14.5: Comunicación óptica de datos

Una alternativa moderna al envío de información digital (binaria) a través de señales de voltaje eléctrico es usar señales ópticas (de luz). Las señales eléctricas de los circuitos digitales (voltajes altos/bajos) se pueden convertir en señales ópticas discretas (ligeras o sin luz) con LEDs o láseres de estado sólido. Asimismo, las señales de luz se pueden traducir de nuevo a forma eléctrica mediante el uso de fotodiodos o fototransistores para su introducción en las entradas de los circuitos de puerta.

La transmisión de información digital en forma óptica se puede hacer al aire libre, simplemente apuntando un láser a un fotodetector a una distancia remota, pero la interferencia con el haz en forma de capas de inversión de temperatura, polvo, lluvia, niebla y otras obstrucciones puede presentar importantes problemas de ingeniería:

Una forma de evitar los problemas de transmisión óptica de datos al aire libre es enviar los pulsos de luz hacia abajo por una fibra de vidrio ultrapura. Las fibras de vidrio “conducirán” un haz de luz tanto como un cable de cobre conducirá electrones, con la ventaja de evitar por completo todos los problemas asociados de inductancia, capacitancia e interferencia externa que plagan las señales eléctricas. Las fibras ópticas mantienen el haz de luz contenido dentro del núcleo de la fibra por un fenómeno conocido como reflectancia interna total.

Una fibra óptica está compuesta por dos capas de vidrio ultra puro, cada capa hecha de vidrio con un índice de refracción ligeramente diferente, o capacidad para “doblar” la luz. Con un tipo de vidrio en capas concéntricamente alrededor de un núcleo central de vidrio, la luz introducida en el núcleo central no puede escapar fuera de la fibra, sino que se limita a viajar dentro del núcleo:

Estas capas de vidrio son muy delgadas, el “revestimiento” exterior suele ser de 125 micras (1 micra = 1 millonésima parte de un metro, o 10 ^-6 metros) de diámetro. Esta delgadez le da a la fibra una flexibilidad considerable. Para proteger la fibra del daño físico, generalmente se le da un revestimiento de plástico delgado, se coloca dentro de un tubo de plástico, se envuelve con fibras de kevlar para resistencia a la tracción, y se le da una funda exterior de plástico similar al aislamiento de cables eléctricos. Al igual que los cables eléctricos, las fibras ópticas a menudo se agrupan dentro de la misma funda para formar un solo cable.

Las fibras ópticas superan el rendimiento de manejo de datos del alambre de cobre en casi todos los aspectos. Son totalmente inmunes a las interferencias electromagnéticas y tienen anchos de banda muy altos. No obstante, no están exentos de ciertas debilidades.

Una debilidad de la fibra óptica es un fenómeno conocido como microflexión. Aquí es donde la fibra se dobla alrededor de un radio demasiado pequeño, haciendo que la luz escape del núcleo interno, a través del revestimiento:

La microflexión no solo conduce a una disminución de la intensidad de la señal debido a la pérdida de luz, sino que también constituye una debilidad de seguridad ya que un sensor de luz colocado intencionalmente en el exterior de una curva aguda podría interceptar los datos digitales transmitidos sobre la fibra.

Otro problema exclusivo de la fibra óptica es la distorsión de la señal debido a múltiples trayectorias de luz, o modos, que tienen diferentes distancias a lo largo de la longitud de la fibra. Cuando la luz es emitida por una fuente, los fotones (partículas de luz) no recorren todos exactamente el mismo camino. Este hecho es evidentemente obvio en cualquier fuente de luz que no se ajuste a un haz recto, pero es cierto incluso en dispositivos como los láseres. Si el núcleo de fibra óptica es lo suficientemente grande en diámetro, soportará múltiples vías para que los fotones viajen, teniendo cada una de estas vías una longitud ligeramente diferente de un extremo de la fibra al otro. Este tipo de fibra óptica se llama fibra multimodo:

Un pulso de luz emitido por el LED tomando un camino más corto a través de la fibra llegará al detector antes que los pulsos de luz tomando caminos más largos. El resultado es la distorsión de los bordes ascendentes y descendentes de la onda cuadrada, llamada estiramiento de pulso. Este problema empeora a medida que aumenta la longitud total de la fibra:

Sin embargo, si el núcleo de la fibra se hace lo suficientemente pequeño (alrededor de 5 micrones de diámetro), los modos de luz se restringen a una sola trayectoria con una longitud. La fibra así diseñada para permitir solo un solo modo de luz se conoce como fibra monomodo. Debido a que la fibra monomodo escapa al problema del estiramiento de pulso experimentado en cables largos, es la fibra de elección para redes de larga distancia (varias millas o más). El inconveniente, por supuesto, es que con un solo modo de luz, las fibras monomodo no conducen tanta luz como las fibras multimodo. A largas distancias, esto exacerba la necesidad de unidades “repetidoras” para aumentar la potencia de la luz.