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Física

Filamentos versátiles

Una nueva generación de fibra óptica expande su uso más allá de las fronteras de las telecomunicaciones

IFGW/UnicampHace alrededor de 30 años, Brasil ingresaba en el en ese entonces selecto grupo de países que investigaban y usaban fibra óptica, filamentos de vidrio o material polimérico del espesor de un pelo, capaces de transmitir a alta velocidad datos en forma de luz. Una de las primeras redes construidas con dicho material fue instalada en la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), en mayo de 1977, para hacer pruebas de telecomunicaciones, un sector que pasó por una verdadera revolución con la masificación del uso de la fibra óptica en lugar de los alambres de cobre. Actualmente, tres décadas después, la Unicamp sigue a la vanguardia de las investigaciones sobre esa tecnología y es sede de un laboratorio abocado al estudio y el desarrollo de fibras de cristal fotónico, consideradas una nueva  generación de fibra óptica que amplía el uso de estos materiales a la biología y a la química, en el análisis de gases y líquidos, por ejemplo. El año pasado, investigadores de ese laboratorio depositaron, junto con investigadores de otras instituciones brasileñas y extranjeras, tres patentes relativas a las fibras de cristal fotónico, que se discutirán en el marco del Taller Internacional Fibras Ópticas Especiales y sus Aplicaciones, programado para que se realice en la ciudad de São Pedro, en el interior paulista, en agosto de este año (www.wsof2008.org). El evento reunirá a expertos mundiales en este tipo de fibra óptica desarrollada en el final de los años 1990 por el británico Philip Russell, en la Universidad de Bath, Inglaterra, uno de los principales centros de investigación de ese material.

La fibra de cristal fotónico forma parte de un grupo mayor conocido como fibras ópticas especiales, porque poseen innovaciones estructurales que las diferencian de las demás. La principal diferencia entre la fibra de cristal fotónico y la tradicional es que la primera posee un ordenamiento regular de agujeros de aproximadamente un micrón de diámetro, equivalente a una millonésima parte del metro, y que corre paralelo al eje de la fibra y por toda su longitud. La ventaja de estos microorificios consiste en permitir un rígido y extenso control del guiado de la luz, lo que hace a la fibra más versátil. Esto sucede porque la microestructura puede proyectarse de diferentes formas, de manera tal de conferirle las propiedades que se desee. Así, es posible elaborar fibras para una amplia gama de aplicaciones.

Además de redes y equipos del sector de telecomunicaciones, las fibras de cristal fotónico, también conocidas con la sigla PCF (de Photonic Crystal Fiber), pueden usarse en la fabricación de dispositivos de láser, fuentes de luz o sensores ópticos ultrasensibles, capaces de monitorear un ambiente con un gas peligroso o con un líquido contaminado con bacterias, por ejemplo. “Las fibras de cristal fotónico representan una innovación de amplio espectro”, afirma el físico Cristiano Monteiro de Barros Cordeiro, docente del Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW), de la Unicamp. “La libertad que tenemos para intervenir en las características de la fibra óptica tradicional es muy limitada, pero, cuando insertamos agujeros en su estructura, la libertad de elección de sus propiedades ópticas aumenta mucho”, dice Cordeiro.

Alambres guiados
Pese a ser una tecnología relativamente nueva, las fibras de cristal fotónico ya han salido al mercado. La empresa pionera es la danesa Crystal Fibre, que desde el año 2000 comercializa diferentes tipos de fibras, como así también equipos fabricados con ese material para el área de telecomunicaciones. En la Unicamp, una de las principales innovaciones desarrolladas es una fibra de cristal fotónico con electrodos (alambres metálicos) integrados a ella, en el marco de un trabajo del maestrando Giancarlo Chesini. Así, simultáneamente al guiado de la luz, es posible aplicar voltaje a la fibra o hacer pasar una corriente eléctrica por ella. “La luz puede modularse con la corriente eléctrica, lo que habre nuevas perspectivas de uso del material en el área de sensoriamiento y de dispositivos, como por ejemplo en la fabricación de moduladores ópticos usados en las redes de transmisión de datos”, explica Cordeiro, quien hizo su posdoctorado en el Centro de Fotónica y Materiales Fotónicos de la Universidad de Bath.

Otra novedad del grupo, que integra el Centro de Investigación en Óptica y Fotónica de Campinas (CePOF), con sede también en el IFGW-Unicamp y financiado por la FAPESP, es una fibra denominada Y. La particularidad estructural de la misma está en su núcleo reducido, de tan sólo un micrón de diámetro – el núcleo de las fibras tradicionales mide alrededor de 10 micrones y su diámetro total llega a 125 micrones. Asimismo, tiene tan sólo tres orificios en su microestructura, que son bien grandes si se los compara con los de las fibras de cristal fotónico comunes. La reducción del núcleo torna a la fibra más sensible y adecuada a aplicaciones de sensoriamiento químico o biológico. Esto sucede a causa del efecto de difracción, que extiende la propagación de la luz más allá del núcleo. “El fenómeno de la difracción es pésimo en la transmisión de datos en una red de telecomunicaciones, pero deseable en sensoriamiento. Los orificios de la fibra permiten que la luz entre en contacto con el material de interés que ha de identificarse y analizarse: un líquido o gas cualquiera”, explica el investigador de la Unicamp.

eduardo cesarLa primera patente depositada en abril del año pasado por la Agencia de Innovación de la Unicamp (Inova) se refiere a la estructura de las fibras de cristal fotónico. “Además de los agujeros alrededor del núcleo, le hicimos otros en las costados, perpendiculares al eje de la fibra, para desvincular la entrada de la luz y del material. Así la luz sigue entrando por el extremo de la fibra, tal como sucede con cualquier otra, mientras que el material que ha de examinarse entra por los costados”, comenta el también físico Christiano José Santiago de Matos, docente del Laboratorio de Comunicación Óptica y Fotónica de la Universidad Presbiteriana Mackenzie, coautor de la patente. Para funcionar como un sensor, la luz debe entrar en contacto con el material examinado. El análisis se hace por medio de la difracción de parte de la luz que viaja en el núcleo hacia el revestimiento de la fibra, generando un campo evanescente, en el cual la luz procura escapar hacia fuera del núcleo. Con la abertura de los orificios laterales, el material analizado, ya sea líquido o gas, entra en la fibra por ellos y entra en contacto con este campo evanescente. La solicitud de patente de dicha tecnología se elevó al Instituto Nacional de la Propiedad Intelectual (INPI) a fin del año pasado.

Un proceso similar, con el mismo objetivo de entrar al interior de la fibra por los costados, redundó en una segunda patente, en este caso internacional, que contó con la alianza entre el grupo de la Unicamp y el del Centro de Tecnología de Fibra Óptica (OFTC) de la Universidad de Sydney, Australia, uno de los más avanzados en el estudio de fibras ópticas especiales. En lugar de agujeros laterales, se hizo un corte de decenas de centímetros a lo largo de la fibra. “Esta tecnología tuvo un gran impacto no solamente por ser internacional, sino porque es la que está más cerca de una aplicación práctica en el área de sensoriamiento químico, monitoreando por ejemplo escapes químicos en industrias, o derrames en pozos de petróleo”, dice Cristiano Cordeiro. Un artículo sobre esta tecnología salió publicado recientemente en Optics Express, revista online de la Optical Society of America, considerada de gran impacto en el área de óptica.

La tercera patente, depositada en octubre de 2007 en el INPI, una vez más en sociedad con la Universidad Mackenzie, es relativa a una fibra de cristal fotónico con núcleo y el revestimiento (la parte de la fibra que envuelve al núcleo) ocupados con diferentes líquidos, tales como agua, etanol o metanol. “En ese trabajo usamos agua en el revestimiento y una mezcla de agua y glicerina en el núcleo. Será empleada principalmente en las áreas de sondeo y sensoriamiento, para realizar el análisis espectroscópico de líquidos, para medir la emisión o absorción de radiaciones electromagnéticas de la sustancia, por ejemplo. El núcleo líquido de las fibras microestructuradas puede suministrar una alta interacción de la luz con el material examinado, facilitando así su análisis. Pero, para evitar que la onda de luz viaje a velocidades y por caminos distintos dentro del núcleo líquido, un fenómeno conocido como dispersión modal, empleamos un segundo líquido en el revestimiento de la fibra, controlando el guiado del primero”, dice Christiano de Matos, del Mackenzie. Se creó así una fibra monomodo, uno de los tipos de las fibras tradicionales, las preferidas del mercado, por permitir que la luz haga un “viaje” más regular, brindando una mejor señal. El desarrollo de esta fibra exigió sortear varios obstáculos, tales como el llenado de espacios tan diminutos como el núcleo y el revestimiento de una fibra óptica sin mezclar ambos líquidos, por ejemplo.

La fibra de núcleo y de revestimiento líquidos se exhibirá en el workshop que se realizará en São Pedro y que ya cuenta con el apoyo de sociedades internacionales tales como OSA y SPIE, además de la propia FAPESP. De los 30 conferencistas invitados, 25 son de otros países, entre ellos el físico inglés Jonathan Knight, de la Universidad de Bath, quien participó en el desarrollo de la primera fibra de cristal fotónico, y la investigadora australiana Maryanne Large, de la Universidad de Sydney, responsable del desarrollo pionero de las fibras plásticas de cristal fotónico.

El Proyecto
Fibras de cristal fotónico Modalidad Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Coordinadores Hugo Fragnito – Centro de  Investigación en Óptica y Fotónica (CePOF) de la Unicamp Cristiano Cordeiro – Subproyecto; Inversión R$ 1.000.000,00 por año para todo el CePOF (FAPESP)

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