Historia de la fibra óptica.Los sistemas de comunicación óptica datan de hace dos siglos, al «telégrafo óptico» que el ingeniero francés Claude Chappe inventó en la década de 1790. Su sistema era una serie de semáforos montados en torres, donde los operadores humanos transmitían mensajes de una torre a la siguiente. Venció a los mensajes llevados a mano, pero a mediados del siglo XIX fue reemplazado por el telégrafo eléctrico, dejando una dispersión de «Telegraph Hills» como su legado más visible.
Alexander Graham Bell patentó un sistema de teléfono óptico, al que llamó Photophone, en 1880, pero su invento anterior, el teléfono, demostró ser mucho más práctico. Soñaba con enviar señales a través del aire, pero la atmósfera no transmitía la luz tan confiablemente como los cables transportaban electricidad. En las décadas que siguieron, la luz se usó para algunas aplicaciones especiales, como la señalización entre barcos, pero por lo demás las comunicaciones ópticas,
En los años intermedios, una nueva tecnología lentamente echó raíces que finalmente resolvería el problema de la transmisión óptica, aunque pasó mucho tiempo antes de que se adaptara para las comunicaciones. Depende del fenómeno de la reflexión interna total, que puede limitar la luz en un material rodeado de otros materiales con un índice de refracción más bajo, como el vidrio en el aire.
En la década de 1840 El físico suizo Daniel Collodon y el físico francés Jacques Babinet mostraron que la luz podía ser guiada a lo largo de chorros de agua para exhibiciones de fuentes. El físico británico John Tyndall popularizó el guiado de luz en una demostración que utilizó por primera vez en 1854, guiando la luz en un chorro de agua que fluía de un tanque. A principios de siglo, los inventores se dieron cuenta de que las varillas de cuarzo dobladas podían llevar luz, y las patentaron como iluminadores dentales.
Para la década de 1940
Las fibras ópticas fueron un paso más allá. Son esencialmente varillas transparentes de vidrio o plástico estirado, por lo que son largas y flexibles. Durante la década de 1920, John Logie Baird en Inglaterra y Clarence W. Hansell en los Estados Unidos patentaron la idea de utilizar conjuntos de tubos huecos o varillas transparentes para transmitir imágenes para sistemas de televisión o facsímil. Sin embargo, La primera persona que se sabe que demostró la transmisión de imágenes a través de un haz de fibras ópticas fue Heinrich Lamm, que un estudiante de medicina en Munich. Su objetivo era mirar dentro de partes inaccesibles del cuerpo, y en un artículo de 1930 informó que transmitía la imagen de un filamento de bombilla a través de un paquete corto. Sin embargo, las fibras no revestidas transmitieron imágenes pobremente, y el surgimiento de los nazis obligó a Lamm, un judío,
En 1951, Holger Møller [o Moeller] Hansen solicitó una patente danesa sobre imágenes de fibra óptica. Sin embargo, la oficina de patentes danesa negó su solicitud, citando las patentes de Baird y Hansell, y Møller Hansen no pudo interesar a las empresas en su invención. Nada más se informó sobre los paquetes de fibra hasta 1954, cuando Abraham van Heel de la Universidad Técnica de Delft en Holanda y Harold. H.
Ni Van Heel ni Hopkins y Kapany hicieron paquetes que pudieran llevar la luz lejos, pero sus informes indican la revolución de la fibra óptica. La innovación crucial fue hecha por van Heel, estimulada por una conversación con el físico óptico estadounidense Brian O’Brien. Todas las fibras anteriores estaban «desnudas», con una reflexión interna total en una interfaz de vidrio-aire. Van Heel cubrió una fibra desnuda, vidrio o plástico con un revestimiento transparente de menor índice de refracción. Esto protegió la superficie de reflexión total de la contaminación y redujo en gran medida la diafonía entre las fibras. El siguiente paso clave fue el desarrollo de fibras revestidas de vidrio, por Lawrence Curtiss, entonces estudiante universitario de la Universidad de Michigan que trabajaba a tiempo parcial en un proyecto para desarrollar un endoscopio para examinar el interior del estómago con el médico Basil Hirschowitz, físico C. Wilbur Peters. (Will Hicks, que luego trabajaba en la American Optical Co.,
Mientras tanto, los ingenieros de telecomunicaciones buscaban más ancho de banda de transmisión. Las frecuencias de radio y microondas se usaban mucho, por lo que buscaron frecuencias más altas para transportar cargas que esperaban que siguieran aumentando con el crecimiento del tráfico de televisión y teléfono. Las compañías telefónicas creían que los videoteléfonos acechaban a la vuelta de la esquina y que aumentarían aún más las demandas de ancho de banda. La vanguardia de la investigación en comunicaciones fueron los sistemas de ondas milimétricas,
Incluso las frecuencias ópticas más altas parecían un siguiente paso lógico en 1958 para Alec Reeves, el ingeniero con visión de futuro de los Laboratorios de Telecomunicaciones Estándar de Gran Bretaña que inventó la modulación digital de códigos de pulso antes de la Segunda Guerra Mundial. Otras personas se subieron al carro de comunicaciones ópticas cuando se inventó el láser en 1960. El número del 22 de julio de 1960 de la revista Electronics presentó su informe sobre Theodore Maiman ‘
El trabajo serio sobre comunicaciones ópticas tuvo que esperar al láser de helio-neón de onda continua. Si bien el aire es mucho más transparente en longitudes de onda ópticas que en ondas milimétricas, los investigadores pronto descubrieron que la lluvia, la neblina, las nubes y la turbulencia atmosférica limitaban la confiabilidad de los enlaces láser atmosféricos de larga distancia. Para 1965, estaba claro que quedaban importantes barreras técnicas para las telecomunicaciones de ondas milimétricas y láser. Las guías de ondas milimétricas tuvieron baja pérdida, aunque solo si se mantuvieron exactamente rectos; Los desarrolladores pensaron que el mayor problema era la falta de repetidores adecuados. Las guías de ondas ópticas estaban demostrando ser un problema. El grupo de Stewart Miller en Bell Telephone Laboratories estaba trabajando en un sistema de lentes de gas para enfocar rayos láser a lo largo de guías de onda huecas para telecomunicaciones de larga distancia. Sin embargo, la mayoría de la industria de las telecomunicaciones pensó que el futuro pertenecía a las guías de ondas milimétricas.
Las fibras ópticas habían atraído cierta atención porque eran análogas en teoría a las guías de ondas dieléctricas de plástico utilizadas en ciertas aplicaciones de microondas. En 1961, Elias Snitzer en American Optical, trabajando con Hicks en Mosaic Fabrications (ahora Galileo Electro-Optics), demostró la similitud al dibujar fibras con núcleos tan pequeños que transportaban luz en un solo modo de guía de onda. Sin embargo, prácticamente todos consideraban que las fibras tenían demasiada pérdida para las comunicaciones;
Un pequeño grupo no descartó las fibras con tanta facilidad: un equipo de los Laboratorios de Telecomunicaciones Estándar inicialmente dirigido por Antoni E. Karbowiak, que trabajó bajo Reeves para estudiar guías de ondas ópticas para comunicaciones. Karbowiak pronto se unió a un joven ingeniero nacido en Shanghai, Charles K. Kao.
Kao miró detenidamente la atenuación de la fibra. Recolectó muestras de fabricantes de fibras e investigó cuidadosamente las propiedades de los vidrios a granel. Su investigación lo convenció de que las altas pérdidas de las primeras fibras se debían a impurezas, no al vidrio de sílice en sí. En medio de esta investigación, en diciembre de 1964, Karbowiak dejó STL para convertirse en presidente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia, y Kao lo sucedió como gerente de investigación de comunicaciones ópticas. Con George Hockham, otro joven ingeniero STL que se especializó en la teoría de antenas, Kao elaboró una propuesta para comunicaciones de larga distancia a través de fibras monomodo. Convencidos de que la pérdida de fibra debería ser reducible por debajo de 20 decibelios por kilómetro, presentaron un documento en una reunión en Londres de la Institución de Ingenieros Eléctricos. La edición del 1 de abril de 1966 de Laser Focus señaló la propuesta de Kao: Kao, otro joven ingeniero de STL especializado en teoría de antenas, elaboró una propuesta para comunicaciones de larga distancia a través de fibras monomodo. Convencidos de que la pérdida de fibra debería ser reducible por debajo de 20 decibelios por kilómetro, presentaron un documento en una reunión en Londres de la Institución de Ingenieros Eléctricos.
La edición del 1 de abril de 1966 de Laser Focus señaló la propuesta de Kao: Kao, otro joven ingeniero de STL especializado en teoría de antenas, elaboró una propuesta para comunicaciones de larga distancia a través de fibras monomodo. Convencidos de que la pérdida de fibra debería ser reducible por debajo de 20 decibelios por kilómetro, presentaron un documento en una reunión en Londres de la Institución de Ingenieros Eléctricos. La edición del 1 de abril de 1966 de Laser Focus señaló la propuesta de Kao: Kao elaboró una propuesta para comunicaciones de larga distancia a través de fibras monomodo. Convencidos de que la pérdida de fibra debería ser reducible por debajo de 20 decibelios por kilómetro, presentaron un documento en una reunión en Londres de la Institución de Ingenieros Eléctricos.
«Según el Dr. Kao, la fibra es relativamente fuerte y se puede soportar fácilmente. Además, la superficie de guía está protegida de influencias externas … la guía de onda tiene un radio de curvatura mecánica lo suficientemente bajo como para hacer que la fibra sea casi completamente flexible. A pesar de el hecho de que el mejor material de baja pérdida fácilmente disponible tiene una pérdida de aproximadamente 1000 dB / km,STL cree que eventualmente se desarrollarán materiales con pérdidas de solo decenas de decibelios por kilómetro «.
El análisis detallado de Kao y Hockham se publicó en las Actas de julio de 1966 de la Institución de Ingenieros Eléctricos. Su audaz pronóstico de que la pérdida de fibra podría reducirse por debajo de 20 dB / km atrajo el interés de la oficina de correos británica, que luego operaba la red telefónica británica. FF Roberts, gerente de ingeniería en el Laboratorio de Investigación de la Oficina de Correos (luego en Dollis Hill en Londres), vio las posibilidades y persuadió a otros en la Oficina de Correos.
Con Kao casi evangélicamente promoviendo las perspectivas de las comunicaciones de fibra y la Oficina de Correos interesada en las aplicaciones, los laboratorios de todo el mundo comenzaron a tratar de reducir la pérdida de fibra. Tomó cuatro años alcanzar la meta de Kao de 20 dB / km, y la ruta hacia el éxito resultó diferente de lo que muchos esperaban. La mayoría de los grupos intentaron purificar los vidrios compuestos utilizados para la óptica estándar, que son fáciles de fundir y dibujar en fibras.
En Corning Glass Works (ahora Corning Inc.), Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz comenzaron con sílice fundida, un material que puede hacerse extremadamente puro, pero que tiene un alto punto de fusión y un bajo índice de refracción. Hicieron actuaciones cilíndricas depositando materiales purificados de la fase de vapor, agregando niveles cuidadosamente controlados de dopantes para hacer que el índice de refracción del núcleo sea un poco más alto que el del revestimiento, sin aumentar dramáticamente la atenuación.
En septiembre de 1970, anunciaron que habían fabricado fibras monomodo con atenuación en la línea de helio-neón de 633 nanómetros por debajo de 20 dB / km. Las fibras eran frágiles, pero las pruebas realizadas en las nuevas instalaciones del Laboratorio de Investigación de la Oficina de Correos británica en Martlesham Heath confirmaron la baja pérdida.
El avance de Corning fue uno de los desarrollos más dramáticos que abrieron la puerta a las comunicaciones de fibra óptica. En el mismo año, equipos separados en el Instituto de Física de Ioffe en Leningrado (ahora San Petersburgo) y en los Laboratorios Bell fabricaron independientemente los primeros láseres de diodos semiconductores capaces de emitir ondas continuas a temperatura ambiente. En los próximos años, las pérdidas de fibra disminuyeron drásticamente,
Las primeras fibras monomodo tenían núcleos de varios micrómetros de diámetro, y a principios de la década de 1970 eso molestó a los desarrolladores. Dudaban de que fuera posible lograr las tolerancias a escala micrométrica necesarias para acoplar la luz de manera eficiente en los pequeños núcleos desde las fuentes de luz, o en empalmes o conectores. No satisfechos con el bajo ancho de banda de la fibra multimodo de índice de pasos, se concentraron en fibras multimodo con un gradiente de índice de refracción entre el núcleo y el revestimiento, y diámetros de núcleo de 50 o 62.5 micrómetros.
Esos sistemas de primera generación podían transmitir luz varios kilómetros sin repetidores, pero la distancia de transmisión de la señal estaba limitada por una pérdida de aproximadamente 2 dB / km en la fibra. Pronto apareció una segunda generación, utilizando nuevos láseres InGaAsP que emitían a 1300 nm, donde la atenuación de la fibra era de aproximadamente 0.4 dB / km. La dispersión de pulso en fibras multimodo también fue algo menor a 1300 nm que a 850 nm, permitiendo velocidades de datos de 90 Mbit / s durante aproximadamente 20 km.
Esas distancias y velocidades de datos estaban bien para las líneas troncales que unían las oficinas de conmutación telefónica en las comunidades cercanas, pero los desarrolladores que trabajaban en una nueva generación de cables submarinos querían velocidades más altas y necesitaban recorrer distancias mucho más largas. El grupo de cable submarino en Bell Labs recurrió a fibras monomodo para cumplir con ese requisito. Las fibras de modo simple de índice de paso simple tenían esencialmente una dispersión cero a 1310 nm, por lo que el espaciado del repetidor estaba limitado solo por la atenuación de la fibra.
Las fibras multimodo permanecieron en uso para líneas troncales entre oficinas durante algunos años, pero cuando la desregulación abrió el mercado de larga distancia a operadores competitivos a principios de la década de 1980, MCI recurrió a sistemas de fibra monomodo que podían transmitir 400 Mbit / s a 1300 nm para 50 km entre repetidores. Otros operadores de larga distancia también construyeron sus redes nacionales con fibras monomodo, y cuando TAT-8 se activó en diciembre de 1988, Los desarrolladores habían reconocido anteriormente que la atenuación mínima de las fibras de vidrio era inferior a 0.2 dB / km en una longitud de onda más larga. 1550 nm. Esa longitud de onda no tuvo un uso generalizado rápidamente porque los láseres eran más difíciles de fabricar y porque las fibras monomodo tenían una mayor dispersión cromática. Sin embargo, la transmisión de 1550 nm se usó para estirar el espaciamiento del repetidor en cables submarinos que comienzan con TAT-10, que comenzó a funcionar en 1992.
El siguiente gran paso fue la llegada del amplificador de fibra dopado con erbio. En 1986, Dave Payne, de la Universidad de Southampton, demostró que una fibra óptica con erbio agregado a su núcleo podía amplificar la luz a una longitud de onda de alrededor de 1550 nm. Elias Snitzer había demostrado los primeros amplificadores ópticos a principios de la década de 1960, pero no habían encontrado aplicaciones prácticas. El amplificador de fibra dopada con erbio de Payne resultó ser muy bueno para amplificar las señales débiles transmitidas en los sistemas de comunicación de fibra óptica. Tal amplificador totalmente óptico era mucho más simple que un repetidor electroóptico, que tenía que convertir una señal óptica en forma electrónica para amplificarla, luego convertirla nuevamente en forma óptica para enviarla a través de otra longitud de fibra. También operaba en un rango de longitudes de onda donde la atenuación de la fibra era mínima. luego conviértalo nuevamente en forma óptica para enviarlo a través de otra longitud de fibra.
El grupo de Payne en Southampton, el grupo de Emmanuel Desurvire en Bell Labs y otros tardaron varios años en desarrollar amplificadores de fibra dopados con erbio. Un problema clave fue encontrar la forma correcta de excitar los átomos de erbio en el núcleo de la fibra para que pudieran amplificar la señal óptica débil. También descubrieron que los amplificadores de fibra dopados con erbio podían amplificar simultáneamente señales en dos o más longitudes de onda transmitidas a través de la misma fibra, un concepto llamado multiplexación por división de longitud de onda.
Era bien sabido que las fibras ópticas podían transportar señales a dos o más longitudes de onda que no se interferían entre sí. Sin embargo, la multiplexación por división de longitud de onda no parecía práctica porque las señales no podían amplificarse sin separarlas, convertirlas a forma electrónica y pasarlas por amplificadores electrónicos separados antes de convertir las señales nuevamente a la luz y recombinarlas para transmitirlas a través de otra longitud de fibra. . Los amplificadores de fibra dopados con erbio simplemente tomaron las señales de entrada en forma de luz y las amplificaron en una sola etapa, sin convertirlas en forma electrónica o tener que separarlas. Eso hizo que la multiplexación por división de longitud de onda fuera práctica por primera vez.
Los amplificadores ópticos multiplicaron la capacidad de transmisión potencial de una fibra. El primer cable transatlántico en usar amplificadores ópticos, TAT-12/13 en 1996, pudo transmitir 5 gigabits por segundo a través de un solo par de fibras en una longitud de onda. En 1998 fue seguido por otros sistemas submarinos que podían transmitir señales de 2.5 Gbit / s a cuatro u ocho longitudes de onda a través de un solo par de fibras, un total de 10 o 20 Gbit / s.
Los sistemas terrestres podrían transportar anchos de banda aún mayores al agrupar las longitudes de onda juntas, una tecnología llamada multiplexación por división de longitud de onda densa o DWDM. La tecnología llegó cuando el auge de Internet aumentaba la demanda de capacidad de transmisión a larga distancia. La fibra óptica prometió mucha capacidad, con ingenieros que desarrollaron sistemas que podían transmitir docenas de canales simultáneamente a 2.5 o 10 Gbit / s cada uno.
Para entonces, las compañías de dot.com habían comenzado a colapsar. Los inversionistas saltaron brevemente a las compañías de telecomunicaciones, pensando que las líneas de transmisión de fibra óptica eran más importantes que las compañías con pocos activos más allá de sus sitios web. Sin embargo, la enorme capacidad de la fibra óptica resultó ser demasiado buena. Las compañías de telecomunicaciones habían instalado más fibra de la que necesitaban para satisfacer la demanda a corto plazo.
Los costos de construcción empujan a las compañías de telecomunicaciones a instalar un exceso de capacidad. Los cables pueden acomodar fácilmente más fibras, y es mucho más barato agregar más fibras a un cable tendido ahora que volver y tender un segundo cable más tarde. DWDM podría multiplicar la capacidad de cada fibra instalada. Y resultó que las proyecciones de tráfico de Internet que se duplicaban cada tres meses eran exageradas. La burbuja de las telecomunicaciones se derrumbó,
La industria de larga distancia se está recuperando lentamente. Pero ha surgido una nueva y brillante esperanza. Los consumidores se están registrando en números crecientes para el servicio de Internet de banda ancha provisto por compañías telefónicas que usan línea de abonado digital y por compañías de televisión por cable que usan módems de cable. Las fibras a menudo tienen aún más capacidad de transmisión, y ahora se están instalando en hogares en grandes desarrollos nuevos, áreas rurales y algunas otras áreas. Los números son pequeños pero crecientes, y las grandes compañías telefónicas, especialmente Verizon, han comenzado su propia fibra para las instalaciones domésticas.
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