Introduciéndonos al mundo de la fibra óptica

Fundamentación.

Palabras tales como onda, frecuencia o período son de uso cotidiano, aunque su significado no se encuentre muy claro, vale su aclaración a fin de establecer las partes de una onda y sus características, como así también sus aplicaciones, al asociar casi instintivamente la frecuencia o la amplitud a las ondas de radio (f.m o a.m)

La forma lúdica ayuda como estrategia para que se fijen los conceptos en torno a las partes de una onda.

De una u otra forma, resulta interesante incursionar en que la luz, dado su comportamiento dual, se comporta como una onda y como una partícula.

Por ejemplo, ocurre que cuando un haz de luz incide sobre una superficie con un determinado ángulo de un medio a otro, un medio ópticamente más denso, el rayo incidente se desvía respecto de la perpendicular en donde pasa de un medio a otro con un ángulo diferente.

Una parte del haz de luz atraviesa de un medio a otro es decir, se refracta. Mientras que, otra parte del haz de luz se proyecta, es decir, se refleja.

Si el ángulo incidente se hace variar, a partir de cierto ángulo llamado "límite" o "crítico", el haz de luz solo se refractaría en el otro medio, mientras que en el medio donde actúa inicialmente "desaparece". Este principio es el que pertenece a la fibra óptica.

A continuación se procederá a la lectura de un capítulo del libro “Historia de la luz” de Susana Gallardo. De fácil lectura y comprensión, sin ser demasiado extenso en su relato.

La fibra óptica.

Actualmente, la mayor parte de las líneas telefónicas de larga distancia, así como las urbanas, utilizan la fibra óptica, que permite la transmisión de gran cantidad de datos a través de largas distancias, a alta velocidad, sin demasiadas pérdidas de energía, y sin sufrir perturbaciones provocadas por la atmósfera, como sucede con las ondas de radio. De hecho, los cables transoceánicos que comunican a Europa con el continente americano emplean fibras ópticas. El desarrollo tecnológico hace que cada vez se requiera un mayor ancho de banda para poder transmitir mayor cantidad de información (voz, música, imágenes e incluso, TV), por ello la fibra óptica se irá empleando cada vez más para llegar a cada manzana, e incluso, a cada hogar.

La fibra óptica puede transportar mucha más información que el cable de cobre convencional. En este último, las señales se ven atenuadas por la resistencia del material a la propagación de las ondas electromagnéticas. Poseen un diámetro muy pequeño, y se fabrican a partir de un tipo de vidrio muy flexible. Habitualmente se emplea sílice (cuarzo o dióxido de silicio, compuesto formado por silicio y oxígeno). El material debe tener pocas imperfecciones para que la luz no se absorba ni se disperse, y pueda propagarse mediante reflexiones múltiples. La luz, que es la que transporta los datos, es emitida por un láser, o por un LED, o diodo emisor de luz.

La historia de la fibra óptica comienza alrededor de 1870, cuando el físico irlandés John Tyndall (1820 – 1893) demostró que un chorro de agua podía contener y guiar luz debido a que ésta se reflejaba en su interior; poco después lo probó con tubos de vidrio y más tarde con hilos gruesos de cuarzo fundido. Lo importante de este trabajo fue demostrar que la luz, al incidir en estos materiales a un determinado ángulo, se refleja dentro de ellos, es decir, queda confinada y puede propagarse a determinadas distancias.

Este principio fue utilizado en su época para iluminar chorros de agua en fuentes públicas. En 1952, sobre la base de los estudios de John Tyndall, el físico de origen indio Narinder Singh Kapany (nacido en 1927) realizó experimentos que condujeron a la invención de la fibra óptica que conocemos actualmente.

Uno de los primeros usos fue la endoscopía, una técnica de exploración visual de una cavidad o conducto del organismo. En particular se emplea para explorar el tubo digestivo, y consiste en introducir una fibra óptica a través de la boca y que llega hasta el duodeno (primera porción del intestino delgado).

La fibra óptica está compuesta por un núcleo (core) que tiene un índice de refracción ligeramente mayor que el material que lo circunda (revestimiento o cladding). La relación entre estos dos índices determina lo que se conoce como “apertura numérica” de la fibra, que es lo que va a permitir que la luz pueda propagarse dentro del núcleo mediante reflexiones múltiples.

Para entender el principio de funcionamiento de la fibra óptica, recordemos que la luz cambia de velocidad cuando pasa de un medio a otro, por ejemplo, cuando pasa del aire al agua. En ese cambio, además de modificar la velocidad, sufre efectos de reflexión y de refracción (cambia la velocidad y la dirección de propagación).

Según la velocidad con que se propague la luz en un medio determinado, se le asigna un índice de refracción, valor que resulta de dividir la velocidad de la luz en el vacío por la velocidad de la luz en dicho medio. Los efectos de reflexión y refracción que se dan en el límite entre dos medios diferentes dependen de los respectivos índices de refracción.

Cuando dos medios poseen diferentes índices de refracción, si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un cierto ángulo límite (que se determina con una ecuación), siempre se refleja en la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la luz de forma controlada, como se puede ver en el gráfico 9.

Como se ve en el dibujo, el material envolvente posee un índice de refracción determinado (n), y el material interior, el núcleo, posee un índice diferente (n’). De esta manera se logra guiar la luz a través del interior del cable. La luz se va reflejando contra las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas a través de grandes distancias, sin pérdidas. En la fibra óptica se pueden emitir a la vez varias señales diferentes con distintas frecuencias, con el fin de poder distinguirlas.

Experimentación.

Tras la lectura del capítulo "fibra óptica" resulta interesante listar las posibles aplicaciones de la fibra óptica, como así también su descubrimiento y las experimentaciones que se hicieron al respecto.

¿Existirá la posibilidad de llevar a la práctica la experimentación mencionada en el capítulo?

Visualización del siguiente video.

Dicha experiencia puede ser puesta en práctica de manera sencilla colocando humo (de un sahumerio, por ejemplo) en el medio donde se encuentra el aire y unas gotas de leche en el medio donde se encuentra el agua.

Imagen de la propia práctica

Imagen de la propia práctica

Así también, perforando una botella, que luego ha de ser repleta de agua, al hacer incidir el haz de luz en el agujero por donde sale el chorro de agua, se producirá el fenómeno de la fibra óptica, donde la luz es conducida o guiada en una determinada dirección.

Próximos pasos para continuar investigando...

Una investigación ambiciosa resulta de buscar la forma de emplear fibra óptica a fin de diseñar un sistema cerrado de comunicación de datos en la propia institución escolar.

Un proyecto que requerirá de investigación extracurricular y que, por sobre todas las cosas, necesitará del entusiasmo de los estudiantes y del motor impulsor por parte del docente.

Atentos a los futuros posteos...