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Fotónica

Luz en la medida justa

Una nueva generación de fibra óptica abre el camino para aumentar la capacidad de las redes de telecomunicaciones y aporta innovaciones a la medicina

MIGUEL BOYAYANPreforma: con base en partir de ese material, que posee algunos centímetros, se producen las delgadas fibras ópticasMIGUEL BOYAYAN

El perfeccionamiento de una nueva generación de fibra óptica – con las llamadas fibras fotónicas (o fibras de cristal fotónico, del inglés photonic crystal fiber) – abre grandes perspectivas para el aumento de la capacidad de las redes de telecomunicaciones. Es una nueva tecnología que permite la producción de fibras diseñadas para usos específicos en áreas tan diversas como la astronomía, equipos industriales, relojes de precisión, componentes para computadoras más rápidos que los actuales y diagnóstico por espectro -un prototipo de un endoscopio con una única fibra, decenas de veces menor que las convencionales, ya fue producido en Australia.

En las telecomunicaciones, la mayoría de las investigaciones se dirige hacia el desarrollo de fibras fotónicas para usos específicos en áreas que presentan un cuello de botella, como lo es la necesidad del aumento de la velocidad en equipamientos de transmisión y recepción (amplificadores, convertidores, etc.). También son candidatas a reemplazar a los viejos cables de cobre que conectan la red de telecomunicaciones que llega hasta los usuarios. Son novedades que están a la vanguardia tecnológica de los centros académicos en Inglaterra y en Australia o, como el desarrollo de aplicaciones, en más de 60 grupos de investigación en el Centro Nacional de Metrología de Frecuencia, de Francia, el Instituto Max-Planck, de Alemania, y el Laboratorio Nacional de Investigación en Metrología de Japón, al margen de varios institutos de investigación de Estados Unidos, Italia e Israel.

En Brasil, este nuevo tipo fibra es objeto de estudio por parte de algunos grupos de investigación del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) que a su vez integran el Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (CePOF). También hay grupos que estudian las fibras fotónicas en la Universidad Estadual Paulista, de Araraquara, y en el Instituto de Estudios Avanzados del Centro Técnico Aeroespacial de San José de los Campos, donde hay un equipo que realiza trabajos teóricos sobre las posibilidades de las estructuras fotónicas.

La Unicamp, con más de 30 años de investigación en el área de fibra óptica, además de haber formado a decenas de profesionales, ha transferido tecnologías y mantiene convenios para el desarrollo de innovaciones con varias empresas. Un trabajo que, de ahora en adelante, tendrá en las fibras fotónicas uno de los pilares de la tecnología de avanzada del área. Los estudios se intensificaron en el intercambio con los dos centros pioneros mundiales en el desarrollo de estas fibras: el Grupo de Fotónica y Materiales Fotónicos de la Universidad de Bath, Inglaterra, y el Centro de Tecnología de Fibra Óptica de la Universidad de Sydney, Australia.

Los investigadores de Bath desarrollaron a comienzos de la década de 1990 el concepto de fibra fotónica. En noviembre de 1995, elaboraron la primera fibra fotónica del mundo. Hasta el 2001 este tipo de fibra se fabricaba en vidrio (principalmente sílice), pero entonces el grupo de Sydney elaboró la misma estructura en polímero. A comienzos de noviembre de este año uno de los principales investigadores de Bath, el profesor Jonathan Knight, quien elaboró la primera fibra fotónica, estuvo en Campinas por un patrocinio de la FAPESP. En la misma época, el grupo de la Unicamp recibió la visita de Maryanne Large, investigadora australiana que desarrolló las fibras fotónicas plásticas. Los dos investigadores dictaron conferencias y acompañaron los trabajos realizados en la Unicamp.

Para entender las novedades del funcionamiento de las nuevas fibras creadas por estos investigadores, es preciso comprender primero cómo funcionan las fibras ópticas tradicionales. Están constituidas por un núcleo y una capa externa, ambos casi siempre de sílice. Su capacidad de confinar la luz y de hacerla viajar en su interior con la información que se quiere transmitir se basa en la alta transparencia del vidrio y en el hecho de que el núcleo tiene siempre un índice de refracción superior al de la capa externa.

Esta diferencia de índice permite aprisionar la luz, porque la interfaz entre materiales con altos y bajos índices de refracción funciona como un espejo que facilita el recorrido de la onda luminosa en el interior de estos dispositivos. Para tener un índice de refracción superior al de la capa externa, se enriquece el sílice del núcleo (se lo dopado) con átomos de otro material, como el germanio y el boro. Este proceso requiere un excelente control de la química del vidrio, pues en esta fase se define buena parte de las características de la fibra y, por consiguiente, de la señal que se transmitirá.

Una de las diferencias entre las fibras tradicionales y las nuevas es que las fotónicas no llevan dopantes químicos para la obtención de variaciones en el nivel de refracción. Poseen un núcleo (que puede ser de sílice, polímero o hasta de aire) envuelto en un conjunto regular de diminutos huecos de aire en forma de túneles, que corren paralelos a lo largo de toda la fibra. En el caso de las fibras de núcleo sólido (de sílice o de plástico), se considera que la conducción se debe al hecho de que la parte externa de la fibra ha sido “dopada” con aire, un material con menor índice de refracción. Sorprende, sin embargo, que la luz pueda también dirigirse en fibras de núcleo vacío, viajando en el aire.

Toda la física tradicional muestra que la luz prefiere viajar en materiales con altos índices de refracción y el aire tiene el más bajo de ellos. Un comportamiento extraño que es posible de aplicarse para este tipo de fibra fotónica, con base en principios físicos diferentes de aquellos que rigen para las fibras tradicionales. En la década de 1980, los físicos descubrieron que materiales estructurados en la escala de la longitud de onda de la luz – una fracción de micrómetro – podían tener sus propiedades ópticas radicalmente alteradas.

Son los cristales fotónicos, así llamados pues su estructura interna, regular como la de un cristal, permite controlar la conducción de la luz. En el caso de las fibras fotónicas de núcleo hueco, los espacios entre los huecos de aire en la parte que envuelve a la fibra deben tener dimensiones del mismo orden de la longitud de onda de la luz que se pretende conducir en su núcleo. La región microestructurada crea entonces, alrededor del núcleo, una zona prohibida para ciertas longitudes de onda, un band-gap, obligando a la luz permanecer confinada en el núcleo de la fibra. Es de esa forma que la misma sílice de la fibra tradicional, ahora con una estructura regular de diminutos túneles de aire, pasa a funcionar como un nuevo material, con propiedades ópticas inéditas.

Las ventajas de las fibras fotónicas con relación a las convencionales radican en la posibilidad de proyectar su microestructura de manera tal que la fibra presente propiedades escogidas en cada caso acorde con la necesidad. Así es posible proyectar y fabricar fibras para un amplio espectro de aplicaciones, aumentando la concentración de la luz o alterando su propia frecuencia, por citar apenas algunos ejemplos. “Es una nueva tecnología que permite tener diferentes tipos de fibras diseñadas con propiedades específicas”, destacó el físico británico Jonathan Knight durante su visita a la Unicamp.

Una de las buenas perspectivas de las fibras fotónicas está en las telecomunicaciones, área donde, desde hace tres décadas, las fibras ópticas promueven una verdadera revolución, con mejoras de velocidad con relación a los alambres de cobre. “Las actuales limitaciones de las fibras ópticas tradicionales se deben al hecho de que la luz viaja en el vidrio. Una vez libertadas de esa amarra, el potencial es inmenso”, dice Knight. El investigador se refiere al hecho de que la interacción entre el vidrio y la luz causa pérdida de potencia y dispersión de la señal luminosa, un problema en el caso de largos recorridos. La dispersión, entre otras características, provoca el alargamiento de la longitud de onda de la señal luminosa a punto tal punto de volverla irreconocible. En tanto, la pérdida de potencia llega a ser del 96% en 100 kilómetros. Estos problemas actualmente se resuelven con los amplificadores de señales y otros dispositivos, pero ellos limitan el potencial de la red, porque no recuperan íntegramente la señal.

“Con las fibras fotónicas es posible controlar mucho mejor la dispersión y, teóricamente, reducir la pérdida casi a cero”, asegura Knight. La confianza en ese potencial, precisamente, fue o que llevó al físico a fundar en marzo de 2001, junto a sus colegas, una empresa llamada Blaze Photonics, para el desarrollo de fibras fotónicas capaces de remplazar a los actuales cables transatlánticos, que hoy dependen de amplificadores carísimos y del mantenimiento con submarinos. La empresa terminó vendida por 3 millones de euros (casi 15 millones de reales) a Crystal Fibre, una firma danesa. La venta se concretó antes de que Blaze alcanzase un prototipo comercial, pero Knight considera prometedores los resultados obtenidos. “No llegamos a obtener una pérdida menor que la de la fibra convencional, pero esas pasaron tres décadas perfeccionándose y están en el limite de sus posibilidades tecnológicas, mientras que nosotros avanzamos muy rápido en poco tiempo.”

Por dentro de los amplificadores
Si bien para transmisiones a largas distancias las fibras fotónicas aún no presentan ventajas, su desempeño superior en muchas áreas las ha convertido en una opción para el desarrollo de nuevos dispositivos usados en telecomunicaciones como amplificadores de señal, controladores de dispersión y convertidores de longitud de onda. Para aumentar la cantidad de información transmitida en estos equipamientos hoy, por ejemplo, es necesario usar un abanico mayor de longitudes de onda diferentes para transmitir simultáneamente muchos datos en la misma fibra. Los amplificadores convencionales, en cambio, sólo amplifican una pequeña banda de longitud de onda. La solución son los amplificadores paramétricos, que operan en una banda mucho mayor (lea en Pesquisa FAPESP nº 81).

En el CePOF de la Unicamp, Hugo Fragnito trabaja en el desarrollo de estos amplificadores desde 2000, y este año inició una colaboración científica con el grupo de Bath. La idea es desarrollar fibras fotónicas especialmente proyectadas para aumentar aún más la banda de los amplificadores paramétricos. Para plasmar esta colaboración, Paulo Dainese, alumno de Fragnito, trabajó durante tres meses con el grupo de Knight en Bath.

En la Unicamp, el grupo de Luiz Carlos Barbosa, con los alumnos Enver Chillcce y Sérgio Ozório, también estudia la producción de sus propias fibras fotónicas desde el 2002, un proyecto que ahora toma impulso con el regreso de Cristiano Cordeiro, que hizo un posdoctorado en esta área con el equipo de Knight, en la Universidad de Bath.

Recién llegado a Brasil, y con una beca de posdoctorado de la FAPESP, Cordeiro seguirá ahora con sus investigaciones en la universidad, abocadas al desarrollo y la caracterización de fibras fotónicas con propiedades ópticas no lineales. Son fibras con capacidad para alterar la longitud de onda de la luz que las atraviesa. Las investigaciones de Cordeiro pretenden también explorar otra posibilidad de las fibras fotónicas, que es la generación del supercontinuo. Se trata de una luz muy fuerte y con una extensa longitud de onda, para su uso en experimentos de espectroscopia (caracterización de materiales), metrología y en un tipo especial de tomografía que suministra, de manera no violenta, imágenes tridimensionales de tejidos biológicos (la tomografía de coherencia óptica), por ejemplo.

Las nuevas posibilidades tecnológicas abiertas con el supercontinuo eran impensables con las fibras tradicionales. “Quiero trabajar y fabricar fibras fotónicas para esas aplicaciones que son también objeto de estudio de varios grupos brasileños”, dice Cordeiro. Un ejemplo es el equipo coordinado por Nilson Dias Vieira, del Instituto de Investigaciones Nucleares y Energéticas (Ipen). Vieira planea utilizar fibras fotónicas para la generación del supercontinuo que se empleará en experimentos de tomografía de coherencia óptica. La reciente visita de Knight selló el suministro de fibras ópticas producidas en Bath al laboratorio brasileño. Esto va a tener lugar, incluso para los experimentos de Cordeiro, mientras se elaboren las fibras fotónicas brasileñas.

Otro proyecto de Cordeiro consiste en intentar producir en Brasil fibras fotónicas de plástico (de polímeros) en colaboración con Maryanne. Estas fibras tienen un nicho potencial de mercado en las redes de telecomunicaciones: sustituir las conexiones de los usuarios finales, un área todavía dominada por la tecnología de cables de cobre que se transforma en un obstáculo para el aumento de la velocidad de transmisión. En el caso del plástico, las ventajas con relación al vidrio son evidentes: es más barato, menos frágil y su método de fabricación permite desarrollar una gama mucho más amplia de estructuras fotónicas, al margen de que es posible dopar al material con una diversidad mucho mayor de substancias, y con cantidades mucho mayores que aquellas toleradas por el vidrio. Así, el plástico supera la desventaja de su menor transparencia, insignificante en el caso de distancias pequeñas.

En la etapa de fabricación, las fibras del polímero poseen características diferentes que las tradicionales del vidrio que se producen a partir de una preforma de algunos centímetros, compuesta por pequeños tubos de vidrio amontonados de manera tal de componer la estructura deseada. Una vez calentada, esta preforma es estirada hasta que se convierte en una fibra del espesor de un hilo de cabello (125 micrones), que mantiene, en escala microscópica, la misma estructura de la preforma original. El sistema sólo permite producir las estructuras que pueden hacerse por medio de ese amontonamiento. Las fibras de plástico permiten hacer cualquier tipo de estructura, basta con usar un taladro especial controlado por una computadora para producir en la preforma la secuencia deseada de huecos.

Conexión de chips
El desarrollo de estas fibras por parte del equipo de Maryanne tienen una aplicación potencial no sólo en las conexiones de la red con los usuarios finales, sino también en amplificadores y láseres y en las conexiones internas de las computadoras y otros equipamientos. “Los dispositivos electrónicos que conectan los chips de una computadora no pueden operar arriba de ciertas velocidades, pus de este modo se transforman en antenas que emiten y captan señales para el aire. Nuestras fibras podrán servir para hacer estas conexiones con el uso de la luz, permitiendo transmisiones a velocidades miles de veces superiores a las actuales”, explica Maryanne.

Algunas aplicaciones de las fibras fotónicas ya están dejando de ser meras especulaciones. El equipo de Sydney, por ejemplo, produjo un prototipo de endoscopio decenas de veces menor que los convencionales, porque transmite la imagen por una única fibra óptica. Al margen de ser más confortable para los pacientes que pasan por los diferentes tipos de exámenes endoscópicos, la nueva tecnología permite una mejor visualización por parte del médico. Esto sucede porque la fibra plástica microestructurada tiene decenas de núcleos microscópicos por donde la luz es transportada. El aparato deberá primeramente orientar implantes de prótesis en el oído interno.

El Proyecto
Centro de Investigación en Óptica y Fotónica (CePOF) de la Unicamp
Modalidad
Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid)
Coordinador
Hugo Fragnito – Instituto de Física de la Unicamp
Inversión
R$ 1.000.000 por año (FAPESP)

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