1. Cómo es una fibra óptica: núcleo y revestimiento para guiar la luz por 8300 km de mar
Las fibras ópticas utilizadas en las comunicaciones están formadas por dos capas: un núcleo central y un revestimiento exterior llamado cladding. El núcleo tiene un índice de refracción más alto, lo que provoca que la luz se refleje totalmente en el límite entre ambas capas y quede atrapada dentro del núcleo. [3]
En la fibra de modo único, comúnmente utilizada, el diámetro del núcleo es de aproximadamente 10 micrómetros (los productos estándar suelen ser de 9 micrómetros), mientras que el diámetro exterior del cladding es de 125 micrómetros. En este tipo de fibra, la luz solo puede viajar por un único camino. [3]
Los documentos del NICT muestran que, si entra un rayo láser de apenas 10 milivatios en el núcleo, la intensidad de la luz por sección transversal equivale a la superficie del Sol (15,7 kilovatios por centímetro cuadrado). Esto no es una comparación de brillo general, sino un número que indica cómo la luz se concentra en un núcleo extremadamente fino. [3]
A pesar de esta concentración, la luz se debilita cuanto más larga es la distancia. Los aproximadamente 8300 kilómetros entre Tokio y San Francisco no pueden transmitirse con una sola emisión. [3] Entonces, ¿por qué se debilita la luz?
2. Por qué la luz se debilita dentro del vidrio de las fibras: la dispersión de Rayleigh
En el vidrio de sílice usado en las fibras ópticas, más del 80% de la pérdida de transmisión se debe a la dispersión de Rayleigh. La causa es que la luz se dispersa en todas direcciones debido a pequeñas fluctuaciones en la densidad del vidrio. [3]
En la década de 1970, la pérdida era de 20 dB por kilómetro; esta cifra disminuyó a aproximadamente 0,2 dB en las bandas de longitud de onda de comunicación en solo unos 30 años. [3] Como 20 dB representa una reducción de intensidad a 1/100, la distancia para llegar a esa proporción se extendió de aproximadamente 1 kilómetro a unos 100 kilómetros (este es un valor calculado desde los dB, no una distancia medida directamente).
Entonces, ¿cómo se eligió la longitud de onda (el color de la luz) que produce esta pérdida de "aproximadamente 0,2 dB"?
3. Por qué las comunicaciones ópticas usan luz infrarroja invisible de 1,5 micrómetros
La explicación de los logros premiados con el Japan Prize indica que la comunicación óptica actual se realiza en la banda de 1,5 micrómetros (la longitud de onda de pérdida mínima), donde la atenuación es de aproximadamente 0,2 dB por kilómetro. [3] Un micrómetro es la milésima parte de un milímetro, y esta longitud de onda está en la región del infrarrojo, por lo que es invisible para el ojo humano.
La dispersión tiende a ser menor cuanto más larga es la longitud de onda. Sin embargo, si la longitud de onda es aún más larga, aumenta la cantidad de luz que el propio vidrio absorbe. En el punto intermedio existe una banda con la menor pérdida.
No obstante, incluso con la pérdida mínima, la luz se reduce a 1/100 después de 100 kilómetros. Para los 8300 kilómetros, es necesario reforzar la luz muchas veces.
4. Cómo se amplifica la luz debilitada sin convertirla en electricidad
Cuando la comunicación óptica de modo único se volvió práctica en la década de 1980, la luz debilitada se convertía primero en una señal eléctrica para ser amplificada. Estos amplificadores eléctricos eran grandes y requerían mucha energía. [3]
Masataka Nakazawa propuso por primera vez en el mundo una amplificación óptica combinando una fibra dopada con erbio y luz de bombeo de un láser semiconductor de 1,48 micrómetros. La luz de bombeo da energía a los electrones del erbio, elevándolos a un estado superior; la energía que estos electrones liberan por emisión estimulada es recibida por la luz de comunicación de 1,55 micrómetros, amplificándola. [3] En los experimentos de esa época, la ganancia fue de 12,5 dB (aproximadamente 18 veces). Este es un valor experimental de entonces, no el de los dispositivos submarinos actuales.
Kazuo Hagimoto y su equipo tuvieron éxito en un experimento que transportaba señales de 1,8 gigabits por segundo a 212 kilómetros utilizando un amplificador de unos 10 cm de lado, demostrando por primera vez en el mundo que los amplificadores ópticos eran prácticos. [3] En unos 5 años desde su desarrollo, fueron adoptados en las redes troncales que conectan el mundo.
Para cruzar el Pacífico, se instalan amplificadores ópticos en repetidores submarinos cada decenas o 100 kilómetros para amplificar repetidamente la luz debilitada. [3] Los diagramas de los materiales muestran más de 100 repetidores para un cruce de clase 10.000 kilómetros (no es el número exacto de un cable específico). [3] Entonces, ¿no podemos pasar más señales por esta ruta de luz?
5. Cómo enviar luces de diferentes colores a la vez por una sola fibra
Los amplificadores ópticos pueden amplificar varias longitudes de onda de luz al mismo tiempo. Esta propiedad, combinada con la multiplexación por división de longitud de onda (WDM), impulsó la gran capacidad de las comunicaciones ópticas desde mediados de la década de 1990. [3] La WDM es un método donde el transmisor superpone señales en luces de diferentes longitudes de onda por canal, y el receptor las separa por longitud de onda. [3]
NTT logró por primera vez en el mundo en 2005 el envío de 1000 longitudes de onda superpuestas en una sola fibra óptica (un viaje de ida y vuelta de 126 kilómetros entre Keihanna en Kioto y Dojima en Osaka). [3] Esta es la cantidad de longitudes de onda del experimento, no la de los cables submarinos actuales.
El cable FASTER, que conecta Japón y Estados Unidos (operativo desde 2016, longitud total de unos 9000 kilómetros), tiene una capacidad de diseño de aproximadamente 60 terabits por segundo en total: 6 pares de fibras, con 100 longitudes de onda de señales de 100 gigabits por segundo por par (10 terabits por segundo por par). [3] Se explica que la capacidad de diseño por par de los cables transpacíficos aumentó aproximadamente 2000 veces en unos 20 años (desde TPC-5 hasta FASTER). Estos son números de diseño, no el tráfico real de comunicación.
Por cierto, al superponer colores, surge una duda: ¿el tiempo de llegada no varía ligeramente según la longitud de onda?
6. Por qué la luz de distintos colores llega desfasada por la fibra y cómo se soluciona
Al avanzar por la fibra óptica, la luz de longitud de onda larga y la de onda corta tienen diferencias en el tiempo de llegada, lo que desfasa y distorsiona las señales (dispersión cromática). [3]
En los cables submarinos tradicionales, se corregía la distorsión utilizando fibras con propiedades opuestas, repitiendo este proceso más de 100 veces antes de cruzar el Pacífico. En el caso de FASTER, se explica que la corrección de la dispersión se realiza mediante procesamiento digital de señales (cálculo), por lo que ya no se necesitan fibras de compensación de dispersión. [3]
Otra técnica es la modulación multinivel. En lugar de solo encender y apagar la luz, se envían 2, 3 o 6 bits a la vez utilizando la posición de la onda (fase) o combinaciones de posición y brillo. En el ejemplo de los mismos materiales, lo que era 0,4 terabits por segundo con modulación de intensidad (10 Gb/s x 40 longitudes de onda) se convirtió en 3,2 terabits por segundo con QPSK (40 Gb/s x 80 longitudes de onda), un aumento de 8 veces. [3]
7. Cómo calcular con una calculadora cuánto se debilita la luz en la fibra
Usemos una calculadora. Con las fibras de la década de 1970, la luz se reducía a 1/100 en 1 kilómetro. Si avanzamos 2 kilómetros, es 1/100 de 1/100, es decir, 1/10.000; a 3 kilómetros, es 1/1.000.000.
Con la pérdida actual de aproximadamente 0,2 dB/km, al avanzar 300 kilómetros la pérdida es de 60 dB, que también equivale a 1/1.000.000. Ambos son valores convertidos desde decibelios. Si ordenamos otras distancias, como que 20 dB es 1/100 y 40 dB es 1/10.000, podemos percibir la magnitud de los números.
Por seguridad, no mires directamente el extremo de los cables de las líneas de fibra óptica domésticas ni los dobles forzadamente. [3] Si quieres leer más, los comunicados de prensa de NTT [3] y la explicación de los logros del Japan Prize [3] están disponibles en japonés.