Comunicación óptica

La comunicación óptica , también conocida como telecomunicación óptica , es la comunicación a distancia que utiliza la luz para transmitir información. Puede realizarse visualmente o mediante el uso de dispositivos electrónicos . Las primeras formas básicas de comunicación óptica datan de hace varios milenios, mientras que el primer dispositivo eléctrico creado para ello fue el fotófono , inventado en 1880.

Un sistema de comunicación óptica utiliza un transmisor , que codifica un mensaje en una señal óptica , un canal , que lleva la señal a su destino, y un receptor , que reproduce el mensaje a partir de la señal óptica recibida. Cuando no se utiliza equipo electrónico, el "receptor" es una persona que observa visualmente e interpreta una señal, que puede ser simple (como la presencia de un faro ) o compleja (como luces que utilizan códigos de colores o que parpadean en una secuencia de código Morse ).

Las comunicaciones modernas se basan en sistemas de redes ópticas que utilizan fibra óptica , amplificadores ópticos , láseres , conmutadores, enrutadores y otras tecnologías relacionadas. Las comunicaciones ópticas en el espacio libre utilizan láseres para transmitir señales en el espacio, mientras que las formas terrestres están naturalmente limitadas por la geografía y el clima. Este artículo proporciona una introducción básica a las diferentes formas de comunicación óptica.

Las técnicas visuales como las señales de humo , las balizas , los telégrafos hidráulicos , las banderas de los barcos y las líneas de semáforos fueron las primeras formas de comunicación óptica. ^{[1] [2] [3] [4]} Los semáforos telegráficos hidráulicos se remontan a la Grecia del siglo IV a. C. Los marineros todavía utilizan bengalas de socorro en situaciones de emergencia, mientras que los faros y las luces de navegación se utilizan para comunicar peligros en la navegación.

El heliógrafo utiliza un espejo para reflejar la luz solar hacia un observador distante. ^[5] Cuando un señalizador inclina el espejo para reflejar la luz solar, el observador distante ve destellos de luz que pueden usarse para transmitir un código de señalización preestablecido. Los buques de guerra suelen utilizar lámparas de señalización y código Morse de manera similar.

Los pilotos de aviones suelen utilizar sistemas de luces proyectadas con indicadores visuales de pendiente de aproximación (VASI) para aterrizar de forma segura, especialmente de noche. Los aviones militares que aterrizan en un portaaviones utilizan un sistema similar para aterrizar correctamente en la cubierta de un portaaviones. El sistema de luces de colores comunica la altura del avión en relación con una senda de planeo de aterrizaje estándar . Asimismo, las torres de control de los aeropuertos siguen utilizando lámparas Aldis para transmitir instrucciones a los aviones cuyas radios han fallado.

Un 'telégrafo semáforo', también llamado 'línea semáforica', 'telégrafo óptico', 'cadena telegráfica de obturadores', ' telégrafo Chappe ' o 'semáforo napoleónico', es un sistema utilizado para transmitir información mediante señales visuales, utilizando torres con brazos pivotantes o persianas, también conocidas como palas o paletas. La información se codifica por la posición de los elementos mecánicos; se lee cuando el obturador está en una posición fija. ^{[2] [6]}

Las líneas de semáforos fueron precursoras del telégrafo eléctrico . Eran mucho más rápidas que los mensajeros para transmitir un mensaje a largas distancias, pero mucho más caras y menos privadas que las líneas de telégrafo eléctrico que las reemplazarían más tarde. La distancia máxima que un par de estaciones de telégrafo de semáforos puede salvar está limitada por la geografía, el clima y la disponibilidad de luz; por lo tanto, en el uso práctico, la mayoría de los telégrafos ópticos usaban líneas de estaciones repetidoras para salvar distancias más largas. Cada estación repetidora también requeriría su complemento de operadores-observadores capacitados para transmitir mensajes de ida y vuelta a través de la línea.

El diseño moderno de los semáforos fue previsto por primera vez por el erudito británico Robert Hooke , quien presentó por primera vez un esquema vívido y completo de la telegrafía visual en una presentación de 1684 a la Royal Society . Su propuesta (que estuvo motivada por preocupaciones militares tras la Batalla de Viena del año anterior) no se puso en práctica durante su vida. ^{[7] [8]}

La primera línea de semáforos ópticos operativa llegó en 1792, obra del ingeniero francés Claude Chappe y sus hermanos, que lograron cubrir Francia con una red de 556 estaciones que se extendían a lo largo de una distancia total de 4.800 kilómetros. Se utilizó para comunicaciones militares y nacionales hasta la década de 1850.

Muchos servicios nacionales adoptaron sistemas de señalización diferentes al sistema Chappe. Por ejemplo, Gran Bretaña y Suecia adoptaron sistemas de paneles con contraventanas (en contradicción con la afirmación de los hermanos Chappe de que las barras en ángulo son más visibles). En España , el ingeniero Agustín de Betancourt desarrolló su propio sistema que fue adoptado por ese estado. Este sistema fue considerado por muchos expertos en Europa mejor que el de Chappe, incluso en Francia. ^{[ cita requerida ]}

Estos sistemas fueron populares a finales del siglo XVIII y principios del XIX, pero no podían competir con el telégrafo eléctrico y dejaron de funcionar por completo en 1880. ^[1]

Las banderas semáforas son un sistema para transmitir información a distancia mediante señales visuales con banderas, varillas, discos, paletas o, en ocasiones, con las manos desnudas o con guantes. La información se codifica por la posición de las banderas, objetos o armas y se lee cuando están en una posición fija.

Los semáforos se adoptaron y utilizaron ampliamente (las banderas portátiles reemplazaron los brazos mecánicos de los semáforos con obturador ) en el mundo marítimo en el siglo XIX. Todavía se utilizan durante el reabastecimiento en el mar y son aceptables para la comunicación de emergencia durante el día o, utilizando varitas luminosas en lugar de banderas, durante la noche.

El sistema de semáforo con banderas más nuevo utiliza dos mástiles cortos con banderas cuadradas, que un señalizador sostiene en diferentes posiciones para transmitir letras del alfabeto y números. El transmisor sostiene un mástil en cada mano y extiende cada brazo en una de ocho direcciones posibles. A excepción de la posición de reposo, las banderas no pueden superponerse. Las banderas tienen colores diferentes según si las señales se envían por mar o por tierra. En el mar, las banderas son de color rojo y amarillo (las banderas Oscar ), mientras que en tierra, son blancas y azules (las banderas Papa ). Las banderas no son necesarias, solo hacen que los caracteres sean más obvios.

Las lámparas de señalización (como las lámparas Aldis) son dispositivos de señalización visual para comunicación óptica (normalmente mediante código Morse). Las lámparas de señalización modernas son lámparas enfocadas que pueden producir un pulso de luz. En las versiones de mayor tamaño, este pulso se consigue abriendo y cerrando las persianas montadas delante de la lámpara, ya sea mediante un interruptor de presión operado manualmente o, en versiones posteriores, de forma automática.

En el caso de las lámparas portátiles, un espejo cóncavo se inclina mediante un disparador para enfocar la luz en pulsos. Las lámparas suelen estar equipadas con algún tipo de mira óptica y se utilizan con mayor frecuencia en buques de guerra y también en torres de control de aeropuertos con señales luminosas de aviación codificadas .

Las señales luminosas de aviación se utilizan en caso de fallo de la radio , de que la aeronave no esté equipada con una radio o de que el piloto tenga problemas de audición. Los controladores de tráfico aéreo llevan mucho tiempo utilizando pistolas luminosas de señales para dirigir a estas aeronaves. La lámpara de la pistola luminosa tiene un haz luminoso enfocado capaz de emitir tres colores diferentes: rojo, blanco y verde. Estos colores pueden ser intermitentes o fijos y proporcionan instrucciones diferentes a las aeronaves en vuelo o en tierra (por ejemplo, "autorizado a aterrizar" o "autorizado a despegar"). Los pilotos pueden reconocer las instrucciones moviendo las alas de su avión, moviendo los alerones si están en tierra o haciendo parpadear las luces de aterrizaje o de navegación durante la noche. Solo se dirigen 12 instrucciones estandarizadas simples a las aeronaves que utilizan pistolas luminosas de señales, ya que el sistema no se utiliza con código Morse.

Un heliógrafo ( del griego Ἥλιος helios , que significa "sol", y γραφειν graphein , que significa "escribir") es un telégrafo solar inalámbrico que envía señales mediante destellos de luz solar (generalmente utilizando código Morse) reflejados por un espejo . Los destellos se producen girando momentáneamente el espejo o interrumpiendo el haz con un obturador.

El heliógrafo fue un instrumento simple pero eficaz para la comunicación óptica instantánea a largas distancias durante finales del siglo XIX y principios del XX. Sus principales usos fueron en el ámbito militar, en las inspecciones y en los trabajos de protección forestal. Fueron un elemento estándar en los ejércitos británico y australiano hasta la década de 1960, y fueron utilizados por el ejército paquistaní hasta 1975. ^[5]

En la actualidad, una gran variedad de sistemas electrónicos transmiten y reciben de forma óptica información transportada por pulsos de luz. Los cables de comunicación de fibra óptica se utilizan para transportar datos electrónicos y tráfico telefónico. Las comunicaciones ópticas en el espacio libre también se utilizan a diario en diversas aplicaciones.

La fibra óptica es el tipo de canal más común para las comunicaciones ópticas. Los transmisores en los enlaces de fibra óptica son generalmente diodos emisores de luz (LED) o diodos láser . La luz infrarroja se utiliza más comúnmente que la luz visible , porque las fibras ópticas transmiten longitudes de onda infrarrojas con menos atenuación y dispersión . La codificación de la señal es típicamente una modulación de intensidad simple, aunque históricamente se ha demostrado la modulación de fase y frecuencia óptica en el laboratorio. La necesidad de regeneración periódica de la señal fue reemplazada en gran medida por la introducción del amplificador de fibra dopada con erbio , que extendió las distancias de enlace a un costo significativamente menor. La introducción comercial de la multiplexación por división de longitud de onda densa (WDM) en 1996 por Ciena Corp fue el verdadero comienzo de las redes ópticas. ^{[9] [10]} WDM es ahora la base común de casi todos los sistemas ópticos de alta capacidad en el mundo ^[11]

Los primeros sistemas de comunicación óptica fueron diseñados y entregados al Ejército de los EE. UU. y a Chevron por Optelecom, Inc. ^[12], la empresa cofundada por Gordon Gould, el inventor del amplificador óptico ^[13] y del láser. ^[14]

El fotófono (originalmente llamado radiófono ) es un dispositivo de comunicación que permitía la transmisión de voz a través de un haz de luz . Fue inventado conjuntamente por Alexander Graham Bell y su asistente Charles Sumner Tainter el 19 de febrero de 1880, en el laboratorio de Bell en 1325 'L' Street en Washington, DC ^{[15] [16]} Ambos se convertirían más tarde en socios de pleno derecho en la Asociación de Laboratorios Volta , creada y financiada por Bell.

El 21 de junio de 1880, el asistente de Bell transmitió un mensaje telefónico de voz inalámbrico a considerable distancia, desde el techo de la Escuela Franklin hasta la ventana del laboratorio de Bell, a unos 213 metros (unos 700 pies) de distancia. ^{[17] [18] [19] [20]}

Bell creía que el fotófono era su invento más importante . De las 18 patentes concedidas sólo a nombre de Bell, y las 12 que compartió con sus colaboradores, cuatro eran para el fotófono, al que Bell se refería como su "mayor logro", diciéndole a un periodista poco antes de su muerte que el fotófono era "el mayor invento que he hecho jamás, mayor que el teléfono". ^[21]

El fotófono fue un precursor de los sistemas de comunicación por fibra óptica que alcanzaron un uso popular en todo el mundo a partir de la década de 1980. ^{[22] [23] [24]} La patente maestra para el fotófono ( patente estadounidense 235,199 Aparato para señalización y comunicación, llamado Photophone ), se emitió en diciembre de 1880, ^[19] muchas décadas antes de que sus principios tuvieran aplicaciones prácticas.

Los sistemas de óptica de espacio libre (FSO) se emplean para telecomunicaciones de " última milla " y pueden funcionar a distancias de varios kilómetros siempre que haya una línea de visión clara entre la fuente y el destino, y el receptor óptico pueda decodificar de manera confiable la información transmitida. ^[25] Otros sistemas de espacio libre pueden proporcionar enlaces de largo alcance y alta velocidad de datos utilizando subsistemas pequeños, de baja masa y bajo consumo de energía que los hacen adecuados para las comunicaciones en el espacio. ^[26] Varias constelaciones de satélites planificadas destinadas a proporcionar cobertura de banda ancha global aprovechan estos beneficios y emplean comunicación láser para enlaces entre satélites entre varios cientos a miles de satélites, creando efectivamente una red de malla óptica basada en el espacio .

En términos más generales, la transmisión de señales ópticas no guiadas se conoce como comunicaciones inalámbricas ópticas (OWC). Algunos ejemplos son la comunicación por luz visible de alcance medio y la IrDA de corta distancia , mediante LED infrarrojos.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Comunicación óptica .

• Toma de fibra
• Cuello de botella en la interconexión
• Jun-Ichi Nishizawa, inventor de la comunicación óptica.
• Retrorreflector modulador
• OECC (Conferencia de Optoelectrónica y Comunicaciones)
• Interconexión óptica
• Optoaislador
• Interfaz óptica paralela

• Bayvel, Polina Future High-Capacity Optical Telecommunication Networks, Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences , vol. 358, núm. 1765, enero de 2000, Science into the Next Millennium: Young Scientists Give Their Visions of the Future: II. Mathematics, Physics and Engineering, págs. 303–329, URL del artículo estable: https://www.jstor.org/stable/2666790, publicado por The Royal Society .
• Dilhac, JM. El telégrafo de Claude Chappe: una red de telecomunicaciones ópticas para el siglo XVIII, Toulouse: Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas de Toulouse. Recuperado de IEEE Global History Network.