Light is one of the things we see the most, in fact if it is not present we cannot see, it has been with us all our existence and I am sure we still cannot fully understand it, however we have learned to take advantage of it almost naturally.
When we learned to generate it, its use went from just illuminate to be a form of communication, we can take a flashlight and send an SOS message, or simply go down a road in our car and make a change of lights to someone coming on the opposite way to put the low beams.
But we have gone much further, we learned to use it in our electronic devices to transmit data at high speeds using fiber optics as a channel. But the latter is not as simple as a change of lights, it is necessary to understand some characteristics of light and its interaction with the medium in order to achieve efficient communication.
La luz es una de las cosas que más vemos, de hecho si ella no está presente no podemos ver, lleva con nosotros toda nuestra existencia y estoy seguro que aún no podemos comprenderla del todo sin embargo hemos aprendido a aprovecharla casi de forma natural.
Cuando aprendimos a generarla su uso pasó de solo iluminar a ser una forma de comunicación, podemos tomar una linterna y enviar un mensaje SOS, o simplemente ir por una vía en nuestro automóvil y hacerle una cambio de luces a alguien que venga en la vía contraria para que ponga las luces bajas.
Pero hemos ido mucho más allá, aprendimos a usarla en nuestros dispositivos electrónicos para transmitir datos a grandes velocidades usando fibra óptica como canal. Pero esto último no es tan simple como un cambio de luces, se necesita comprender algunas características de la luz y su interacción con el medio para poder lograr una comunicación eficiente.
The first thing we must understand are the fundamental properties of light, taking into account both the characteristics of waves and those of a particle (for the dual nature of light) we can say that:
As a wave light possesses properties that define its behavior, these properties are: wavelength, frequency, amplitude and phase.
As a particle, light has fundamental properties that describe it: mass, velocity, energy and momentum.
In its behavior as a particle is the photon fundamental particle and acts when light interacts with a surface, but at the same time acts as a TEM wave when it propagates through space, so light can travel in empty space (which can not do the sound).
Lo primero que debemos comprender son las propiedades fundamentales de la luz, tomando en cuenta tanto las características de las ondas como las de una partícula (para la naturaleza dual de la luz) podemos decir que:
•Como onda la luz posee propiedades que definen su comportamiento, estas propiedades son: longitud de onda, la frecuencia, la amplitud y la fase.
•Como partícula la luz posee propiedades fundamentales que la describen como: masa, su velocidad, su energía y su momento.
En su comportamiento como partícula es el fotón partícula fundamental y actúa cuando la luz interactúa con una superficie, pero a la vez actúa como una onda TEM cuando se propaga por el espacio, por eso la luz puede viajar en el espacio vacío (cosa que no puede hacer el sonido).
To understand how light acts in the optical fiber we must know the phenomenon of refraction and reflection. I have come up with an illustrative example that I am sure will be very easy to understand.
We are in a river, lake or beach (place with a lot of water) and we throw a rock at high speed at an angle parallel to the water (totally horizontal) What will happen to the rock?
Gravity will make it change its direction and eventually it will touch the water at one point the first time but it will not sink but it will bounce and continue, gravity will continue to insist and after several bounces the rock will have lost speed so it will finally sink in the water.
Para comprender cómo actúa la luz en la fibra óptica debemos conocer el fenómeno de refracción y reflexión. Se me ha ocurrido un ejemplo ilustrativo que estoy seguro servirá para una muy fácil comprensión.
Estamos en un río, lago o playa (lugar con mucha agua) y lanzamos una roca a gran velocidad en un ángulo paralelo al agua (totalmente horizontal) ¿Que ocurrirá con la roca?
La gravedad hará que esta cambie su dirección y eventualmente esta tocara el agua en un punto una primera vez pero no se hundirá sino que va a rebotar y seguir, la gravedad seguirá insistiendo y luego de varios rebotes la roca habrá perdido velocidad por lo que finalmente se hundirá en el agua.
If we now place ourselves in a totally vertical position with the water below us and throw the same rock with the same force there will probably be no rebound but it will enter the water the first time but we will be able to notice that when it enters the water it will change direction.
Si ahora nos colocamos en una posición totalmente vertical con el agua debajo de nosotros y lanzamos la misma roca con la misma fuerza probablemente no habrá ningún rebote sino que entrará en el agua a la primera pero si podremos notar que al entrar al agua cambiará de dirección.
If we are children thinking about what happens we can define some totally qualitative childish theories, the first one is that depending on the speed, the shape of the rock and the angle at which it impacts with the water will determine whether it will penetrate or bounce on impact. We can call that angle the "angle of incidence".
I include the shape of the rock because we know that a sharp object (a needle) will have an easier time entering the water at high speed than an anvil. But how sharp can a photon be, we will take it as the sharpest we can enter the water and it will be constant, on the other hand the speed of light is also constant which leaves us with only one variable for now, namely... the angle of incidence.
Si somos niños pensando en lo que ocurre podemos definir algunas teorías infantiles totalmente cualitativas, la primera es que segun la velocidad, la forma de la roca y el ángulo al que impacta con el agua se determinará si esta penetrara o rebotara en ese impacto. A ese ángulo podemos llamarle "ángulo de incidencia".
Incluyo la forma de la roca porque sabemos que un objeto agudo (una aguja) tendrá mayor facilidad de entrar al agua a gran velocidad que un yunque. Pero ¿Cuán agudo puede ser un fotón?, lo tomaremos como lo más agudo que podemos introducir al agua y sera constante, por otro lado la velocidad de la luz también es constante lo cual nos deja una única variable por ahora, a saber... el ángulo de incidencia.
Now that we replace the rock by the photon (light) we can say that the light will also reflect or refract in the water depending on the angle of incidence, but if we keep the same angle of incidence and instead of using water we use oil... Will the same thing happen?
Refraction will be affected by the medium or change of media in which the light travels where each material has an index of refraction that by Snell's Law we can use to accurately calculate the angle of refraction.
Ahora que sustituimos la roca por el fotón (luz) podemos decir que también la luz se reflectará o refractará en el agua segun el angulo de incidencia, pero si mantenemos el mismo ángulo de incidencia y en lugar de usar agua usamos petróleo... ¿Ocurrirá lo mismo?
La refracción se verá afectada por el medio o cambio de medios en los que la luz viaja en donde cada material presenta un índice de refracción que mediante la Ley de Snell podemos usar para calcular con precisión el ángulo de refracción.
All of the above may be boringly theoretical, however it is precisely the phenomenon of refraction that is used so that light can travel through the optical fiber, making the angle of incidence such that once the light enters the fiber it cannot escape from it until it reaches the other end, i.e., the light bounces all along the fiber until it reaches the emitter.
To make this possible, the core and its cover (places that interact with the light) are made of materials with different refractive indexes in which the light will bend at each contact with such a closed angle that it will remain inside the core.
Todo lo anterior puede ser aburridamente teórico, sin embargo es precisamente el fenómeno de refracción el que se usa para que la luz pueda viajar por la fibra óptica, haciendo que el ángulo de incidencia sea tal que una vez que la luz entra en la fibra no puede escapar de esta hasta llegar al otro extremo, es decir, la luz va rebotando por toda la fibra hasta llegar al emisor.
Para que esto sea posible el núcleo y su cubierta (lugares que interactúan con la luz) están fabricados con materiales con distintos índices de refracción en los que la luz se doblará en cada contacto con un ángulo tan cerrado que se mantendrá dentro del núcleo.
