MIGUEL BOYAYANTransmisión vía luz: la fibra óptica ofrece un espacio que aún debe ser aprovechadoMIGUEL BOYAYAN
Cuando tecleamos un número de teléfono o enviamos un e-mail, nunca nos imaginamos el camino que hace nuestra llamado hasta un barrio vecino o a una ciudad distante. La transmisión de un punto a otro siempre fue realizada y continua siéndolo mediante el uso equipos, cables y más recientemente fibra óptica, todos igualmente fuera del alcance de nuestros ojos. Por tal motivo el seguirle los pasos a las transformaciones tecnológicas de las redes de telecomunicaciones en los últimos años no ha sido tarea fácil para los no iniciados. La más importante revolución empezó en los años 70, cuando apareció la fibra óptica. Desde entonces, todo aquello que se relaciona con este medio de transmisión continua acicateando a los investigadores del área.
Al permitir la instalación de un cable de un diámetro un poco mayor al de un cabello en lugar de centenas de cables de cobre, y transmitiendo a través de la luz, las fibras crearon otras necesidades tecnológicas. Una de las grandes batallas que libran los profesionales de este sector actualmente en todo el mundo consiste en obtener amplificadores capaces de cumplir con los requerimientos derivados del incremento del número de teléfonos fijos, la aparición del fax, los celulares, las redes de datos e Internet. Los amplificadores, instalado principalmente entre ciudades y en las conexiones internacionales, reciben en un determinado trayecto – de entre 20 y 100 kilómetros -, las señales de láser que recorren el interior de las fibras. Y recuperan la onda luminosa, que pierde potencia en el transcurso de la transmisión.
El desarrollo de nuevos amplificadores es indispensable para aumentar la capacidad y la velocidad del sistema de telecomunicaciones, y disminuir los costos de instalación de nuevas redes. Con estas metas, cuatro laboratorios en todo el planeta están comprometidos en una carrera tecnológica para producir un nuevo tipo de amplificador óptico, denominado Fiber Optic Parametric Amplifier (Fopa) o amplificador paramétrico de fibra óptica. Uno de estos laboratorios está en el Instituto de Física (IF) de la Universidad Estadualde Campinas (Unicamp), que forma parte del Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (CePOF) financiado por la FAPESP. Los otros son los Laboratorios Bell, de la empresa Lucent, el de la Universidad de Stanford, Estados Unidos, y el de la Universidad de Tecnología Chalmers, de Suecia.
El Fopa podrá aumentar decenas de veces la capacidad de transmisión de una fibra óptica. Actualmente, en las conexiones de larga distancia, la transmisión se realiza en la franja de longitud de onda situada entre 1,53 y 1,56 micrones o micrómetros (µm), en la región del infrarrojo, en donde la fibra registra pérdidas mínimas. Pero la capacidad de esa fibra oscila entre 1,10 y 1,75 µm. La fina estructura de la misma también posee la capacidad de transmitir más de 100 terabits por segundo (Tb/s; un terabit es igual a mil gigabits).
La actual transmisión se efectúa a 4 Tb/s como máximo. A modo de comparación, esta velocidad de transmisión (técnicamente llamada tasa de transmisión, porque la velocidad es siempre la de la luz) es suficiente para comprender 62 millones de llamados telefónicos (de 64 kilobits por segundo -kb/s) al mismo tiempo o, mirando hacia el futuro, cerca de mil canales de televisión digital simultáneos, o el texto completo de todos los libros de la mayor biblioteca del mundo, también en apenas un segundo. Por lo tanto, entre 100 Tb/s y 4 Tb/s existe aún mucho espacio por aprovecharse en una fibra óptica.
Aumento de la banda
En el laboratorio, el Fopa está consiguiendo transmitir a 10 Tb/s. “Nuestra intención es llegar a 40 ó 50 Tb/s”, informa el profesor Hugo Fragnito, coordinador del segmento del CePOF en la Unicamp (los otros se encuentran en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo en São Carlos, y en el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares – Ipen, sigla en portugués). Con el Fopa será posible trabajar en otras franjas, en el espectro ubicado entre 1,1 y 1,75 µm. “El Fopa logra amplificar en anchos de banda (de frecuencias) mayores que el amplificador dopado con erbio -un elemento químico calificado como tierra rara- utilizado actualmente. “El paramétrico es igual o mejor que el erbio en varias regiones del espectro de transmisión”.
El amplificador de erbio o Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA), ya había provocado una revolución tecnológica a partir de 1990. El erbio, anunciado en 1987, bajo la forma de un prototipo elaborado conjuntamente por las empresas British Telecom, DuPont y la Universidad de Southampton, Gran Bretaña, mostró tener muchas ventajas con relación al repetidor electrónico utilizado desde el principio en fibra óptica, el 3R (de regenerador, reformatador y retemporizador). “Con el erbio la velocidad de transmisión se elevó de 1 Gb/s a 4 Tb/s”, dice Fragnito.
Otro factor importante fue la disminución de los costos de instalación de las redes. El precio de un amplificador cayó de 500 mil dólares a 30 mil dólares. El “milagro” de ese elemento químico llamado erbio consiste en que sus iones absorben la luz de un láser llamado láser de bombeo, con longitud de onda de 0,98 µm o en 1,48 µm y (amplifican) la luz del láser de señal (que realiza la transmisión) en la franja que va de 1,53 a 1,56 µm. La revolución provocada por este tipo de amplificador también se fortaleció con la adopción del sistema Wavelength Division Multiplexing (WDM) o Multiplexación por División de Longitud de Onda. El erbio hizo posible el WDM, que en lugar de utilizar una fibra para cada láser de señal, como en el sistema antiguo, permite que varios láseres puedan transmitirse a través de la misma fibra óptica. De esta forma, la multiplexación permite que diversas bandas de transmisión (cada una de ellas transportandodecenas de millones de llamadas al mismo tiempo)puedan ser enviadas por una única fibra óptica.
El Fopa no requiere erbio y puede operar en cualquier longitud de onda. En la amplificación paramétrica se aprovechan los efectos que cualquier materia exhibe cuando es iluminada con alta intensidad, mediante la transferencia de energía de un láser a otro. “Los efectos de la alta intensidad de la luz en el interior de la fibra generalmente distorsionan las señales de transmisión”, dice Fragnito. El secreto del Fopa consiste aprovechar esos efectos para mejor y no para peor. Para ello, éste transfiere la energía de un láser de bombeo, dispuesto dentro de la fibra, al láser de transmisión, amplificando la señal.
“Podemos colocar uno o dos láseres de bombeo en cada fibra para obtener una mayor amplificación y un mayor ancho de banda”, afirma José Manuel Chávez, posdoctorando del laboratorio de fibra óptica del IF de la Unicamp. “Con el Fopa logramos aprovechar mejor la inmensa capacidad de transmisión de la fibra”, dice Fragnito. Los beneficios del Fopa no tienen todavía un plazo estipulado para salir al mercado. Para ello se requieren muchas pruebas y ajustes aún.
Otra innovación surgida de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Unicamp, que también forma parte del CePOF, está relacionada con otro tipo de amplificador. Se trata del amplificador óptico semiconductor, o Semiconductor Optical Amplifier (SOA), fabricado por la empresa Alcatel, solamente para uso en laboratorios. Este equipamiento efectúa la amplificación del láser mediante un chip y sería usado en las redes de telecomunicaciones en áreas metropolitanas. “Para este amplificador desarrollamos un reductor de tiempo del interruptor electroóptico que conecta y desconecta el SOA”, dice el profesor Evandro Conforti. La reducción fue de diez veces, de 2 milmillonésimas de segundo ó 2 nanosegundos (el tiempo de otros sistemas utilizados actualmente en las redes de Internet) a 0,2 nanosegundos. Este tipo de reducción del tiempo facilita y ofrece una mayor capacidad al sistema para recibir y enviar la luz de láser con las transmisiones.
Todo óptico
La nueva técnica contó con la coautoría del alumno de doctorado Cristiano Gallep, que ganó un premio en Estados Unidos con este trabajo, y se encuentra en proceso de patentado en el ámbito del Núcleo de Patentes y Licencias de Tecnología (Nuplitec), de la FAPESP. “Aún no han aparecido interesados, pero nosotros confiamos en el potencial de este sistema para mejorar los futuros amplificadores ópticos”, afirma Conforti. “Especialmente si dentro de algunos años se adoptan sistemas totalmente ópticos, ya no existirá, como hoy en día, la conversión de la señal eléctrica (de los cables de cobre) en señales de láser”. Si esto sucede, la transmisión de un e-mail, por ejemplo, saldría de la computadora en forma de luz y así llegaría al servidor, y de allí iría a la otra computadora, siempre corriendo a través de la fibra óptica. Un futuro en el cual el e-mail se convertirá en o-mail (de óptica) y serán necesarios amplificadores ópticos eficientes, de banda ancha y muy rápidos. Un futuro que ya se encuentra en fase de producción.
Alumnos en la mira de todo el mundo
Dos alumnos del Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (CePOF) de la Unicamp fueron premiados en concursos internacionales vinculados a asociaciones de óptica de nivel mundial. El primero de éstos fue Paulo Dainese, maestrando del Instituto de Física (IF). Dainese recibió en octubre en la Sociedad Americana de Óptica (OSA) el premio al mejor Chapter, designación para grupos de estudiantes que desarrollan trabajos científicos y de difusión de la óptica. Bajo la dirección del profesor Hugo Fragnito, Dainese encabeza el grupo brasileño integrado por 25 estudiantes que ganó la disputa de este año entre otros 26 equipos de Estados Unidos, Sudáfrica, Canadá, Bélgica e Inglaterra. La OSA es una sociedad científica que reúne a 13 mil miembros, entre investigadores, ingenieros y técnicos de 70 países.
Los estudiantes de la Unicamp mostraron, durante la reunión anual de la OSA llevada a cabo en Orlando, Estados Unidos, varios eventos organizados por ellos, tales como los Talleres de Óptica para profesores secundarios y una Escuela de Óptica Aplicada para posgraduandos y estudiantes que están terminando su carrera de grado. También informaron sobre un Programa de Visitas a industrias de la región, como forma de mostrar las actividades de investigación de la Unicamp y abrir las puertas a futuras relaciones de trabajo. “Los alumnos van a la industria y establecen un contacto que puede significarles una contratación para o una pasantía”, explica Dainese. Los estudiantes también dictaron cursos para los técnicos que trabajan en la Unicamp. “Ellos aprenden a operar en los gabinetes y el significado de nuestros experimentos”. El premio para el grupo fue de mil dólares.
En noviembre será el momento de Cristiano Gallep, estudiante de doctorado de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Computación, que irá a Glasgow, Escocia. Gallep recibirá una beca de estudios de la Sociedad de Láseres y Electroóptica (Leos), por valor de 5 mil dólares. Bajo la dirección del profesor Evandro Conforti, Gallep desarrolló un nuevo tipo de interruptor para amplificadores ópticos (lea el reportaje).
El Proyecto
Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (CePOF) de la Unicamp
Modalidad
Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepids)
Coordinador
Hugo Fragnito – Instituto de Física de la Unicamp
Inversión
R$ 1 millón por año
