Cómo funcionan los cables de fibra óptica y cómo los utilizan los ingenieros para enviar mensajes

Primero, déjame mostrarte cómo funcionan los cables de fibra óptica.

Tengo un cubo que modifiqué con una ventana al frente y, en el otro lado, le puse un tapón en este agujero. Tengo una botella de propilenglicol con un poco de crema. Un soporte para anillos y, por supuesto, un puntero láser. Ahora, no pierdas de vista este tapón cuando apague las luces.

¡Qué maravilla! La luz sigue el flujo del líquido hasta el cubo. ¡Increíble! Esto se debe a la reflexión interna total. Al entrar en el flujo, la luz se refleja en cuanto alcanza la interfaz entre el líquido y el cubo.

Aquí se puede observar la primera reflexión, seguida de la segunda y la tercera. Esto se debe a la diferencia entre el índice de refracción del material guía (en este caso, propilenglicol) y el del aire exterior. Recordemos que cuando la luz incide sobre una superficie, puede ser absorbida por el material, reflejada o pasar a través de él; esto último se denomina «refracción».

Es más fácil verlo desde arriba. La reflexión y la refracción pueden ocurrir simultáneamente. Pero si un rayo de luz incide en la superficie con un ángulo mayor que el ángulo crítico, se reflejará completamente y no se refractará.

En este sistema de propilenglicol y aire, siempre que un haz incida en la superficie con un ángulo superior a 44,35 grados, medido desde la normal, se propagará por la corriente mediante reflexión interna total. Para crear el mismo efecto en una fibra óptica, los ingenieros crean un núcleo de vidrio, generalmente dióxido de silicio puro, y una capa exterior llamada «revestimiento», que también suele estar hecho de dióxido de silicio, pero con partículas de boro o germanio para reducir su índice de refracción.

Una diferencia del uno por ciento es suficiente para que los cables de fibra óptica funcionen. Para fabricar una pieza de vidrio tan larga y delgada, los ingenieros calientan una gran preforma de vidrio. Su centro es el núcleo de vidrio puro y el exterior, el revestimiento. Luego, estiran o estiran la fibra enrollando la masa fundida en una rueda a velocidades de hasta 1600 metros por segundo. Estas torres de estirado suelen tener varios pisos de altura. Esta altura permite que la fibra se enfríe antes de enrollarse en un tambor.

Uno de los mayores logros de la ingeniería fue el primer cable de fibra óptica transoceánico, llamado TAT-8 . Se extendió desde Tuckerton, Nueva Jersey, siguiendo el lecho marino a lo largo de más de 5600 kilómetros hasta llegar a Widemouth, Inglaterra, y Penmarch, Francia.

Los ingenieros diseñaron el cable cuidadosamente para que sobreviviera en el fondo del océano. En su centro se encuentra el núcleo. Con menos de una décima de pulgada de diámetro, contiene seis fibras ópticas enrolladas alrededor de un alambre central de acero. Lo incrustaron en un elastómero para amortiguar las fibras, lo rodearon con hilos de acero y luego lo sellaron dentro de un cilindro de cobre para protegerlo del agua. El cable final tenía menos de una pulgada de diámetro, pero podía soportar unas 40.000 llamadas telefónicas simultáneas.

La esencia de cómo envían información a través de un cable de fibra óptica es muy simple. Podría tener una señal preestablecida con alguien en el otro extremo. Quizás usemos código Morse y bloqueemos el láser, para que la persona en ese extremo vea destellos que comuniquen un mensaje.

Para transmitir una señal analógica, como la voz de una llamada telefónica, por cable, los ingenieros utilizan la Modulación por Código de Pulsos (PWM). Tomamos una señal analógica, la dividimos en secciones y luego aproximamos la intensidad o amplitud de la onda lo mejor posible.

Queremos convertir esto en una señal digital, lo que significa valores discretos de sonoridad, no cualquier valor. Por ejemplo, usaré cuatro bits, lo que significa que tengo 16 valores posibles para la sonoridad. Así, las primeras cuatro secciones de la señal podrían aproximarse por 10, 12, 14 y 15.

Luego, tomamos cada sección y convertimos su amplitud en una serie de unos y ceros. La primera barra de valor 10, al codificarse, se convierte en uno, cero, uno, cero. Podemos hacer esto para cada sección de la curva.

Ahora, en lugar de observar la forma de onda verde o incluso las barras azules, podemos pensar en la señal como una serie de unos y ceros organizados en el tiempo. Es esa secuencia la que enviamos a través de un cable de fibra óptica: flash para uno y nada para cero. Claro que el receptor conoce el método exacto de codificación. Por lo tanto, descifrar el mensaje es muy sencillo.

Quizás te preguntes cómo un pulso láser puede viajar casi 6400 kilómetros a través del océano. No lo hace sin ayuda, ya que la luz se escapa por los lados de las fibras. Recuerda nuestra corriente de propileno.

Así se atenúa la luz a medida que viaja. Se puede ver un haz estrecho en el cubo que se ensancha un poco al entrar en el arroyo y, tras el primer rebote, el haz sale aún más ancho de lo que entró. Esto se debe a que la interfaz con el aire es desigual y los rayos que componen el haz inciden en ángulos ligeramente distintos.

Cuando ese haz se refleja por segunda vez, esos rayos individuales divergen aún más. Hasta que, al llegar al tercer rebote, muchos de los rayos ya no se encuentran en el ángulo crítico y pueden salir por los lados del arroyo. Aquí ocurre en pocos centímetros, pero en cables de fibra óptica como el TAT-8, la señal recorre la asombrosa distancia de 50 kilómetros antes de necesitar amplificación. Absolutamente asombroso.