manual curso redes y enlaces de fibra optica

MANUAL PARA EL CURSO

REDES Y ENLACES DE FIBRA ÓPTICA

Guía de Estudios Técnicos

RODOLFO VELOZ PÉREZ 1era Versión - 2019

Rodolfo Veloz Pérez

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© Rodolfo Veloz Pérez, 2019. ISBN: Basado en ISBN 978-956-398-485-9

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del titular del copyright. La infracción de dichos derechos puede constituir un delito contra la propiedad intelectual.

Título original: MANUAL PARA EL CURSO REDES Y ENLACES

DE FIBRA ÓPTICA. Guía de Estudios Técnicos (Extracto parcial del Libro “Comunicaciones en Fibra Óptica” bajo autorización del autor)

Esta publicación está financiada por Brainamics

Tipografía utilizada: Helvética Neue

Manual para el Curso: Redes y Enlaces de Fibra Óptica

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INDICE DE CONTENIDOS Introducción .................................................................................................... 9

Acerca del Autor ............................................................................................ 11

Renuncia de Responsabilidad ....................................................................... 13

Historia de la Fibra Óptica ............................................................................. 15

Las primeras teorías de la luz .................................................................... 17

Teoría Corpuscular de la Luz ..................................................................... 20

Teoría Ondulatoria de la Luz ...................................................................... 24

Modelo ondulatorio de Thomas Young ..................................................... 29

Ecuaciones de Maxwell y Ondas Electromagnéticas ................................ 35

Efecto Fotoeléctrico, Mecánica Cuántica y la masa de la luz ................... 39

Camino a la invención de la Fibra Óptica .................................................. 47

Confinamiento de la luz ............................................................................. 48

Transmisión guiada de la luz ..................................................................... 51

Invención de la Fibra Óptica ...................................................................... 55

Desarrollo de la Fibra Óptica para Comunicaciones ................................. 59

Primeras Instalaciones ............................................................................... 62

Principios Básicos de la Luz ......................................................................... 65

Teoría Básica de las Ondas Electromagnéticas ........................................ 65

Refracción y Ley de Snell .......................................................................... 71

Potencia y Pérdida Óptica ............................................................................ 83

Óptica y Construcción de la Fibra Óptica ..................................................... 87

Modos ........................................................................................................... 90

Monomodo vs Multimodo .......................................................................... 95

Perfil de Índices en Fibra Óptica ............................................................. 101


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Características de la Fibra Óptica ............................................................... 105 Dispersión de Rayleigh ......................................................................... 110 Dispersión Modal .................................................................................. 112 Dispersión Material ............................................................................... 113 Dispersión por guía de onda ................................................................ 115 Dispersión cromática ............................................................................ 116 Dispersión por modo de polarización .................................................. 118

Combinación de diferentes tipos de filamentos ...................................... 120

Causas de la Atenuación en Fibra Óptica ................................................ 127

Designación de las Fibras Ópticas en ISO/IEC11801 .............................. 135

Designación de las Fibras Ópticas en TIA-568 ........................................ 139

Designación de las Fibras Ópticas en la UIT-T ........................................ 145

Cables de Fibra Óptica ................................................................................ 167

Resistencia a la tracción .......................................................................... 168

Resistencia al Aplastamiento y al Impacto .............................................. 169

Torsión de los cables ............................................................................... 169

Condiciones ambientales ......................................................................... 170

Chaqueta del Cable ................................................................................. 174

Armadura .................................................................................................. 175

Gel Hidrófobo ........................................................................................... 176

Tight Buffer ............................................................................................... 177

Loose Tube .............................................................................................. 179

Tipos de Cables y Características ........................................................... 181

Estándar de Código de Colores TIA-598 ................................................. 195

Empalmes por Fusión en Fibra Óptica ........................................................ 202

Errores Comunes en Empalmes por Fusión ............................................ 214


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Cortador de Precisión: Su influencia en la fusión .................................... 224

Tecnologías de Empalmes por Fusión .................................................... 226

Conectorización en Fibra Óptica ................................................................. 230

Anatomía de un conector: Componentes básicos .................................. 231

Tipos de Conectores ............................................................................... 232

Rendimiento de Conectores según TIA 568 3-D y TIA 758 ..................... 239

Valores máximos de reflectancia y pérdida por inserción según UIT-T G.671 ....................................................................................................... 240

Telcordia GR-326: Parámetros clave de para un contacto óptimo de fibra ................................................................................................................. 241

Tipos de Pulido ........................................................................................ 245

Conectores Epóxico Pulido ..................................................................... 247

Conectores Prepulidos ............................................................................ 249

Código de colores para los conectores .................................................. 250

Inspección de conectores IEC 61300-3-35 ............................................. 251

Transmisión y Recepción en Fibra Óptica .................................................. 259

Conversor de Medios .............................................................................. 259

Transmisor ............................................................................................... 263

Receptor .................................................................................................. 269

Instalación de Fibra Óptica ......................................................................... 273

Tipos de Instalación de cable de fibra óptica .......................................... 273

Topologías de fibra óptica ....................................................................... 277

Cables reconocidos en Planta Interna por TIA-568.3-D .......................... 280

Inflamabilidad - Calificación de cables .................................................... 283

Tipos de Fibra y Clasificación .................................................................. 285


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Uniones y Puesta a Tierra ........................................................................ 287

Recepción de cableado y equipo de fibra óptica en el sitio .................... 289

Manipulación de cables de fibra óptica ................................................... 291

Seguridad ................................................................................................. 293

Hardware Utilizado en la Instalación ........................................................ 298

Montajes de conductos según NEC ........................................................ 304

Canalizaciones de Fibra Óptica ............................................................... 308

Limpieza ................................................................................................... 310

Pautas de instalación ............................................................................... 312

Tensión del Cable .................................................................................... 313

Radio de Curvatura .................................................................................. 316

Evitar el torcimiento del cable .................................................................. 317

Uso de amarras en los cables .................................................................. 318

Equipos de Prueba y Enlace en Fibra Óptica .............................................. 319

VISUAL FAULT LOCATOR ....................................................................... 321

MICROSCOPIO ........................................................................................ 323

LSPM ........................................................................................................ 329

OLTS ........................................................................................................ 331

OTDR ........................................................................................................ 347

Ventajas de los Sistemas de Fibra Óptica ................................................... 358

Abundancia de Materia Prima .................................................................. 358

Inmunidad al Ruido .................................................................................. 359

Capacidad en Distancia ........................................................................... 359

Ancho de Banda ...................................................................................... 360

Relación tamaño y peso ........................................................................... 361


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Confiabilidad y Seguridad de la Red ....................................................... 363

Escalabilidad Tecnológica ....................................................................... 363

Desventajas de la fibra óptica ................................................................. 364


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Introducción ¡Hola estimado alumno! Si estás leyendo este Manual, es porque ya te has matriculado en nuestro curso conducente a la Certificación de Fibra Óptica “CERTIFIED FIBER OPTIC INSTALLER”, Certificado por Electronic Technician Association International de Estados Unidos. Con nuestros colegas especialistas, con quienes llevamos años impartiendo cursos de formación para Técnicos e Ingenieros que se desempeñan en el campo de las Telecomunicaciones, hemos entendido el como realizar de manera exitosa la formación que pueda encaminarte a una Certificación Internacional que, de un impulso a tu carrera, y ya estás matriculado en este modelo. Este, espero, sea el paso que esperabas, y que no tan solo te ayude a obtener la distinción que quizás esperabas dada tu experiencia en el campo, sino que además puedas actualizarte y aprender algo más con nosotros. La tecnología de fibra óptica es tremendamente interesante. Desarrollada en los años 60 para las comunicaciones ópticas, recién en el cono sur se están haciendo los despliegues de fibra óptica hasta la casa (FTTH/FTTB), donde la penetración de internet de banda ancha por ejemplo en Chile, no supera el 10%, y hasta hace unos años, incluso no superaba el 5%. Según información del FTTH Council de febrero de 2018, los países que están más avanzados, como Emiratos Árabes Unidos, Qatar, Singapur, ya están superando el 90%. Me ha tocado ver que la formación de los técnicos e Ingenieros aún está en su etapa temprana, y eso representa una dificultad de crecimiento país, porque no permite grandes despliegues de redes a la velocidad que la tecnología lo necesita. Sin embargo, representa una tremenda oportunidad para quienes ya están iniciando sus procesos de formación y actualización en el mundo de la Fibra Óptica a través de la capacitación o certificación. Los altos costos de los instrumentos, herramientas y la falta de especialistas hace que incluso Institutos y Universidades no puedan tener las herramientas suficientes para formar profesionales y técnicos, y nos deja al debe con la tecnología y el conocimiento. La Subsecretaría de Telecomunicaciones lo


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descubrió hace un tiempo cuando desplegó la promoción de su proyecto “Fibra Óptica Austral” en Chile, y coincidió con lo que me ha tocado experimentar en los años que llevo realizando formación a académicos de Institutos y Universidades. Hoy, los primeros que lleguen bien formados, actualizados, tendrán muy buenas oportunidades laborales al menos por los próximos 20 años. La presente guía que tienes en tus manos, ha sido desarrollada sobre la base de mi Libro que fue desarrollado durante todo el año 2018, luego de la experiencia de impartir cursos de formación en Fibra Óptica para más de 1200 alumnos, con el fin de entregar material de apoyo a los programas de formación que he ido desarrollando durante mi carrera, los cuales se encuentran sustentados por Certificaciones Internacionales de carácter neutral. Así, el presente Manual es un extracto orientado a apoyar con la lectura las presentaciones del curso, esperando ayudarte a encaminar tu ruta hacia la certificación, y esperando por supuesto que quieras continuar con nosotros, Brainamics Instituto de Tecnología Aplicada, estudiando las Certificaciones Internacionales de Fibra Óptica que le darán un impulso a tu carrera, certificaciones que antes eran impartidas en idioma inglés por organizaciones profesionales de Estados Unidos, y hoy ya las tienes disponibles en idioma español para el mercado latinoamericano de nuestra mano, a tu alcance. Espero que este Manual sea de apoyo en tu formación, y te sirva de consulta a futuro. Y por supuesto, espero que puedas tener pronto mi libro “Comunicaciones de Fibra Óptica – Guía de Estudios Técnicos” en tus manos. Ing. Rodolfo Veloz. Santiago de Chile, Mayo 2019.


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Acerca del Autor

Rodolfo Veloz es Ingeniero Electrónico con mención en Telecomunicaciones, Diplomado en Administración de Empresas y Magister en Administración de Empresas. Está certificado como Instructor en Fibra Óptica y Tecnologías de la Información por Electronic Technician Association International de Estados Unidos, bajo la denominación de Certification Administrator, e Instructor de Tecnologías de Fibra Óptica por The Fiber Optic Association de Estados Unidos con la Certificación “Certified Fiber Optic Specialist - Instructor” CFOS/I, contando además con las calificaciones de CFOT, CPCT y QUAL/H (para el FTTH). Además, cuenta con las certificaciones CCTT con el nivel de Instructor por Fluke Networks Academy y UCT - Ubiquiti Certified Trainer de Ubiquiti Networks Academy. Recibió entrenamiento en fibra óptica en China, en las ciudades de Beijing y Wuhan, en China, donde se encuentra el Optics Valley. Es actualmente CEO de Brainamics y Fundador del Instituto de Tecnología Aplicada, y en su trayectoria profesional se ha desempeñado en el mercado técnico y tecnológico como Product Manager, Jefe de Ventas, Gerente


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Comercial y Gerente General, donde para mejorar el rendimiento tanto del personal comercial, técnico, y las brechas tecnológicas de los productos y sus principales usuarios e integradores, desarrolló programas de formación. De esta forma, conformó junto a sus colaboradores un Centro de Entrenamiento Tecnológico donde formó profesionales de Chile y países como Perú, Bolivia, Colombia, Panamá y Venezuela. Rodolfo Veloz estandarizó los programas a los niveles de los principales cursos de certificación de habla inglesa, y así desarrolló todos los programas de formación académica junto a sus contenidos teóricos y prácticos. Hoy, el Instituto de Tecnología Aplicada cuenta con los estándares internacionales habiéndose obtenido las acreditaciones de Instituciones internacionales y sus respectivas certificaciones, lo que permite que sus alumnos obtengan certificaciones neutrales - no vinculantes a marcas, sino con foco en la tecnología y sus estándares - de validez internacional de alto prestigio. De manera incansable, Rodolfo Veloz también formó parte como expositor del primer Seminario de Fibra Óptica en Chile organizado por la Subsecretaría de Telecomunicaciones del Gobierno de Chile, siendo invitado como parte del panel de expertos donde se expuso la tecnología de fibra óptica a raíz del proyecto de Fibra Óptica Austral.


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Renuncia de Responsabilidad La información presentada en este Manual está destinada a usarse como pautas básicas para los cursos impartidos por nuestro Instituto, o para apoyar clases o formación de quienes consideren nuestro material formativo apropiado para ello, y de ninguna manera debe considerarse como información completa o exhaustiva. Estas pautas básicas son estrictamente opiniones y recopilaciones de material de estudio de consideración del autor y se espera que el lector las utilice como una base para el aprendizaje, como referencia, y que a partir de allí cree su propia documentación, especificaciones para sus proyectos, pautas de instalación, entre otros. Se debe recordar que el uso de fibra óptica en laboratorio o en campo requiere medidas de seguridad, por lo que es estricta responsabilidad del profesor o instructor a cargo establecer las normas de seguridad y exigir que se cumplan cuidadosamente, así como de quien utilice el libro de forma autodidacta. Brainamics y el autor no asumen ninguna responsabilidad por el uso inapropiado de este material de estudio.


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Historia de la Fibra Óptica

La fibra óptica es un filamento de vidrio que se construye a partir de una barra llamada preformado, que se lleva a hornos de 2400ºC y que se va formando por gravedad, y de manera controlada se logra su composición óptica geométrica. Cada filamento de fibra óptica está compuesto por un núcleo, un revestimiento, y un recubrimiento, uno adentro del otro. El núcleo y el revestimiento son de silicio y de diferente índice de refracción, lo que permite que la luz que se transmite, sea guiada por el núcleo a través de sucesivas reflexiones totales internas. La fibra óptica en algunos casos puede ser de

RODOLFO VELOZ EN EL OPTICS VALLEY, CHINA, FRENTE AL EL HORNO DONDE EL REFORMADO COMIENZA SU PROCESO DE TRANSFORMACIÓN AL FILAMENTO DE FIBRA

ÓPTICA


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plástico. Estos filamentos, si bien son flexibles, son frágiles, y se pueden cortar con solo doblarlos. A través de la fibra óptica viajan todo tipo de datos en forma de luz a gran velocidad, permitiéndole recorrer grandes distancias en instantes y con una baja atenuación en comparación con el cobre. Para hacer más fácil la instalación, se juntan varios filamentos en el interior de un cable con diferentes estructuras, para hacerla más resistente y duradera, acorde al medio en el cual se va a instalar. Así, por ejemplo, la estructura mecánica que resguarda a los filamentos de fibra óptica es lo que se llama “cable de fibra óptica”. Estos cables se instalan conformando redes que llegan hasta muchos puntos, desde redes LAN, MAN, WAN, y han reemplazado con el tiempo a los principales medios de comunicación existente, como los enlaces de cobre, microondas, satelitales, entre otros.

LA FIBRA ÓPTICA UNA VEZ FINALIZADO SU PROCESO, QUEDA CON UN RECUBRIMIENTO PRIMARIO DE 250 MICRÓMETROS PARA PODER SER BOBINADA Y DESTINADA A LOS

FABRICANTES DE CABLES


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Las primeras teorías de la luz Para entender la física moderna es necesario entender la luz. Recuerdo que mi primer profesor de Física en la Universidad preguntó precisamente el primer día de clases, si sabíamos algo de física, o si podíamos darle algunos conceptos de física. Todos los conceptos que fuimos dando los fue anotando uno a uno en la pizarra. En ese momento, cuando finalizó el bombardeo de conceptos de todos los presentes en la sala, comenzó a interrelacionarlos, y luego explicó que todos se resumían en un solo concepto físico: Luz.

La luz, es un fenómeno cuántico y es necesariamente relativista. Viaja a la en el vacío a 3 x 108 [m/s], y clásicamente se describe por una onda dada sus propiedades de propagación observadas por los diferentes científicos que contribuyeron a su actual definición y conocimiento de su naturaleza, pero a su vez, tiene propiedades similares a partículas dada sus características en el mundo cuántico.

LA LUZ Y SU DESCOMPOSICIÓN EN DISTINTAS LONGITUDES DE ONDA A PARTIR DE LA LUZ BLANCA.


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Los antiguos griegos tuvieron concepciones de la luz muy interesantes, y estos estaban relacionadas respecto de la observación, la visión. Empédocles dijo que rayos de luz emanan de los ojos y devuelven información. Empédocles, postuló que la visión se produce por el choque de los rayos de luz que emiten nuestros ojos y los rayos de otra fuente de luz, como el sol, en el objeto que observamos. Demócrito consideraba que la luz tenía una naturaleza corpuscular, y que la visión estaba causada por la proyección de las partículas que provienen de los objetos mismos y finalmente el alma interpretaba lo que habían captado los ojos. Aristóteles planteó que la luz es

EL EXTRAÑO COMPORTAMIENTO CUÁNTICO DE LA LUZ, CAPTURADO EN UN LABORATORIO. MUESTRA LA LUZ ATRAPADA DENTRO DE UN CABLE PLATEADO DE 40 NANÓMETROS DE

ANCHO.


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la actividad de lo que es transparente, proponiendo que la luz es una forma, no una sustancia o materia.

EMPEDOCLES


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Teoría Corpuscular de la Luz A fines de la década de 1600 dos extraordinarios científicos de la época propusieron teorías aparentemente contrapuestas de lo que es la luz.

La luz está compuesta de partículas. Esta teoría fue publicada por Isaac Newton en su obra llamada Opticks: or, a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light (Óptica o tratado de las reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de la luz). Esta teoría lograba explicar tanto la propagación rectilínea de la luz como la reflexión de la luz, aunque no explicaba satisfactoriamente la refracción. En 1666, previamente a enunciar su teoría, Newton había realizado su famoso experimento de descomposición de la luz en colores, lo cual se lograba al hacer que un haz de luz atravesara un prisma. La conclusión a la que llegó fue que la luz blanca está compuesta por el conjunto de

los colores del arco iris, lo que en su modelo explicaba diciendo que los corpúsculos de la luz eran diferentes en función de su color.

ÓPTICA O TRATADO DE LAS REFLEXIONES, REFRACCIONES, INFLEXIONES Y COLORES DE LA LUZ,

EL TRATADO DE ISAAC NEWTON.


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Reflexión

La reflexión es el fenómeno óptico por el cual cuando una onda (por ejemplo, la luz) incide oblicuamente sobre la superficie de separación entre dos medios, experimenta un cambio de dirección y es devuelta al primero junto con una parte de la energía del movimiento. De esta manera, los corpúsculos chocarían de forma elástica con la superficie de separación de los dos medios, y dado que la diferencia de masas era muy grande, los corpúsculos rebotarían. Así, la componente horizontal de la cantidad de movimiento px se mantendría constante, mientras que la componente normal py invertiría su sentido. Se cumplían así las leyes de la

reflexión, siendo el ángulo de incidencia y el de reflexión iguales.

NEWTON Y SUS EXPERIMENTOS CON LA LUZ


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Refracción La refracción es el fenómeno que se produce cuando una onda (por ejemplo, la luz) incide oblicuamente sobre el espacio de separación entre dos medios, con distinto índice de refracción. Cuando esto ocurre, la onda penetra y se transmite por el segundo de medio junto con una parte de la energía del movimiento. La refracción tiene lugar debido a la distinta velocidad a la que se propaga la onda en los dos medios. Para explicar la refracción, Isaac Newton propuso que las partículas luminosas incrementan su velocidad al pasar de un medio menos denso a otro más denso. De este modo, en el marco de su teoría corpuscular justificó la refracción suponiendo una atracción más intensa de las partículas luminosas por parte del medio con más densidad. Sin embargo, se debe considerar que, según su teoría, en el instante en el que una partícula luminosa procedente del aire incide sobre el agua o un vidrio, esta debería sufrir una fuerza opuesta al componente de su velocidad perpendicular a la superficie, lo cual conllevaría una desviación de la luz contraria a la realmente observada. Sin embargo, existían debilidades o fallas en la teoría corpuscular de la luz. Se planteó que la luz viaja más rápido en los medios más densos que en los medios menos densos, lo cual se terminó comprobando que no es así. También, la idea de que los diferentes colores de la luz tienen relación con el tamaño de los corpúsculos no tiene ninguna justificación. Además, Newton pensaba que la reflexión de la luz se debía a la repulsión entre los corpúsculos y la superficie en la que se refleja; mientras que la refracción está causada por la atracción entre los corpúsculos y la superficie que los refracta. Sin embargo, esta afirmación se comprobó incorrecta, ya que por ejemplo, los cristales reflejan y refractan la luz al mismo tiempo, lo cual según la teoría corpuscular de la luz implicaría que existiera atracción y repulsión de la luz al mismo tiempo. Por otra parte, la teoría corpuscular no puede explicar los fenómenos


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de difracción, interferencia y polarización de la luz. Así, se define la Teoría de Newton como una teoría de la luz incompleta, pero que significo un importante paso en el entendimiento de la verdadera naturaleza de la luz. No obstante, el ser incompleta o errónea en ciertos puntos bajo ninguna circunstancia le resta valor y por lo tanto la mencionamos como uno de los pilares fundamentales sobre los que se fue construyendo el conocimiento futuro sobre la luz.

LA ÓPTICA DE NEWTON. ILUSTRACIONES EN COLOR DEL FÍSICO INGLES ISAAC NEWTON REALIZANDO SU FAMOSO EXPERIMENTO SOBRE LA LUZ.


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Teoría Ondulatoria de la Luz La luz es un fenómeno de onda. Esta opinión fue presentada por primera vez por Christiaan Huygens aproximadamente al mismo tiempo que Newton. Algunos aspectos de la luz fueron explicados por esta teoría, aunque faltaba

una teoría matemática rigurosa. Christiaan Huygens fue astrónomo, físico, matemático y científico. En 1660, demostró que las leyes de la óptica podían explicarse basándose en la suposición de que la luz tenia naturaleza ondulatoria. En 1678, Christian Huygens formuló su teoría ondulatoria de la luz, que posteriormente, en 1690, publicaría en su obra "Treatise on light” o “Traite de la Lumiere”. Postuló, que la luz se propagaba en un material de gran elasticidad, impalpable que todo lo invade, y le llamó éter, que según se creía difundía y producía la sensación de luz al colisionar con el ojo.

Propuso entonces, que la luz era emitida en todas las direcciones como un conjunto de ondas que se desplazaban por el éter. Dado que las ondas no se

“TRATADO DE LA LUZ” DE CHRISTIAAN HUYGENS


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ven afectadas por la gravedad, asumió la velocidad de las ondas se reducía cuando entraban en un medio más denso. Su modelo resultó particularmente útil para explicar la ley de Snell-Descartes sobre la reflexión y la refracción. También explicaba satisfactoriamente el fenómeno de la difracción, fenómenos que no eran explicados por la teoría de Newton. Reflexión La reflexión es un fenómeno óptico que tiene lugar cuando una onda incide de forma oblicua sobre una superficie de separación entre dos medios y sufre un cambio de dirección, siendo devuelta al primer medio junto con parte de la energía del

movimiento. El principio de Huygens permite demostrar las leyes de la reflexión. Se comprueba que cuando una onda alcanza la separación de los medios, cada punto se convierte en un nuevo foco emisor emitiendo ondas secundarias. El frente de ondas reflejado es la envolvente de las ondas secundarias. El ángulo de este frente secundario de ondas reflejado es exactamente el mismo que el ángulo incidente.

CHRISTIAAN HUYGENS POR CASPAR NETSCHER, PINTOR BARROCO HOLANDES, ESPECIALIZADO EN PINTURA DE GABINETE Y RETRATOS (1671).


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Refracción Sin embargo, la refracción es el fenómeno que tiene lugar cuando una onda incide oblicuamente sobre un espacio de separación entre dos medios, que tienen índice de refracción diferente. Cuando esto sucede, la onda penetra y se transmite por el segundo de medio junto con parte de la energía del movimiento. La refracción sucede como consecuencia de la diferente velocidad con la que se propagan las ondas en los distintos medios. Un ejemplo típico del fenómeno de refracción se puede observar cuando se introduce parcialmente un objeto en un vaso con agua. El principio de Huygens proporcionó una explicación convincente sobre la refracción. Los puntos en el frente de onda situados en el límite entre los dos medios actúan como nuevas fuentes de propagación de la luz y de este modo la dirección de propagación cambie. Difracción

La difracción es un fenómeno físico característico de las ondas que consiste en la desviación de las ondas cuando encuentran un obstáculo en su camino

DIFRACCIÓN DE LA LUZ


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o atraviesan una rendija. La difracción se produce únicamente cuando la onda se distorsiona por causa de un obstáculo cuyas dimensiones son comparables a su longitud de onda. La teoría de Huygens explica que cuando la luz incide sobre una rendija todos los puntos de su plano se convierten en fuentes secundarias de ondas emitiendo, como ya ha explicado anteriormente, nuevas ondas que en este caso reciben el nombre de ondas difractadas. El principio de Huygens dejaba una serie de preguntas sin respuesta. Su afirmación de que cada punto de un frente de onda era a su vez una fuente de una nueva onda, no permitía explicar por qué la luz se propaga tanto hacia atrás como hacia adelante. Igualmente, la explicación del concepto de éter no resultaba enteramente satisfactoria. Pese a ser capaz de responder más interrogantes de la luz que la teoría corpuscular de Newton, la teoría ondulatoria de Huygens no fue aceptada por los científicos de su época, salvo contadas excepciones. El enorme prestigio de Newton y el gran éxito que alcanzó su mecánica junto con los problemas para entender el concepto del éter, hicieron que la mayoría de los científicos contemporáneos a ambos se decantaran por la teoría corpuscular del físico inglés. En el período comprendido entre 1700 y aproximadamente 1860, hubo un debate sobre cuál era la opinión correcta. Muchos experimentos fueron realizados para tratar de resolver la disputa. Sin embargo, la mayoría de estos podrían explicarse por cualquiera de las vistas (aunque a veces con algunas consecuencias bastante extrañas).


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Modelo ondulatorio de Thomas Young

No fue hasta el siglo XIX cuando se recuperó el modelo ondulatorio. Fue fundamentalmente gracias al aporte de Thomas Young quien logró explicar todos los fenómenos de la luz partiendo de la base de que la luz es una onda longitudinal. En 1801 realizó su famoso experimento de la doble rendija. Con este experimento Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente luminosa lejana cuando se difracta tras atravesar dos rendijas. Del mismo modo, Young también explicó mediante el modelo ondulatorio la dispersión de luz blanca en los diferentes colores del arco iris. Demostró que en cada medio cada uno de colores que componen la luz posee una frecuencia y una longitud de onda características.

THIOMAS YOUNG


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De esta forma, gracias a este experimento demostró la naturaleza ondulatoria de la luz. En este experimento se deja pasar la luz por dos ranuras muy próximas entre sí. El patrón resultante de alternar bandas claras y oscuras resulta de la interferencia. Este experimento es extremadamente difícil (si no imposible) de explicar con una vista de partículas de la luz. Sin embargo, Young no era un científico influyente y, por lo tanto, su experimento no tuvo el impacto inmediato que debería tener. Curiosamente, con el tiempo este experimento se demostró clave para demostrar la dualidad onda corpúsculo de la luz, una característica fundamental de la mecánica cuántica. Este experimento ahora se realiza fácilmente con un puntero láser y cortes apropiados. Este fue el experimento clave para comprender la dualidad de la luz en mecánica cuántica.

EXPERIMENTO DE LA RENDIJA, QUE FUE UTILIZADO POR THOMAS YOUNG PARA DEMOSTRAR QUE LA LUZ ES UNA ONDA. HOY, EXPLICA LOS FENÓMENOS DE LA DUALIDAD

DE LA LUZ EN MECÁNICA CUÁNTICA.


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En 1818 se hace el experimento del punto de Poisson. La Academia Francesa decidió acoger un desafío, ya que los miembros de la Academia, al igual que los científicos de todo el mundo, notaron en aquel entonces que la luz cuando viajaba de un medio a otro, se curva en medios cristalinos cambiando su dirección. Era factible medir la curvatura de la luz, pero era un misterio que provocaba la curvatura, lo que lógicamente estaba asociado a su naturaleza, partículas u ondas.

Augustin Fresnel, había estudiado los efectos de la luz, y planteó que la luz emitía ondas perpendiculares a la dirección en la que viajaba. Su idea causó un gran revuelo. Siméon Poisson, creía que la luz viajaba como una serie de partículas, todas con complicadas interacciones entre sí. Poisson, Fresnel y otros científicos se reunieron y tuvieron una entusiasta serie de debates relacionados con la naturaleza de la luz y los efectos observables en su viaje a través de varios medios. Poisson quiso acabar definitivamente con la teoría de Fresnel. Razonó que si la luz era realmente una onda, entonces cuando esta chocara contra una esfera perfecta, las ondas de luz se curvarían a los lados del objetos. La simetría perfecta de una esfera implicaría que todas las ondas de luz se encontrarían en el centro exacto de la sombra que se forma detrás de ella. Allí, la gente sería capaz de ver un punto brillante de luz. Claramente, esto era absurdo en la teoría corpuscular. Francoise Arago, uno de los jueces de la Academia Francesa se dio cuenta de que Poisson había descrito el experimento perfecto para comprobar la teoría. Encontró un objeto redondo, también la luz que permitiría hacer el experimento, y muy pronto, encontró el

EL PUNTO DE POISSON


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punto, que fue justo donde Siméon Poisson dijo que sería. Aunque Francoise Arago realizó la prueba, el pequeño punto de luz en el centro de la sombra se llama “Punto de Poisson” En 1849 se hacen mediciones de la velocidad de la luz. La primera medición terrestre fue realizada por H. Fizeau. Fizeau calculó que la velocidad de la luz era de 313,300 [km/s], que estaba dentro del 5% del valor correcto. Fizeau publicó los primeros resultados obtenidos por su método para determinar la velocidad de la luz en 1849. Fizeau hizo la primera sugerencia en 1864 de que la "velocidad de una onda de luz se usara como estándar de longitud”, lo que hoy es una realidad para el metro. Previamente en el año 1676 fueron examinadas las órbita de las lunas de Júpiter para el cálculo de la velocidad de la luz por O. Romer. En 1850, se hace la medición de la velocidad de la luz en el agua en comparación con el aire. Como datos a considerar:

• La teoría de las ondas predice un viaje más lento a través del agua

• La teoría de las partículas predice un viaje más rápido

HYPPOLYTE FIZEAU, EL PRIMERO EN MEDIR LA VELOCIDAD DE LA LUZ.


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El resultado demostró que la luz viajaba más lento en el agua, de alguna forma confirmando la teoría ondulatoria de la luz.

EXPERIMENTO DE FIZEAU PARA ESTUDIAR LA VELOCIDAD DE LA LUZ. DE ACUERDO CON LAS TEORÍAS QUE PREVALECÍAN EN ESE MOMENTO, LA LUZ QUE VIAJABA A TRAVES DE

UN MEDIO MÓVIL SERÍA ARRASTRADA POR EL MEDIO, DE MODO QUE LA VELOCIDAD MEDIDA DE LA LUZ SERÍA UNA SUMA SIMPLE DE SU VELOCIDAD A TRAVES DEL MEDIO

MÁS LA VELOCIDAD DEL MEDIO.


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Ecuaciones de Maxwell y Ondas Electromagnéticas A mediados del siglo XIX, Michael Faraday realizó muchos experimentos innovadores en el área de la electricidad y el magnetismo. Faraday creía que había una conexión íntima entre la electricidad y el magnetismo y sus experimentos lo corroboraban. También creía que la luz estaba relacionada. Su experimento que muestra que la polarización de la luz que pasa a través del cuarzo era cambiada por la presencia de un campo magnético fuerte, hoy llamado rotación de Faraday, lo convenció de que estaba en el camino correcto. Sin embargo, Faraday no era un teórico experimentado y podía desarrollar una teoría para promover su convicción. En la década de 1860, otro científico británico, James Clerk Maxwell, tomó la causa de Faraday. Maxwell fue un experimentado teórico, reconocido como uno de los mejores físicos de la historia, y desarrolló la teoría matemática en uno de los pilares de la física moderna. La teoría de Maxwell sobre el electromagnetismo fue rápidamente considerada como un gran avance en el conocimiento humano. En su teoría, unificó formalmente los fenómenos eléctricos y magnéticos y en el proceso propuso un nuevo fenómeno, las ondas electromagnéticas. Las matemáticas estipularon que estas ondas viajan a una velocidad de

JAMES CLERK MAXWELL


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aproximadamente 3x108 [m/s], muy cercana al valor de la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Supuso que esta nueva entidad era en realidad luz. Su idea fue verificada experimentalmente unos 20 años después. La teoría de Maxwell unificó no solo los fenómenos eléctricos y magnéticos, sino también la óptica. Más tarde se entendió que otros fenómenos, ondas de radio, rayos X, rayos gamma, microondas, radiación infrarroja y ultravioleta eran ondas electromagnéticas.

El trabajo de Maxwell fue inmediatamente aclamado como un éxito y ha resistido la prueba del tiempo al no ser modificado en los 150 años de su existencia. En su teoría, los elementos en ciernes de la relatividad especial fueron incorporados, es decir, la teoría de Maxwell es una teoría relativista especial de la radiación electromagnética. Aunque la teoría cuántica posterior cambiaría la vista de la luz, las ecuaciones de Maxwell siguen siendo válidas dentro de

ella. Ahora es el momento de discutir de la manera más simple posible lo que dice la teoría de Maxwell.


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Comprendiendo las Ecuaciones de Maxwell Las relaciones centrales en la teoría electromagnética de Maxwell son sus cuatro ecuaciones de Maxwell. No explicaremos su forma matemática, sino que simplemente describiremos con palabras lo que significan. Estas ecuaciones eran en su mayoría conocidas antes de Maxwell, pero él las combinó en una sola teoría. Ley de Gauss. Esta fórmula esencialmente le dice cómo encontrar el campo eléctrico en una región donde hay una carga eléctrica neta, “Las cargas eléctricas producen campos eléctricos”. No hay monopolos magnéticos. Esto es idéntico al anterior, pero con campos magnéticos y la relación es igual a cero, “No hay fuentes puntuales de campos magnéticos, es decir, no hay cargas magnéticas”. Ley de Faraday. El trabajo anterior de Faraday había encontrado que un campo magnético que cambia el tiempo puede crear un campo eléctrico. Esto significa que la inducción electromagnética, no necesariamente necesita cargas eléctricas puntuales para crear un campo eléctrico. Ley de Ampere. Hay dos partes en esta ecuación. La primera parte es un análogo de la ley de Gauss y establece que un campo magnético es creado por corrientes eléctricas, vale decir, cargas eléctricas en movimiento. Lo que Maxwell agregó, basado en la simetría, es otro término que establece que un campo eléctrico cambiante puede crear un campo magnético, al igual que la ley de Faraday. El descubrimiento importante que hizo Maxwell involucró la combinación de las dos últimas ecuaciones cuando no hay cargas eléctricas o corrientes presentes, vale decir, no estamos en presencia de una fuente. Vio que había un posible fenómeno de autosuficiencia que se deriva de un proceso básico y perpétuo: Cambio del campo eléctrico implica un Cambio del campo magnético.


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Además, la relación matemática que surge de la combinación de las leyes de Faraday y Ampere toma la forma de un fenómeno de onda.

Maxwell reconoció esto y llamó a esta entidad “onda electromagnética”. A partir de la ecuación de onda matemática, pudo determinar qué tan rápido viajaría tal onda. Resultó estar muy cerca de la velocidad de la luz. Aunque su descubrimiento no tuvo una verificación experimental inmediata, la belleza de la idea condujo a su rápida aceptación por parte de la comunidad científica. Tomó otros veinte años para la confirmación experimental de Heinrich Hertz.

HEINRICH HERTZ, QUIEN CONFIRMA EXPERIMENTALMENTE LA EXISTENCIA DE LAS

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS PREDICHAS POR MAXWELL.


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Efecto Fotoeléctrico, Mecánica Cuántica y la masa de la luz

A fines de la década de 1800, Thomas Alba Edison anotó en su cuaderno de laboratorio que un tipo particular de metal cuando se expone a luz ultravioleta emite electrones. En 1902, este efecto se examinó cuidadosamente y se observó que la teoría de Maxwell no podía explicar algunas de sus características clave. Una de las características, es que, si se emiten electrones, lo harán inmediatamente después de que se encienda la luz. La energía de los electrones que emanan es directamente proporcional a la longitud de onda de la luz. El problema es que, si se usa una fuente de luz débil, la onda de luz se

EFECTO FOTOELECTRICO. (UNIVERSIDAD TECNICA DE VIENA)


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propaga en todas direcciones, es decir, la energía de la luz se distribuye sobre una esfera grande en constante crecimiento. Si la placa de metal es bastante pequeña, la cantidad de luz que llega será una porción muy pequeña de toda la onda esférica. Por lo tanto, poca energía será entregada a la placa. Sin embargo, se puede observar en ocasiones que casi inmediatamente después de encender la luz se emite un electrón. La teoría de Maxwell no puede entregar una cantidad suficiente de energía a la placa para patear al electrón en este caso.

Otra de las características, es que si se usa una luz de longitud de onda larga, no se emiten electrones sin importar cuán intensa sea la fuente. En la teoría de Maxwell, la potencia emitida por la onda de luz es proporcional a la amplitud o intensidad de la onda. Por lo tanto, para entregar energía suficiente al electrón, todo lo que uno haría es aumentar la intensidad. Sin embargo, el experimento revela que la intensidad no tiene en cuenta el problema, sino que es la longitud de onda o frecuencia lo que importa. Sin embargo, una fuente de rayos X muy débil, con baja amplitud, expulsará electrones. La teoría de Maxwell no puede explicar estos resultados.

LA FRECUENCIA DE LA LUZ ROJA (IZQUIERDA) ES MENOR QUE LA FRECUENCIA DE UMBRAL DE ESTE METAL, POR LO QUE NO SE EXPULSAN ELECTRONES. LA LUZ VERDE (CENTRO) Y LA

LUZ AZUL (DERECHA) TIENEN FRECUENCIA MAYOR, POR LO QUE AMBOS PROVOCAN LA FOTOEMISIÓN. LA LUZ AZUL DE MAYOR ENERGÍA EXPULSA ELECTRONES CON MAYOR

ENERGÍA CINETICA EN COMPARACIÓN CON LA LUZ VERDE.


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Einstein y el Efecto Fotoeléctrico En 1905, Einstein propuso que, para explicar los resultados del efecto fotoeléctrico, se debe pensar que la luz está compuesta de partículas. Sobre la base de la teoría de la radiación de cuerpos negros de Max Planck, Einstein propuso que la energía de radiación no se distribuye de forma continua sobre el frente de onda, sino que se localiza en pequeños haces, que más tarde serían llamados fotones. La energía del fotón estaría asociada con su frecuencia, a través de una constante de proporcionalidad conocida como constante de Planck, o alternativamente,

utilizando la longitud de onda y la velocidad de la luz.

ALBERT EINSTEIN


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Aparece, en la definición de la partícula, el concepto del “Fotón”. Con esta propuesta de Einstein, se pueden explicar todas las propiedades del efecto fotoeléctrico. Por este resultado, Einstein ganó el Premio Nobel en 1922.

Einstein, vuelve a los inicios propuestos por la teoría corpuscular de la luz de Newton, que lo experimenta desde su visión de mecánica clásica, pero lo vuelve basado en la Mecánica cuántica. ¿Cómo puede ser esto? Un experimento en 1909 por G.I. Taylor hizo evidente esta extraña naturaleza. Esencialmente realizó un experimento de doble rendija, pero envió solo un fotón a la vez. ¿Qué es lo que vio? El patrón de interferencia familiar, los resultados de interferencia discutidos anteriormente y que fueron explicados por Thomas Young. El experimento de la doble rendija, no se puede explicar mediante una vista de partículas de la luz, sino que necesitamos poder abarcar ambas vistas para explicar este experimento, una vista de onda para

EINSTEIN RECIBE EL PREMIO NOBEL POR SU DESCUBRIMIENTO EN EL EFECTO FOTOELECTRICO.


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obtener el patrón de interferencia y también una vista de partículas para explicar la apariencia de los electrones.

RESULTADO DEL EXPERIMENTO DE LA DOBLE RENDIJA: MÚLTIPLES PATRONES DE ONDA


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Mecánica Cuántica como respuesta a la dualidad de la luz Muchas partículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en algunos experimentos mientras aparecen como partículas compactas y localizadas en otros experimentos. Este comportamiento dual, es típico de la

observación en la mecánica cuántica, donde algunas partículas pueden presentar interacciones muy localizadas y como ondas exhiben el fenómeno de la interferencia. De acuerdo con la física clásica existen diferencias claras entre onda y partícula. Una partícula tiene una posición definida en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula. Esto, provocó durante todos los años de estudio de la luz, la imposibilidad de definir su real naturaleza. El concepto de dualidad onda-

partícula fue introducido por Louis de Broglie, en 1924 en su tesis doctoral, donde presentaba por primera vez la dualidad onda corpúsculo característica de la mecánica cuántica. Su trabajo se basaba en los trabajos de Einstein y Planck, y propuso la existencia de ondas de materia, es decir, que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esta idea revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, De Broglie recibió el Nobel en Física por su trabajo.

LOUIS DE BROGLIE


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Entonces, la luz puede explicarse por su doble naturaleza:

• Corpuscular, en su interacción con la materia, donde apreciaremos fenómenos de absorción o de esparcimiento, típicos fenómenos presentes en la comunicación por fibra óptica.

• Ondulatoria, en su propagación electromagnética. Aquí, fenómenos asociados, por ejemplo, a dispersiones por guía de ondas, o por modo de polarización están vinculadas a este fenómeno.

Según el célebre físico Stephen Hawking, se considera que la

dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales

entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”.


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Camino a la invención de la Fibra Óptica Las primeras técnicas de comunicación a larga distancia, como las "señales de humo", desarrolladas por nativos norteamericanos eran de hecho, enlaces de comunicación óptica.

Una versión a gran escala de esta técnica de comunicación óptica fue el "telégrafo óptico" desplegado en Francia y en otros lugares a fines del siglo XVIII. El "telégrafo óptico" era una serie de altas torres que transmitían mensajes a una velocidad de unas pocas palabras por minuto por medio de grandes semáforos que podían manipularse para deletrear palabras. Sin embargo, el desarrollo de la comunicación por fibra óptica esperaba el descubrimiento de la Reflexión total interna o “TIR” (Total Internal Reflection) y una serie de innovaciones electrónicas y ópticas adicionales.

EL TELÉGRAFO ÓPTICO UN ALFABETO SENCILLO (ARRIBA, CENTRO), LA IDEA ERA QUE CADA 20-25 KM HUBIESE UN “REPETIDOR” ÓPTICO PARA TRANSMITIR EL MENSAJE. PESE A SU

BURDO MECANISMO –FUE CRITICADO POR DIBUJANTES COMO RODOLPHE TÖPFFER (1831, ARRIBA A LA DERECHA)– SE INSTALÓ DURANTE DECADAS, Y FUNCIONABA


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Confinamiento de la luz En en 1841, Jean-Daniel Colladon, un profesor suizo de 38 años en la Universidad de Ginebra, demostró por primera la reflexión total interna. Quería mostrar el flujo de fluido a través de varios orificios de un tanque y la ruptura de los chorros de agua. . Sin embargo, en la sala de conferencias el público no podía ver el agua que fluía. Resolvió el problema al recolectar y pasar la luz del sol a través de un tubo a la mesa de conferencias. La luz se enfocó a través del tanque de agua y se hizo que incidiera en el borde del chorro en un ángulo de mirada. El TIR atrapó la luz en el líquido y la obligó a seguir la trayectoria curva

hasta que se rompió el chorro de agua. En lugar de viajar en línea recta, la luz siguió la curvatura del flujo de agua. Colladon demostró una guía de luz en chorros de agua a través de una serie de actuaciones públicas en la inteligencia urbana de París. Auguste de la Rive, otro físico de Ginebra, duplicó el experimento de Colladon utilizando luz de arco eléctrico. Colladon diseñó un dispositivo espectacular con luz de arco para el Conservatorio de Artes y Ciencias de París en 1841, octubre.

JEAN-DANIEL COLLADON


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Colladon envió un documento a su amigo Francois Arago, quién dirigió la Academia Francesa. Arago recordó que Jacques Babinet, un especialista francés en Óptica había hecho demostraciones similares en París. Enfocó la luz de las velas en el fondo de una botella de vidrio mientras vertía un chorro fino de agua desde la parte superior, guiando la luz a lo largo del chorro. Arago le pidió a Babinet que escribiera su trabajo, pero Babinet no creía que el trabajo fuera muy importante. Sin embargo, hizo un comentario de que "la idea también funciona muy bien con un vástago de vidrio curvado de cualquier manera y había indicado que podría usarse para iluminar el interior de la boca.

EXPERIMENTO DE COLLADON


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JACQUES BABINET


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Transmisión guiada de la luz En 1870, John Tyndall, utilizando un chorro de agua que fluía de un recipiente a otro y un rayo de luz, demostró que la luz usaba la reflexión interna para seguir un camino específico. A medida que el agua se derramaba a través del pico del primer recipiente, Tyndall dirigió un rayo de luz solar a la trayectoria del agua. La luz, tal como la vio la audiencia, siguió un camino en zigzag dentro del camino curvo del agua. Este sencillo experimento, marcó la primera investigación sobre la transmisión guiada de la luz.

Luz de tuberías William Wheeling, en 1880, patentó un método de transferencia de luz llamado "luz de tuberías". Wheeling creía que al usar tubos revestidos con un revestimiento altamente reflectante que se ramificaban desde una única fuente de iluminación, que en este caso era un arco eléctrico, podía enviar la luz a muchas habitaciones diferentes en de la misma manera que el agua, a través de tuberías, se transporta a través de los edificios de hoy. Debido a la ineficacia de la idea de Wheeling y a la introducción concurrente de la exitosa ampolleta incandescente de Edison, el concepto de luz de tuberías nunca tuvo éxito.

JOHN TYNDALL


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Fotófono

En 1880, Alexander Graham Bell inventó su “Fotófono” que transmitía una señal de voz en un haz de luz. El experimento consistió en enfocar la luz del sol con un espejo y luego hablar sobre un mecanismo que hacía vibrar el espejo. En el extremo receptor, un detector captó el haz vibrante y lo decodificó en una voz de la misma manera que un teléfono hizo con las señales eléctricas. Sin embargo, muchas cosas, un día nublado, por ejemplo, podrían interferir con el fotófono, haciendo que Bell deje de investigar más con esta invención. Es quizás, la idea precursora del Li-Fi. En 1888, el equipo médico de Roth y Reuss de Viena usó varillas de vidrio dobladas para iluminar las cavidades del cuerpo. En 1895, el ingeniero francés Henry Saint-Rene diseñó un sistema de varillas de vidrio dobladas para guiar las imágenes de luz en un intento de transmisión de televisión. En 1898, el estadounidense David Smith solicitó una patente sobre un dispositivo de varilla de vidrio doblado para usar como lámpara quirúrgica. En la década de

EL FOTÓFONO DE GRAHAM BELL


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1920 el inglés John Logie Baird y el estadounidense Clarence W. Hansell patentaron la idea de utilizar matrices de barras transparentes para transmitir imágenes para televisión y fax, respectivamente. En 1930, Heinrich Lamm fue la primera persona en ensamblar un paquete de fibras ópticas para llevar una imagen. El objetivo de Lamm era mirar dentro de las partes inaccesibles del cuerpo. Durante sus experimentos, informó que transmitía la imagen de una bombilla. Sin embargo, la imagen era de mala calidad. Su esfuerzo por presentar una patente fue denegado debido a la patente británica de Hansell.


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Invención de la Fibra Óptica

En el año 1954, Narinder Singh Kapany inventó la Fibra Óptica. Cursó estudios de Ciencias Físicas en la Universidad de Agra, y realizó su doctorado en el Imperial College de Londres, donde obtuvo el título de Doctor en el año 1955. Durante la elaboración de su tesis doctoral, Kapany trabajó con el profesor Harold Hopkins, que se había doctorado en 1947 con una tesis enfocada en el campo de la óptica. Kapany comenzó a trabajar en experimentos que se basaban en los trabajos del físico irlandés John Tyndall y demostraban que la luz podía viajar dentro de un material que podría llegar a curvarse aprovechando las reflexiones internas de éste. En 1954 publicó junto a Harold Hopkins un artículo en la revista Nature llamado “A flexible fibrescope, using static scanning” y que supuso el gran impulso para el desarrollo de la fibra óptica. Ahí describieron que habían sido capaces de conducir un haz de luz a

NARINDER SING KAPANY, EL PADRE DE LA FIBRA OPTICA


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través de un conjunto de múltiples fibras de 75 centímetros de largo con bajas pérdidas, dando el gran salto que, hasta esa fecha, había frustrado todos los intentos de conducción de luz bajo un soporte físico que pudiese ser curvado. El “abstract” plantea lo siguiente: “Se ha ideado una unidad óptica que transmitirá imágenes ópticas a lo largo de un eje flexible. La unidad comprende un paquete de fibras de vidrio u otro material transparente, y por lo tanto parece apropiado introducir el término "fibroscopio" para denotarlo. Un uso obvio de la unidad es reemplazar el tren de lentes empleado en los endoscopios convencionales. Los instrumentos existentes de este tipo, por ejemplo, cistoscopios, gastroscopios y broncoscopios, etc., consisten en un tren de copiado de lentes y lentes de campo intermedio. Son rígidos o tienen una flexibilidad limitada. Además, la calidad de imagen de estos sistemas es deficiente, ya que consisten solo en lentes positivos que dan lugar a una gran curvatura de campo. En los gastroscopios existentes, el número total de lentes empleadas puede ser de hasta cincuenta, y en consecuencia la transmisión de luz es deficiente, debido a la trayectoria total del vidrio y al número de superficies de aire y vidrio. Aún más importante a este respecto, sin embargo, es la necesidad de usar pequeñas aberturas relativas para tales instrumentos, lo que es necesario si se desea obtener una definición aceptable con una curvatura de campo tan grande.” Gracias a este artículo, otros investigadores como Basil Hirschowitz , Wilbur C. Peters, y Lawrence E. Curtiss de la Universidad de Michigan pudieron fabricar, en 1965, la primera fibra óptica semiflexible que se usaría para fabricar un gastroscopio o el primer ensayo de transmisión de datos digitales llevado a cabo por Manfred Böhner en los laboratorios de investigación de Telefunken en Ulm (Alemania). La explosión de investigaciones en este campo llevó a Narinder Singh Kapany a publicar en 1967 un libro que, hoy en día, sigue siendo una referencia en este campo "Fibras Ópticas. Principios y Aplicaciones" y que es una de sus obras más conocidas entre los cientos de publicaciones que ha escrito a lo largo de su vida académica. También en 1954, el científico holandés Abraham Van Heel y el Harold Hopkins escriben por separado artículos sobre paquetes de imágenes. Hopkins - quien trabajó con Kapany - informó sobre los haces de imágenes de fibras sin revestimiento, mientras que Van Heel informó sobre los


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paquetes simples de fibras revestidas. Cubrió una fibra desnuda con un revestimiento transparente de un índice de refracción más bajo. Esto protegió la superficie de reflexión de la fibra de la distorsión exterior y redujo en gran medida la interferencia entre las fibras. En ese momento, el mayor obstáculo para un uso viable de la fibra óptica era lograr la menor pérdida de señal.


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Desarrollo de la Fibra Óptica para Comunicaciones

Formado en electrónica de microondas, Charles Kao desarrolló su propuesta para comunicaciones de fibra óptica mientras trabajaba en los Laboratorios de Telecomunicaciones Estándar, conocido por las siglas “STL” en Harlow, Inglaterra. Su objetivo inicial era desarrollar una nueva tecnología para enlaces de aproximadamente 10 km entre las centrales telefónicas locales, un nicho de mercado importante en Gran Bretaña. Charles Kao calculó que requeriría fibras de vidrio con una atenuación de unos 20 [dB] / km, mucho más clara que el vidrio óptico comercial. Cuando Kao preguntó cómo se podía hacer un vidrio transparente, Harold Rawson, de la Universidad de Sheffield, le dijo que la purificación debería reducir las pérdidas por debajo de 20 dB. Eso llevó al artículo histórico que Charles Kao escribió con George Hockham, al proponer que la transmisión a través de fibra

CHARLES KAO


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monomodo debería alcanzar 1 [GHz] de ancho de banda y se publicó en 1966. Laser Focus World informó el trabajo de Kao en abril de 1966. Las fibras ópticas revestidas se habían inventado una década antes, y sus usos principales eran en paquetes para imágenes médicas y militares lo suficientemente cortas como para permitir la atenuación de un [dB] por metro. Las telecomunicaciones requerían una gran mejora. Kao primero obtuvo muestras del vidrio más puro disponible, sílice fundida, que se hizo quemando vapor de tetracloruro de silicio en una llama de oxihidrógeno. La pérdida fue tan baja que le resultó difícil de medir, pero finalmente obtuvo un valor extraordinariamente bajo entre 5 y 0 [dB] / km en 1969. En ese momento, solo STL, la oficina de correos británica y Corning, que había inventado la sílice fundida en la década de 1930, estaba investigando las comunicaciones por fibra. Kao viajó por el mundo animando a otros laboratorios a entrar en el campo.

MAURER, KECK Y SCHULTZ, EQUIPO DE INVESTIGADORES DE CORNING GLASS


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En el año 1970, un equipo de investigadores de Corning Glass, Robert Maurer, Donald Keck y Peter Schultz, comenzaron a experimentar con sílice fundido, un material capaz de lograr una pureza extrema con un alto punto de fusión y un bajo índice de refracción. Los investigadores patentaron la "Fibras de guía de onda óptica”, patente n. ° 3.711.262, capaces de transportar 65,000 veces más información que el cable de cobre. Este nuevo conductor, permitió que la información transportada por un patrón de ondas de luz se decodificara en un destino a miles de kilómetros de distancia. El equipo había resuelto los

problemas presentados por el Dr. Kao. Charles Kao, recibió el Premio Nobel de Física 2009 "por sus logros innovadores en cuanto a la transmisión de luz en fibras para comunicación óptica”. Fallece el 23 de septiembre de 2018 en Hong Kong. Su trabajo transformó la industria láser y óptica, y al hacer posibles las telecomunicaciones de banda ancha, también transformó el mundo.

CHARLES KAO Y SU GUIA DE ONDA


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Primeras Instalaciones

La fibra óptica comenzó a desarrollarse durante la década de 1970 en laboratorios de investigación y desarrollo en todo el mundo, como Corning, Laboratorios Bell, ITT (International Telephone and Telegraph) del Reino Unido. En 1975, el gobierno de los Estados Unidos decidió conectar las computadoras en la sede de NORAD en Cheyenne Mountain utilizando fibra óptica para reducir la interferencia.

En 1976, en Dorset, Inglaterra fue instalada comercialmente por SCT (Standard Telephones and Cables). En 1977, el primer sistema de comunicación telefónica óptica se instaló en Chicago, Illinois en Estados Unidos por AT&T. Cada fibra óptica llevaba el equivalente a 672 canales de voz. A principios de la década de 1980, las redes de comunicaciones con fibra conectaban las principales ciudades en cada costa. A finales de siglo XX, más del 80% del tráfico de larga distancia del mundo se realizaba a través de cables de fibra óptica y 25 millones de kilómetros del cable.

LOGO DE LOS AÑOS 70´ DE LA EMPRESA AT&T


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LOGO DE LA ENTONCES STC DE INGLATERRA.


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manual curso redes y enlaces de fibra optica

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