Nueva tecnología impulsa la fiabilidad de la señal de fibra óptica

Imagina vehículos en una autopista perdiendo gradualmente potencia durante su viaje, y que finalmente no logran llegar a su destino. La comunicación por fibra óptica enfrenta un desafío similar: la atenuación. Como columna vertebral de la comunicación moderna, el rendimiento de la fibra óptica impacta directamente en la eficiencia y calidad de la transmisión de datos. Sin embargo, al igual que los cables de cobre, la fibra óptica experimenta atenuación de la señal durante la transmisión, lo que lleva a la pérdida de información. Comprender y abordar la atenuación de la fibra es crucial para mantener una comunicación estable y de alta velocidad.

Este artículo explora las causas, los efectos y las estrategias de mitigación para la atenuación de la fibra óptica, proporcionando información sobre los mecanismos fundamentales de la comunicación óptica y cómo optimizar el diseño y el mantenimiento de la red.

La atenuación de la fibra se refiere a la pérdida de energía de las señales ópticas durante la transmisión a través de cables de fibra. Esta pérdida se manifiesta como una reducción de la potencia óptica, que afecta directamente a la distancia de comunicación y a la calidad de la señal. Comprender los tipos y los factores que influyen en la atenuación permite tomar medidas eficaces para minimizar la degradación de la señal y mejorar el rendimiento del sistema de fibra óptica.

La atenuación de la fibra es el resultado de múltiples fenómenos físicos que actúan en combinación. Las tres causas principales son la dispersión, la absorción y las pérdidas por curvatura.

La dispersión constituye la principal fuente de atenuación de la fibra, representando entre el 95% y el 97% de la pérdida total de señal. A medida que la luz viaja a través de la fibra, interactúa con las estructuras y partículas microscópicas del material de la fibra, lo que hace que los rayos se dispersen en varias direcciones. Esta dispersión desvía algunas señales ópticas de su trayectoria prevista, lo que resulta en una pérdida de energía.

El fenómeno de dispersión dominante es la dispersión de Rayleigh, descrita por primera vez por el físico británico Lord Rayleigh a finales del siglo XIX. La dispersión de Rayleigh se relaciona con la longitud de onda de la luz y el tamaño de las partículas: las longitudes de onda más cortas se dispersan más fácilmente. Esto explica por qué el cielo parece azul: las longitudes de onda azules de la luz solar se dispersan más fácilmente a través de las partículas atmosféricas.

En la fibra óptica, las longitudes de onda infrarrojas experimentan menos dispersión que la luz visible debido a sus longitudes de onda más largas, lo que las hace ideales para la comunicación óptica.

La absorción representa típicamente entre el 3% y el 5% de la atenuación total de la fibra. Incluso el vidrio altamente transparente absorbe algo de luz. Los niveles de absorción dependen del tipo de material de la fibra y de la longitud de onda de la señal. De forma similar a como las gafas de sol absorben ciertas frecuencias de luz, las impurezas en la fibra óptica absorben la energía de la señal, convirtiéndola en calor.

Los contaminantes como las partículas metálicas o la humedad dificultan la transmisión de la señal a través de la absorción de energía. Minimizar la absorción requiere vidrio de alta pureza, dopantes especializados y la eliminación rigurosa de impurezas durante la fabricación.

La pérdida por curvatura se produce cuando la curvatura de la fibra altera la trayectoria de la luz, impidiendo que algunas señales cumplan las condiciones de reflexión interna total. Esto hace que la luz escape de la fibra, lo que resulta en una pérdida de energía. La pérdida por curvatura se presenta en dos formas: microcurvatura y macrocurvatura.

• Pérdida por Microcurvatura: Deformaciones imperceptibles a pequeña escala (radios de curvatura inferiores a 1 cm) causadas por fluctuaciones de temperatura, presión o tensión mecánica. Estas curvaturas microscópicas dispersan la luz, degradando la calidad de la transmisión. Aunque son invisibles a simple vista, las microcurvaturas cambian el ángulo de incidencia de la luz, haciendo que los modos de orden superior se reflejen en ángulos que impiden la propagación continua, lo que lleva a la absorción del revestimiento.
• Pérdida por Macrocurvatura: Curvaturas visibles a gran escala (radios superiores a 1 cm) debidas a cambios significativos de temperatura, variaciones de presión o tensión mecánica como la flexión o tensión del cable. De forma similar a la microcurvatura, pero con radios mayores, las macrocurvaturas alteran los ángulos de incidencia lo suficiente como para que parte de la luz se refleje fuera del núcleo de la fibra, siendo absorbida por el revestimiento.

Los diseños de cable especializados y las técnicas de instalación minimizan los efectos de la curvatura, incluyendo medidas de protección como abrazaderas o bandejas para proteger las fibras de las tensiones externas.

La atenuación se mide en decibelios por kilómetro (dB/km), convertible a valores de pérdida (en dB) para longitudes de cable específicas.

• Impacto de la Longitud de Onda: Las longitudes de onda más cortas experimentan una mayor absorción, lo que hace que la atenuación de la fibra monomodo sea menor que la de la fibra multimodo a longitudes iguales.
• Impacto de la Longitud: Las fibras más largas sufren una mayor pérdida de energía por dispersión y absorción. La fibra monomodo mantiene una atenuación menor que la multimodo a distancias idénticas.
• Impacto Ambiental: La atenuación aumenta ligeramente con la temperatura, pero disminuye con la humedad cuando los núcleos del cable permanecen secos.
• Impacto de la Estructura de la Fibra: Los centros de los cables presentan una mayor atenuación que los bordes durante los cálculos.

Las fibras monomodo y multimodo demuestran distintas características de atenuación. Si bien la fibra multimodo muestra una mayor pérdida que la monomodo a longitudes iguales, en aplicaciones de larga distancia (más de 100 metros), la atenuación de la multimodo se vuelve comparativamente menor que la de la monomodo en sus respectivas distancias óptimas.

La atenuación es una consideración crítica en el diseño y despliegue de la red de fibra, que determina las distancias máximas de transmisión antes de requerir amplificación o regeneración de la señal. Minimizar la atenuación implica el uso de cables y componentes de fibra de alta calidad, normalmente instalados dentro de cubiertas protectoras para reducir los impactos ambientales de la temperatura y la humedad. La comprensión exhaustiva de la atenuación de la fibra permite una mejor planificación de la red.

Si bien la atenuación de la fibra es inevitable en la comunicación óptica, la comprensión exhaustiva de sus causas y factores influyentes permite estrategias de mitigación eficaces para mejorar el rendimiento del sistema. La selección de longitudes de onda óptimas, el empleo de materiales de alta calidad, la optimización del diseño e instalación del cable y el control de las condiciones ambientales contribuyen a la reducción de la atenuación. Solo dominando los principios de la atenuación podemos construir redes de fibra óptica estables y fiables que constituyen la base de la sociedad de la información moderna.