasuperficie metálica.
En esa época, conseguir fuentesde luz era complicado, y parecíamás sencillo tener una sola fuentey distribuir la luz, que poner unafuente en cada dependencia quese necesite iluminar.
FUENTES LUMINOSAS
En la década de 1880 hubo una gran proliferación de fuentesiluminadas.
Las primeras en una exposición de Londres de 1884.Luz producida por arcos eléctricos, coloreada por filtros, y orientadaal chorro de agua mediante lentes. La luz inicialmente rodeaba elchorro, hasta que una parte quedaba confinada en su interior.
En 1887 otra exposición en Manchester.
Las mas exitosas, en la Exposición Universal de Paris de 1889.
Fuente iluminada, Exposición Universal de París, 1889
Fuente iluminada, Exposición Universal de París, 1889
Chorros huecos, en cuyo interior seIntroducía la luz.
Ojo, este esquema no escorrecta.
A principios del siglo XX se insertan fibras de vidrio en los vestidos paradarles brillo.
En 1927 Clarence Weston Hansell, director de la RCA (Radio Corporation ofAmerica), solicita una patente sobre transmisión de imágenes a través defibras. Generó mas de 300 patentes a lo largo de su vida, casi todas en elcampo de la radio.
También en 1930 Heinrich Lamm (médico Alemán), transmite las primerasImágenes a través de un mazo de fibras. Utiliza este sistema con pacientes.No le es aceptada una patente, por haber una previa parecida, de Hansell
Imagen de un filamento incandescente
Izda. Toma directa.
Dcha. Tomada por Lamm con su mazoDe fibras.
Abraham Van Heel, profesor de óptica en la universidad deDelf (Holanda), trabaja en un periscopio de submarino basadoen un mazo de fibras, para Alemania, después de la SegundaGuerra Mundial. Colabora con BrianO’Brien, presidente de la OpticalSociety of America, y hacen las siguientes dos propuestas:
Poner una cubierta a las fibras, para que no pase la luz de unas aotras cuando se toquen. Se proponen aceites como cubierta.Si construir una fibra es muy difícil, añadir además la cubierta,Imposible.
Si se desordenan las fibras en su mitad, y se corta el mazo endos trozos, sirve para codificar imágenes. Por este proyecto estuvomuy interesada la CIA, hasta que se descubrió, que si siempre seencripta con el mismo algoritmo, el sistema es muy vulnerable.
En 1951 Harold H. Hopkins (Imperial College de Londres)) animado por unmédico, se plantea desarrollar un Endoscopio. Consigue financiación ycontrata a Narinder S. Kapany para hacer la tesis en ese tema.
Construyen un endoscopio de 1,2 metros de largo con 15.000 fibras de 20µm
Publican un artículo de gran trascendencia: H.H.Hopkins and N.S.Kapany:“A flexible fiberscope, using static scanning”. Nature 173, pp. 39-41(jan. 2, 1954).
Basil Hirschowitz, médico de origen Sudafricano, formado en Londres ytrabajando en Michigan, lee el artículo previo y se entusiasma por la idea.
Contrata a Lawrence Curtiss y se ponen a desarrollar. En 1956 deciden poneruna cubierta a las fibras. Curtiss es el primero en construir una fibra concubierta.
Cilindro de vidrio
Tubo de índice menor
PROCEDIMIENTO UTILIZADO PARACONSTRUIR LA FIBRA CON CUBIERTA
Sistema con 40.000 fibras de 0.04 µm.
Diámetro total 8mm.
El 28 de Diciembre de 1956 hicieron una patente sobre el Endoscopio.
El 6 de Mayo de 1957 otra sobre la fibra con cubierta.
El 18 de Febrero de 1957 lo prueba Hirschowitz con el primer paciente,después de que días antes lo haya probado consigo mismo.
El 1960 ACMI Ltd. produce losprimeros endoscopioscomerciales.
Este es el sistema que se hautilizado hasta la llegada delos diminutos sistemas devídeo. El primer endoscopiocon esta tecnología aparecióEn 1983.
Por el canal de aire se puede soplaro aspirar.
La iluminación puede ser bien a travésde fibras, o directamente con una lámpara
Entre 1960, aparición del Láser de Rubi de Maiman, y 1970, Maurerpresenta fibras útiles, aparecen numerosas especulaciones paratransmitir la luz.
Ojo, las fibras utilizadas en endoscopia, sirven para transmitir la luza un metro, no más.
Transmisión por el aire: muy dependiente de las condicionesclimatológicas, ATT quiere sistemas de comunicación que esténfuera de servicio menos de una hora al año.
Guía de un haz de luz mediante una secuencia de lentes (Miller et al, PIEEE, 54, 1307. 1966)
En Bell Labs (1966) propuesta de tubo hueco con lentes para evitarque el haz incidiese en las paredes.
Llegan a hacer una prueba con un tubo de 15cm de diámetro, ylongitud de 970 mts.
Muy optimistas calculan espaciado de lentes cada 840 mts, y deamplificadores cada 650Km.
Problemas de inestabilidad: cambios de temperatura, vibraciones,doblar el tubo…
Esquema de una lente tubular térmicade gas, con las distribucionescorrespondientes de velocidad,temperatura e índice de refracción delgas.(Miller et al, PIEEE, 54, 1308. 1966)
Otra propuesta fue la de sustituir las lentes de vidrio por“lentes de gas”.
Variando velocidad de gas, y temperatura, podemos varias el perfildel índice de refracción.
Trabajos de George Hockham y Charles Kao en Standard TelecommunicationLaboratories.
Dada la potencia de los emisores, y la sensibilidad de los detectores ópticos,disponemos un margen de 40db, para la atenuación del medio.
Las comunicaciones ópticas serían rentables con amplificadores espaciadoscada 2Km, por lo que se necesitan fibras con atenuaciones de 20db/Km.
El elemento mas adecuado es el cristal, y la pregunta es: Se puede llegar conel cristal a estos niveles?.
Entonces el cristal mas puro tenía atenuaciones de 1000db/Km, porque nadiehabía tenido necesidades de mayores purezas, y por lo tanto claridades.
Dos tipos de problemas posibles:
1. Irregularidades en las dimensiones: Las imperfecciones en la uniónnúcleo-cubierta pueden generar nuevos modos, y emisiones hacia elexterior.
Hockham estudió el problema, incluso se hizo un prototipo a nivel de µ-ondaspara medir, y llegó a la conclusión de que las pérdidas eran irrelevantes.
2. Charles Kao estudió los problemas del material.
Tres posibles problemas en el material:
Reflexión en las superficies, solo se produce una al principio y otra al final,irrelevante.
Scattering: dispersión de la luz, por choques con los átomos del cristal.En un primer estudio calculó valores menores de 5db/Km, posterioresestudios lo pusieron en 1dB/km.
Absorción de la luz por impurezas. La pregunta es: se pueden reducirLas impurezas hasta llegar a un nivel de atenuación aceptable. Kao noentiende de cristal y no la sabe responder.
Prof. Rawson del Sheffield Institute of Glass Technology dijo que sí eraposible.
Artículo: K.C.Kao and G.A.Hockham“Dielectric-fibre surface waveguides foroptical frequencies” Proceedings IEE 113 pp 1151-1158 (Julio de 1966)El artículo fue enviado en Noviembre de 1965.
Fibra óptica interesa mucho al ejército. Explosiones nucleares producenfuertes campos, que inducen fuertes corrientes en los cables eléctricos,que deterioran los equipos a los que están conectados, además en casoscomo aviones las longitudes de fibra necesaria son cortas; se pueden permitirmayores atenuaciones.
Zen-ichi Kiyasu y Jun-ichi Nishizawa proponen en 1966 la fibra deÍndice gradual. Grandes ventajas:
Disminuye la dispersión del pulso, entre 100 y 1000 veces.
Es mas fácil de acoplar a los láseres que la monomodo, por ser sudiámetro mayor.
En 1969 consiguen pérdidas de 100db/Km.
A finales de los sesenta, son muchos los que persiguen fibras debaja atenuación, pero es Robert Maurer y sus colaboradores,en la Corning Glass, quienes primero lo consiguen.
Donal Keck, Robert Maurer y Peter Schultzdespués de haber conseguido las fibrasde baja atenuación.
Corning es una empresa de gran experiencia en tecnología del vidrio.
Utilizan silice fundida, el proceso que puede producir material más puro.
Otros no tenían hornos de suficiente potencia para llegar a esastemperaturas.
El vidrio puro tiene un índice de refracción muy bajo, para formar elnúcleo hay que doparlo. Las primeras fibras con titanio, después congermanio. El titanio tiene una estructura muy distinta del silicio, y dabamuchos problemas.
Artículo: F.P.Kapron, D.B.Keck and R.D.Maurer“Radiation losses in glassoptical waveguides” Conference on Trunk Telecommunications by GuidedWeawes (IEE, Londres, 1970, pp.148-153)
Primera portada de losProceedings del IEEE, enoctubre de 1970,dedicada a lasComunicaciones Ópticas:marcaba su nacimientoefectivo
EVOLUCIÓN DE LA ATENUACIÓN CON EL TIEMPO
INSTALACIÓN:El primer sistema de fibra óptica real lo instaló la policía de Dorset,población del Sur de Inglaterra, e1975.
En esas fechas el estado del arte de la tecnología era:850nm, 2db/km, índice gradual, decenas de Mbits/seg., separaciónentre repetidores de 10Km.
Los operadores telefónicos querían equipos seguros, fiables, y lascomunicaciones ópticas tenían que demostrar su fiabilidad con eltiempo.
1977 es el año del despegue de las comunicaciones ópticas.
ATT une 3 edificios en Chicago con un cable de 2.6Km.
La Post Office hace diferentes instalaciones en el Reino Unido.
En pocos meses se pasa de 8.4MBits/seg. a 140 Mbits/seg.
Apertura de la segunda y tercera ventanas (investigación):
Los dos problemas de la atenuación son:
Absorción (depende del material) y Scattering (disminuye cuando λaumenta)
Por encima de 850nm aumentaba tanto la atenuación que eclipsaba lasmejoras del Scattering.
Se calcula que en 1300 nm la dispersión es nula.
Problema de atenuación: átomos de H y O, procedentes de trazas de aguadel proceso de fusión.
En 1975 se consiguen fibras con 80 partes de agua por billón.Supone atenuaciones de 0.5db/Km y dispersión nula en 1.300nm.El problema es que no había láseres a esa λ.
En 1976 se decubre la tercera ventana, y en 1978 se presentan fibrasmonomodo con 0.2db/km a 1550 nm.
La segunda generación de tecnología (instalación):
Basada en fibra de índice gradual a 1.300 nm. Al tener menor atenuacióny menor dispersión, se podía, sobre todo, aumentar la distancia entrerepetidores hasta unos 30Km. Muy interesante para áreas rurales,donde se pretende no amplificar entre la central y el usuario.Instalaciones entre 1978 y 1982 aprox.
A principios de los 80 la telefonía del Reino Unido, pasa a la Brtish Telecom ycomienza a hacer pruebas con monomodo, con muy buenos resultados:
1980: 1300nm, 140Mbits/seg, 49Km.1982: 1300nm, 566Mbits/seg, 62Km.1982: 1550nm, 140Mbits/seg, 91Km. Velocidad menor, porque la dispersiónes mayor.
En 1983 pasa a instalar monomodo.
En cambio AAT sigue con la fibra de índice gradual, piensa que la monomodosolo tiene sentido para cables transatlánticos.
Hasta su llegada, los repetidores estaban basados en conversiónóptico-eléctrico, regeneración y vuelta a convertir eléctrico-óptico.
Basados en emisión estimulada, los primeros como un láser sin resonador. Elbombeo se hacía con corriente.
AMPLIFICADORES ÓPTICOS
En 1987, Dave Payne de laUniversidad de Southamtondesarrolla un amplificadoróptico de fibra, dopada conerbio. EDFA (Erbium DopedFiberAmplifier). El bombeo sehace con luz.
Fibras dopadas de 10 a 30 mts.Solo disponibles para tercera ventana.
Resuelve el problema atenuación pero no dispersión. Soluciones:Cuidar mucho la dispersión, fibras dispersión desplazada.Intercalar tramos fibra dispersión positiva y negativa.Intercalar algún amplificador eléctrico, entre los óptico.
SISTEMAS WDMWavelength-Division Multiplexing
Por una misma fibra se envían varios canales con distintas λ’s
Separación entre canales de 10 a 100 GHz. constante en la frecuencia,no en λ.
Solución difícil sin amplificadores óptico: En repetidores de deberíaseparar cada una de las λ’s, regenerar la señal y volver a mezclas.
CABLES TRASATLÁNTICOSEUROPA-AMÉRICA DEL NORTE
Los cables telegráficos no requerían amplificación intermedia,los telefónicos si.
Las primeras válvulas no soportaban la presión del fondo del mar.
Válvulas útiles desarrolladas durante la Segunda Guerra Mundial.
Las primeras comunicaciones telefónicas trasatlánticas, vía radio.
En 1956 se tiende el primer cable trasatlántico (TAT-1), 36 canalestelefónicos, 3.100Kms, 51 repetidores.
El primer repetidor transistorizado se instaló en 1968.
1976 se instala el TAT-6, máximo nivel tecnológico a nivel de cable coaxial.añade 4.000 canales de voz a los 1.200 ya existentes. 12Mhz.
En 1983 se tiende el TAT-7 de iguales características que el anterior. Últimocoaxial.
1988 el TAT-8, mono modo a 1.300nm, dos pares de fibras a 280Mbits/seg,equivalente a 40.000 canales telefónicos. El lado Americano lo desarrollaATT con amplificadores cada 65Km. El Europeo STL con repetidorescada 40Km. Ojo, canales de menos de 64Kbits/seg.
1991-92-93 el TAT-9,10,11, 1550nm, dispersión desplazada, distancia entrerepetidores 140Km. Dos pares de fibras a 560Mbits/seg.
1998 TAT-12 , dos pares de fibras a 5Gbits/seg., amplificadores ópticosseparados 45Km., en 1999 se acopla en tierra 3 λ’s, capacidad a 15Gbits/seg.
2000 TAT-14, cuatro pares de fibras, a 10Gbits/seg. Con 16 λ’s, total 160Gbits.