La próxima generación de fibras ópticas

A primera vista, estos nuevos materiales son simplemente extraños: finos como un cabello, transparentes y llenos de agujeros. Al igual que las fibras ópticas que son el pilar de la industria de las telecomunicaciones, están hechas de vidrio. Pero allí las similitudes con los materiales convencionales se detienen.



El centro de cada una de estas nuevas fibras, que se fabrican en la Universidad de Bath, en Inglaterra, es hueco. En las fibras ópticas existentes, la luz se transmite a través de un núcleo de vidrio. En las fibras fabricadas en Bath, la luz viaja sin obstáculos a través del aire. El haz de luz está confinado al núcleo hueco por los orificios en el material de vidrio circundante, que parece un panal en sección transversal y crea una región estrictamente prohibida para la luz. La capacidad de confinar la luz en el aire de esta manera, dice Philip Russell, un físico de Bath, podría revolucionar por completo las telecomunicaciones.

5 patentes a seguir

Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 2001





  • Ver el resto del número
  • Suscribir

La razón del entusiasmo es que, al menos en principio, enviar luz a través del aire en lugar de a través del vidrio podría aumentar en gran medida la eficiencia y la capacidad de las redes de telecomunicaciones de alta velocidad actuales. Estos nuevos materiales, llamados fibras de cristal fotónico, deberían filtrar menos luz y transportar pulsos de luz más intensos sin distorsión, reduciendo la necesidad de aumentar constantemente una señal, una tarea costosa en las redes ópticas actuales. Las fibras de cristal fotónico deberían poder transmitir mucha más información a lo largo de las redes de fibra óptica al tiempo que reducen los costos de instalación y mantenimiento. Serán para las fibras existentes como lo es una autopista de 10 carriles para un carril rural. No solo tomarán más tráfico, sino que el viaje será más suave y habrá menos necesidad de repostar.

Todavía es temprano en el desarrollo de esta nueva generación de fibras ópticas. Incluso los más avanzados de los nuevos materiales quedan varios años después de un uso comercial generalizado. Pero con tanto en juego (las telecomunicaciones ópticas son un negocio multimillonario), varios laboratorios industriales, incluido Corning y un puñado de nuevas empresas, están en la búsqueda de sus propias versiones de fibras fotónicas. Si bien es demasiado pronto para predecir cuál prevalecerá, los enfoques rivales desarrollados en la Universidad de Bath y en el MIT ya están compitiendo cara a cara para convertirse en la fibra óptica del mañana.

Estos esfuerzos pueden dar sus frutos justo a tiempo para la industria de las telecomunicaciones. La enorme expansión de la transmisión óptica de datos a larga distancia en los últimos años, alimentada por el crecimiento de Internet y sus aplicaciones que acaparan el ancho de banda, ha llevado a los investigadores a encontrar formas de disparar más luz y señales más complejas a través de fibras ópticas ( ver Multiplexación por División de Longitud de Onda , TR marzo / abril de 1999 ). Pero muchos expertos creen que en las próximas décadas será imposible exprimir más rendimiento de la generación actual de fibras de vidrio. Aunque es difícil predecir exactamente cuándo se alcanzará el obstáculo, Jim West, un científico de los laboratorios de investigación de Corning en Nueva York, definitivamente cree que nos encontraremos con esos límites. Y es entonces cuando la próxima generación de fibra óptica será crucial para alimentar el aparentemente interminable apetito del mundo por el ancho de banda.



Conversación ligera

Aunque las fibras fotónicas son una tecnología de próxima generación en 2001, la historia de la transmisión de datos de voz mediante la luz se remonta a más de un siglo. Después de inventar el teléfono en 1876, Alexander Graham Bell no se durmió en los laureles. En 1880 demostró que la luz, más que la electricidad, puede llevar las palabras de una persona a un oído distante. El fotófono de Bell usaba espejos vibrantes para transmitir el sonido a través de la luz solar. Pero fue una idea mucho antes de tiempo. El envío de señales eléctricas por cables de cobre resultó ser mucho más confiable, y el fotófono fue olvidado en gran medida cuando las líneas telefónicas enredaron el mundo.

Después de ocho décadas de supremacía del alambre de cobre, la invención del láser de rubí en 1960 volvió a poner luz en la agenda de las comunicaciones. Aquí había una fuente lo suficientemente brillante como para que realmente funcionara la luz. Justo cuando el transistor marcó el comienzo de la era de la microelectrónica, el láser desencadenó la era de la fotónica. En 1970, Corning anunció con orgullo que había enviado un rayo láser a través de una fibra de vidrio y había recuperado hasta el uno por ciento de la luz en el otro extremo, a un kilómetro de distancia (las fibras de vidrio de hoy son tan eficientes que el 80 por ciento de la luz sobrevivirá ese distancia). En la década de 1980, las compañías telefónicas comenzaron a reemplazar los cables de cobre por fibras ópticas.

Una fibra óptica puede transportar miles de veces más datos que un cable de cobre: ​​en principio, una sola fibra puede transmitir hasta 25 billones de bits por segundo. Esa es la capacidad suficiente para llevar todas las conversaciones telefónicas que tienen lugar en cualquier momento en los Estados Unidos, con espacio de sobra. No es de extrañar que la red mundial de tecnología de la información se esté tejiendo con vidrio portador de luz.



En una fibra óptica convencional, la luz está confinada en una varilla interior de sílice mediante un revestimiento de vidrio con una composición ligeramente diferente a la del núcleo. Por lo general, se agregan pequeñas cantidades de germanio o fósforo al núcleo (un proceso llamado dopaje), lo que le da un índice de refracción diferente al del revestimiento. La luz que incide en la interfaz entre el núcleo y el revestimiento se refleja, por lo que la señal rebota hacia adelante y hacia atrás y permanece dentro del núcleo. La información se codifica en una serie de pulsos de láseres controlados electrónicamente y se envía a través de la fibra a un fotodetector en el otro extremo, que convierte la señal nuevamente en forma eléctrica para procesarla en un teléfono, computadora o dispositivo de enrutamiento.

Suena genial. Entonces, ¿dónde está el truco? Es cuestión de límites. A medida que las redes de comunicaciones se hacen más grandes, más ocupadas y más ambiciosas, los inconvenientes de las fibras de vidrio convencionales se hacen evidentes y las redes de fibra óptica existentes finalmente no podrán hacer frente. Un factor que limita el rendimiento es el desvanecimiento de la señal luminosa con la distancia. Una cierta cantidad de luz se dispersa (las impurezas en la sílice interrumpen la transmisión de parte de la señal) a medida que viaja a través del núcleo de vidrio; otra luz simplemente se escapa de la fibra por completo, porque la interfaz entre el núcleo de vidrio y el revestimiento no es un espejo perfecto.

Sin remedio, estas pérdidas paralizarían las comunicaciones de fibra óptica de larga distancia: el ochenta por ciento de la transmisión en un kilómetro dejaría menos que el fantasma de una señal en el extremo más alejado de un cable transatlántico. La respuesta es amplificar la luz cada 70 kilómetros aproximadamente. Pero los amplificadores son caros y requieren sus propias fuentes de energía ( ver 5 patentes a tener en cuenta: disparos de refuerzo ). Cada amplificador generalmente agrega un millón de dólares al precio de una línea de transmisión de larga distancia. Para un cable de miles de kilómetros de largo, eso comienza a sumar dinero real. Y cuando un amplificador se avería en la mitad del Atlántico, no hay más opción que enviar un barco a dragar el cable. Cuesta una fortuna arreglarlos en el fondo del océano, dice Russell de Bath.

Esta abrumadora realidad económica es el acicate para el desarrollo de la nueva generación de fibras. OmniGuide Communications, con sede en Cambridge, MA, fundada el año pasado por varios profesores del MIT, afirma que sus nuevas fibras podrán reducir las pérdidas a un nivel tan bajo que no habría necesidad de amplificación. Es más, dice la compañía, el ancho de banda utilizable será sustancialmente mayor que en las fibras ópticas existentes. El truco consiste en quitar el núcleo de vidrio de la fibra y reemplazarlo con ... bueno, nada en absoluto.

Aire puro

Suena tan obvio. La luz viaja a través del aire con poca dispersión. Entonces, ¿por qué no enviar luz láser a través de un tubo de vidrio hueco? La respuesta está en la física. Para lograr la reflexión interna necesaria para mantener la luz confinada en el centro de una fibra óptica convencional, el revestimiento debe tener un índice de refracción más bajo que el medio interno. Pero todos los materiales conocidos tienen un índice de refracción más alto que el aire. Entonces, la disposición convencional no funciona para hacer una fibra hueca.

Lo que significa que se necesita un enfoque poco convencional. Introduzca fibras de cristal fotónico. Los investigadores de todo el mundo están ocupados fabricando materiales que actúan como aislantes de luz, que son intransitables para la luz, al igual que la mayoría de los plásticos son intransitables para las corrientes eléctricas. En la jerga de la física, estos aislantes de luz tienen una banda prohibida fotónica correspondiente a longitudes de onda de luz específicas; esas longitudes de onda simplemente no pueden entrar en el material. Si se fabrican correctamente, estos materiales, a diferencia del revestimiento de fibras de vidrio, no deberían permitir que prácticamente no se escape la luz de un núcleo vacío envuelto en ellos.

Por supuesto, muchas sustancias impedirán el paso de la luz; pero esto generalmente se debe a que los materiales simplemente absorben la luz en lugar de reflejarla. Y aunque podría pensar en los espejos metálicos (vidrio plateado) como buenos reflectores de luz, la verdad es que no son lo suficientemente reflectantes para funcionar en fibra óptica; absorben y disipan una pequeña pero significativa parte de un haz entrante. Una señal de luz que viaja por un tubo de vidrio revestido de plata viajaría solo una corta distancia antes de dispersarse por completo. Los materiales de banda prohibida fotónica, por otro lado, bloquean todos los fotones de longitudes de onda particulares; la luz que se aproxima se refleja casi a la perfección. En otras palabras, son ideales para confinar la luz dentro de un tubo hueco.

En 1998, Yoel Fink, entonces un estudiante graduado del MIT, fabricó un espejo perfecto con un material fotónico de banda prohibida. Otros habían fabricado previamente espejos especializados a partir de capas delgadas de materiales dieléctricos (materiales que contienen partículas cargadas eléctricamente pero que tienen propiedades aislantes). Estos espejos tienen espacios de banda fotónica y pueden ser reflectores extremadamente eficientes, pero tienen un defecto importante: funcionan solo con luz que incide absolutamente de frente, lo que limita su uso a aplicaciones especializadas. Fink descubrió cómo hacer una versión de un espejo dieléctrico que refleja la luz que llega desde todos los ángulos, como tendría que hacer el material en el núcleo de un hilo de fibra óptica.

spray solar para ventanas

Una vez que tenga un espejo de este tipo, ver el potencial comercial es (al menos para los investigadores de la fotónica) obvio. Fink y un par de sus profesores del MIT, el físico John Joannopoulos y el científico de materiales Edwin Thomas, junto con Uri Kolodny, cofundaron OmniGuide. El objetivo de la empresa es utilizar el espejo perfecto como revestimiento de una fibra óptica. Imagine que toma un espejo plano y lo dobla alrededor del interior de un tubo, y tiene una imagen burda de una fibra OmniGuide.

Entonces, ¿qué tan pequeñas son las pérdidas de luz en una fibra de la próxima generación? Debido a que la compañía aún se encuentra en sus primeras etapas, los fundadores mantienen esa información al alcance de la mano. Todo lo que soy libre de decir en esta etapa, dice Joannopoulos, es que con una OmniGuide [fibra] de tubo hueco podríamos, en principio, lograr pérdidas menores que la fibra óptica. Pero para una industria de las telecomunicaciones que busca impulsar cada vez más luz a través de redes ópticas, y eventualmente enfrentarse a los límites de las fibras de la generación actual, incluso dichos pronunciamientos cuidadosamente redactados son tentadores.

La empresa está desarrollando una serie de productos de fibra basados ​​en el concepto OmniGuide. Estas fibras son, en teoría, mucho más eficientes en la transmisión de luz que una fibra óptica estándar. De hecho, deberían poder superar las limitaciones actuales de las fibras de vidrio, logrando, entre otras cosas, una menor pérdida de señal a medida que la luz viaja por la fibra. Un rendimiento tan elevado es posible, dice Fink, ahora profesor asistente de ciencia de los materiales en el MIT, porque podemos lograr un grado de confinamiento incomparable.

Las fibras OmniGuide deberían poder transmitir señales mucho más intensas que las fibras ópticas normales. La luz de alta intensidad que viaja en las fibras de vidrio sufre distorsiones que pueden interrumpir la transmisión de señales en diferentes longitudes de onda, causando interferencias entre canales a menos que estén muy separados en frecuencia. Este efecto limita la cantidad de longitudes de onda diferentes que se pueden introducir en una fibra de vidrio convencional y también el brillo que pueden tener. Debido a que las señales en el aire no sufren estos efectos, explica Fink, la fibra OmniGuide puede transmitir señales a potencias más altas, con canales espaciados más juntos. Esa es una gran noticia para las empresas de telecomunicaciones, ya que las señales más fuertes viajan más lejos antes de que las pérdidas comiencen a comprometerlas, y los canales más cercanos significan que se pueden empaquetar más datos dentro de un rango de longitud de onda determinado.

El enfoque del MIT, sin embargo, es solo una forma de hacer una fibra fotónica. Otros investigadores han producido materiales de banda prohibida fotónica que, en sección transversal, son como un panal en el que los agujeros forman estructuras que rechazan la entrada a la luz de ciertas longitudes de onda. Este tipo de cristales fotónicos, fabricados por primera vez a finales de la década de 1980, también bloquean casi por completo la luz. Las fibras de vidrio fabricadas en Bath, por ejemplo, son penetradas por una serie ordenada de orificios paralelos al hilo a lo largo de toda su longitud; en el centro hay un núcleo vacío en el que la luz se puede confinar casi perfectamente. Para dar alguna indicación de la precisión involucrada en la fabricación de las fibras, si los orificios largos y paralelos fueran del diámetro del Chunnel que conecta Inglaterra y Francia, las fibras experimentales fabricadas en Bath llegarían a Júpiter. ¿Cómo se perforan túneles tan perfectos a través de una hebra de vidrio más delgada que un cabello humano?

Afortunadamente, los agujeros no tienen que perforarse en absoluto. Están ingeniosamente construidos extrayendo las fibras de vidrio de un haz de tubos capilares huecos. Los tubos se empaquetan juntos en una matriz hexagonal de unos pocos centímetros de ancho y el haz se calienta para ablandar el vidrio. A medida que la matriz se extrae en una fibra fina, su sección transversal se reduce en un factor de mil aproximadamente, pero permanece entrelazada con agujeros.

Inicialmente, los físicos de Bath hicieron un canal conductor de luz en el núcleo de la fibra sustituyendo el capilar de vidrio central por una varilla de vidrio sólida. Pero aún mejor que llevar la luz en un núcleo sólido sería enviarla a través de un núcleo hueco-por aire, con las bajísimas pérdidas y ausencia de distorsión que ello conlleva. En colaboración con Douglas Allan, investigador de Corning, el equipo de Bath logró el confinamiento de la luz en una fibra de cristal fotónico de núcleo hueco en 1999. Recientemente, han formado fibras ópticas de muchos metros de largo con sus nuevos materiales.

Acabado fotónico

Adoptar las fibras ópticas existentes será una tarea difícil. Las fibras de vidrio convencionales se han optimizado durante varias décadas y se fabrican con tecnología bien arraigada. Por el contrario, las nuevas fibras fotónicas representan una fabricación desconocida. Por un lado, su estructura debe ser exacta. Los sistemas [de fabricación] existentes simplemente no están a la altura, admite Russell.

Aún así, las empresas están haciendo cola para enfrentar los desafíos de la comercialización. Fink dice que OmniGuide está trabajando en una serie de productos basados ​​en fibras de diferentes longitudes. Los proyectos incluyen el desarrollo de dispositivos basados ​​en fibra activa para conmutación óptica, así como el desarrollo de fibras para la transmisión de luz entre 10 y 100 metros, que podrían ser útiles para tareas como la conexión de servidores en distancias cortas. Las fibras de largo alcance para redes de telecomunicaciones tendrán el mayor impacto, dice Fink, pero esto llevará un poco de tiempo.

Los investigadores del grupo Bath han lanzado su propia empresa derivada, BlazePhotonics, y han obtenido financiación de empresas de capital de riesgo en el Reino Unido y Estados Unidos. En Dinamarca, una empresa llamada Crystal Fiber, iniciada por científicos de la Universidad Técnica de Dinamarca en Lyngby, que fueron los primeros colaboradores del grupo Bath, está fabricando fibras fotónicas con un núcleo de vidrio sólido. Si bien sus productos iniciales podrían servir para confinar la luz en láseres de alta precisión, nadie está perdiendo de vista el gran premio. Las telecomunicaciones son definitivamente el objetivo a mediano plazo, dice el CEO Michael Kjaer.

Al igual que los fundadores de Crystal Fiber de Dinamarca, los científicos de Corning han trabajado en estrecha colaboración con los investigadores de Bath en el pasado, pero ahora están compitiendo hacia el mercado por su cuenta. Jim West informa que la empresa ahora puede fabricar fibras fotónicas de hasta cien metros de largo. Pero se reserva el juicio sobre si los nuevos materiales eventualmente transformarán la superautopista de la información. Las fibras ópticas convencionales, señala, son un acto difícil de superar. Solo cuando comienza a trabajar con las versiones más modernas, se da cuenta de lo extraordinarias que son.

Aunque enviar luz a través del aire puede resolver muchas de las limitaciones de las fibras actuales, plantea sus propios problemas. Por un lado, la composición del aire no es uniforme; como resultado, la luz puede transmitirse de manera diferente en diferentes partes del mundo. El aire en el Reino Unido es muy diferente del aire en el Sahara, explica West.

Es una tecnología fascinante, dice West sobre la nueva generación de fibras de cristal fotónico, pero queda un largo camino por recorrer.

Aún así, si estos nuevos materiales finalmente cumplen su potencial de transformar la transmisión de larga distancia en la industria de las telecomunicaciones, será un viaje que bien vale la pena emprender.

esconder

Tecnologías Reales

Categoría

Sin Categorizar

Tecnología

Biotecnología

Política De Tecnología

Cambio Climático

Humanos Y Tecnología

Silicon Valley

Informática

Revista Mit News

Inteligencia Artificial

Espacio

Ciudades Inteligentes

Blockchain

Artículo De Fondo

Perfil De Exalumnos

Conexión De Exalumnos

Característica De Noticias Del Mit

1865

Mi Vista

77 Mass Ave

Conoce Al Autor

Perfiles De Generosidad

Visto En El Campus

Cartas De Exalumnos

Función De Noticias Del Mit

Cadena De Bloques

Perfil De Ex Alumnos

77 Avenida De Masas

Política Tecnológica

Perfiles En Generosidad

Noticias

Revista De Noticias Del Mit

Elecciones 2020

Con Índice

Bajo La Cúpula

Manguera

Historias Infinitas

Proyecto De Tecnología Pandémica

Del Presidente

Artículo De Portada

Galería De Fotos

Recomendado