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telecomunicaciones

Fibra dopada brasileña

Una empresa domina el proceso de fabricación de instrumental óptico destinado a amplificar la señal de luz

MIGUEL BOYAYANProceso de fabricación de fibra óptica en Sun Quartz: el dominio de la tecnología constituye una acreditación ante el mercado externoMIGUEL BOYAYAN

Una pequeña empresa nacida en la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) catapulta a Brasil hacia un lugar en la vanguardia de las comunicaciones por redes de fibra óptica, donde las transmisiones se efectúan vía láser. Sun Quartz, una firma creada en 2003, es una de las pocas empresas del mundo que dominan la tecnología de fabricación de la fibra óptica conocida como deposición axial en la fase de vapor, cuya sigla en inglés es VAD (de Vapor-phase Axial Deposition). Este proceso tiene diversas ventajas con relación a los métodos similares, y permite el desarrollo de fibras amplificadoras que intensifican la señal del láser. El dominio del proceso de fabricación de estos componentes es importante, pues la mayor parte de la actual estructura mundial de telecomunicaciones se apoya en las redes ópticas, capaces de transmitir un gran volumen de datos con mucho más seguridad y rapidez tanto entre ciudades cercanas como de un punto a otro del planeta. En Sun Cuartz, que está instalada en la Incubadora de Empresas de Base Tecnológica de la Unicamp (Incamp), y que contó con financiamiento del Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (Pipe), esperan poder sacar su fibra óptica al mercado ya durante el primer semestre de 2006. En estos momentos, el material pasa por ensayos en los laboratorios de Padtec, una de las mayores fabricas brasileñas de sistemas de comunicaciones ópticas. Actualmente, las fibras amplificadoras empleadas en Brasil se importan íntegramente.

Al contrario de lo que sucede con las fibras ópticas comunes, las fibras especiales se dopan con erbio, un elemento químico natural conocido como tierra rara. El dopaje es la introducción de un elemento químico que se destina a cambiar las propiedades de un material. Es este caso, el erbio sirve para amplificar la señal luminosa que se propaga en los cables ópticos en forma de láser. Esto es fundamental pues, a medida que la luz transita por una red óptica, va siendo absorbida, por ende, su señal se atenúa. Para recuperar la amplitud de la señal original, la salida es instalar amplificadores ópticos a lo largo de la red, cuyo principal componente son las fibras de erbio, como las que fabrica la empresa de Campinas. “Para hacer una conexión entre las ciudades de São Paulo y Campinas, ubicada a 90 kilómetros una de otra, es necesario poner en medio del camino un amplificador óptico. Se usan alrededor de 20 a 30 metros de fibra de erbio en este sistema, conocido como amplificador óptico a base de fibra de erbio (EDFA). En las ciudades, las fibras especiales se utilizan en los puntos de distribución del cableado”, explica el físico Carlos Kenichi Suzuki, docente de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Unicamp y socio de Sun Quartz.

Con un diámetro algo mayor que el de un pelo, la fibra óptica surgió en los años 1970 y desde ese entonces ha venido utilizándosela cada vez más en la transmisión de datos vía internet, televisión por cable, telefonía fija y móvil y varias otras aplicaciones vinculadas a imagen y sonido. Esto es así porque los cables ópticos pueden transmitir muchas más informaciones que los sistemas convencionales de comunicación, que emplean cables de cobre, frecuencias de radio o microondas. La fibra óptica consta de un núcleo central, que es por donde transita la luz, y tiene un diámetro de entre 3,5 micrones (en el caso de la fibra de erbio) y 9 micrones (en la fibra común), siendo que un micrón es la milésima parte de un milímetro (mm). La capa externa de la fibra que envuelve al núcleo sirve para suministrar aislamiento óptico y posee un espesor medio de 125 micrones, ó 0,125 mm. La materia prima básica para la fabricación de la fibra es el cuarzo, que también se usa en la producción de células solares y microchips. Brasil cuenta con la más grande reserva de este mineral existente en el planeta.

El dominio de la tecnología de fabricación de la fibra óptica es importante en razón del alto valor agregado del producto. Mientras que un kilo de cuarzo cuesta alrededor de 0,10 dólar, y un kilo de silicio no pasa de un dólar, la fibra óptica dopada con erbio vale un millón de veces más y llega a costar 100 mil dólares el kilo. Esta fibra también es mucho más cara que la convencional. Un kilómetro de cable óptico común sale por alrededor de 20 ó 30 dólares, mientras que el mismo metraje de fibra amplificadora vale entre 10 mil y 15 mil dólares. “Se trata de un mercado millonario. En 2001 se estimaba que el sector de aparatos de amplificación óptica giraba en torno a los 4 mil millones de dólares. Hoy en día esta cifra debe ser mucho mayor”, dice el investigador. Cuando empiece a producir comercialmente, Sun Quartz abastecerá al mercado interno, que actualmente compra la fibra dopada con erbio en el exterior, y se convertirá en exportadora del producto. “Al margen de la fibra, podremos vender también la tecnología VAD, porque tenemos pleno dominio de ella y todo el instrumental que se utiliza en el proceso lo hemos desarrollado nosotros.”

Carlos Suzuki explica que todos los fabricantes nacionales de fibra óptica utilizan la tecnología MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition), desarrollada por los Laboratorios Bell, de Estados Unidos, hace más de 30 años. “La principal ventaja comercial de la tecnología VAD, desarrollada en Japón, es que, al contrario del proceso MCVD, no requiere la importación de tubos de silicio. Esto hace que nuestro producto sea más barato”, afirma el científico. Los tubos, empleados para hacer el núcleo y la capa externa de la fibra, aclara Suzuki, no se producen en el país. Asimismo, la tecnología de deposición axial en la fase de vapor tiene como materia prima un subproducto del silicio que es diez veces más barato que el empleado con la metodología MCVD. Otra importante ventaja comparativa de la tecnología del sistema VAD es que la fibra óptica de nueva generación, capaz de transmitir la luz hasta distancias mucho más largas, sólo se puede elaborar mediante este proceso, que corrige un efecto indeseado que atenúa la señal luminosa, conocido como fenómeno de dispersión Rayleigh, cosa que la tecnología MCVD no logra.

Elevada automación
El proceso de fabricación de la fibra óptica de Sun Quartz puede dividirse en cinco etapas y es completamente automatizado. Permite el control de las propiedades del producto final, tales como la distribución de la nanoporosidad y el índice de refracción. La primera etapa consiste en la fabricación de una preforma porosa de sílice nanoestructurada, una especie de bastón lechoso de alrededor de 60 milímetros de diámetro por hasta 30 centímetros de longitud. Cada preforma, el elemento precursor de la fibra óptica, puede dar origen a 4 kilómetros de fibra. La misma se produce mediante el empleo de un soplete especial instalado dentro de una cámara de deposición, y ya reúne todas las características de la futura fibra. El siguiente paso consiste en hacer la adición de los elementos que suministrarán las características de amplificación. El dopaje del sílice se realiza mediante la inmersión de la preforma en una solución que contiene iones de erbio, que produce a su vez el efecto especial de amplificación. El dopaje de la preforma asegura que los iones de erbio penetren en su estructura a nivel atómico.

Una vez concluida esta fase, la preforma pasa por un tratamiento termoquímico para el secado y la purificación. El objetivo es remover de su estructura elementos indeseables como tales como hidroxilos (OH) y metales de transición (hierro, cromo, níquel, etc.) que ocasionan pérdida en la potencia de la señal. Posteriormente, el material pasa por um nuevo tratamiento térmico en un horno de consolidación de alta temperatura y atmósfera controlada, para volverlo totalmente transparente y libre de microampollas, imperfecciones que perjudicarían el perfecto funcionamiento de la fibra óptica. Por último, el vidrio transparente se ensancha y es sometido a una deposición externa de nanopartículas de sílice para la formación de la cáscara, responsable de la protección mecánica del núcleo por donde transita la luz transita. A partir de ese punto, la fibra de sílice nanoestructurada sufre una serie de ensanchamientos y nuevas deposiciones hasta que el núcleo y la capa externa alcanzan los diámetros esperados. “Es un proceso sumamente complejo y que depende de una enorme variedad de factores para tener éxito”, sostiene Suzuki. Para cerciorarse de que la fibra tiene calidad y posee las características deseadas, la misma pasa por una amplia batería de pruebas de caracterización de sus propiedades estructurales, ópticas y de amplificación, tales como microscopía electrónica de barrido, dispersión y espectrometría de rayos X.

La fibra óptica amplificadora es tan sólo uno de los productos desarrollados por  Sun Quartz, que opera dentro del Laboratorio de Ciclo Integrado de Cuarzo de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Unicamp y mantiene vínculos con el Centro de Investigaciones en Óptica y Fotónica (CePOF), instalado en la propia universidad, y que es uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) solventados por la FAPESP. La empresa también domina el proceso de fabricación de fibra óptica sensora y de lentes de alta homogeneidad óptica para su uso en la región de luz ultravioleta. Las fibras sensoras tiene una amplia gama de aplicaciones y se emplean como sensores de presión y temperatura, que suministran medidas en tiempo real en operaciones de monitoreo de tuberías de petróleo, gas y agua. También pueden utilizarse en garitas de peaje para controlar el paso de vehículos y como detectores de presencia en aplicaciones ligadas al sector de seguridad. “Este tipo de fibra tiene una estructura diferente que la dopada con erbio, pues su núcleo es más espeso y puede llegar a 0,8 milímetro de diámetro. Cuesta desde un dólar el metro y, hasta donde sabemos, no existen fabricantes nacionales del producto”, comenta el ejecutivo de Sun Quartz.

Las lentes de alta resolución son productos que están en la frontera del conocimiento. Son componentes importantes en la fabricación de microchips de nueva generación y son también fundamentales para aumentar la resolución espacial de sus componentes (transistores, capacitores, diodos, etc.), en virtud de la ultraalta homogeneidad a la luz ultravioleta de pequeñas longitudes de onda y, por consiguiente, la velocidad de operación del procesador de la computadora. Estas lentes se utilizan en equipos llamados Stepper, que fabrican los microchips por medio de una tecnología conocida como litografía óptica. “Existen pocos fabricantes de estos equipos en el mundo, entre ellos Canon y Nikon. Estas industrias necesitan lentes de alta homogeneidad en la zona del ultravioleta, que sólo pueden fabricarse mediante el empleo de la tecnología VAD”, explica Suzuki. Sucede que las empresas que dominan esta tecnología se dedican únicamente a la fabricación de microchips. Por tal motivo, Sun Quartz pretende ocupar un nicho de mercado hasta ahora poco explotado en este sector. El proceso de fabricación de las lentes ya lo dominan en la empresa, que ahora se aboca a hacer ajustes para dejar el producto dentro de las especificaciones requeridas por el mercado. Para expandir la perspectiva comercial de la empresa, Suzuki estuvo a finales de octubre en Japón, donde visitó empresas y discutió alianzas.

El Proyecto
Fibra óptica amplificadora de sílice dopada con erbio  (nº 01/13406-8); Modalidad Programa de Innovación Tecnológica en Pequeñas Empresas (Pipe); Coordinador Carlos Kenichi Suzuki – Unicamp/ Sun Quartz; Inversión R$ 307.627,00 y US$ 12.700,00 (FAPESP)

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