{"id":78630,"date":"2004-12-01T00:00:00","date_gmt":"2004-12-01T00:00:00","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/2004\/12\/01\/luz-en-la-medida-justa\/"},"modified":"2015-03-31T16:09:14","modified_gmt":"2015-03-31T19:09:14","slug":"luz-en-la-medida-justa","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/luz-en-la-medida-justa\/","title":{"rendered":"Luz en la medida justa"},"content":{"rendered":"
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MIGUEL BOYAYAN<\/span>Preforma: con base en partir de ese material, que posee algunos cent\u00edmetros, se producen las delgadas fibras \u00f3pticasMIGUEL BOYAYAN<\/span><\/p><\/div>\n

El perfeccionamiento de una nueva generaci\u00f3n de fibra \u00f3ptica – con las llamadas fibras fot\u00f3nicas (o fibras de cristal fot\u00f3nico, del ingl\u00e9s photonic crystal fiber) – abre grandes perspectivas para el aumento de la capacidad de las redes de telecomunicaciones. Es una nueva tecnolog\u00eda que permite la producci\u00f3n de fibras dise\u00f1adas para usos espec\u00edficos en \u00e1reas tan diversas como la astronom\u00eda, equipos industriales, relojes de precisi\u00f3n, componentes para computadoras m\u00e1s r\u00e1pidos que los actuales y diagn\u00f3stico por espectro -un prototipo de un endoscopio con una \u00fanica fibra, decenas de veces menor que las convencionales, ya fue producido en Australia.<\/p>\n

En las telecomunicaciones, la mayor\u00eda de las investigaciones se dirige hacia el desarrollo de fibras fot\u00f3nicas para usos espec\u00edficos en \u00e1reas que presentan un cuello de botella, como lo es la necesidad del aumento de la velocidad en equipamientos de transmisi\u00f3n y recepci\u00f3n (amplificadores, convertidores, etc.). Tambi\u00e9n son candidatas a reemplazar a los viejos cables de cobre que conectan la red de telecomunicaciones que llega hasta los usuarios. Son novedades que est\u00e1n a la vanguardia tecnol\u00f3gica de los centros acad\u00e9micos en Inglaterra y en Australia o, como el desarrollo de aplicaciones, en m\u00e1s de 60 grupos de investigaci\u00f3n en el Centro Nacional de Metrolog\u00eda de Frecuencia, de Francia, el Instituto Max-Planck, de Alemania, y el Laboratorio Nacional de Investigaci\u00f3n en Metrolog\u00eda de Jap\u00f3n, al margen de varios institutos de investigaci\u00f3n de Estados Unidos, Italia e Israel.<\/p>\n

En Brasil, este nuevo tipo fibra es objeto de estudio por parte de algunos grupos de investigaci\u00f3n del Instituto de F\u00edsica Gleb Wataghin de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) que a su vez integran el Centro de Investigaci\u00f3n en \u00d3ptica y Fot\u00f3nica (CePOF). Tambi\u00e9n hay grupos que estudian las fibras fot\u00f3nicas en la Universidad Estadual Paulista, de Araraquara, y en el Instituto de Estudios Avanzados del Centro T\u00e9cnico Aeroespacial de San Jos\u00e9 de los Campos, donde hay un equipo que realiza trabajos te\u00f3ricos sobre las posibilidades de las estructuras fot\u00f3nicas.<\/p>\n

La Unicamp, con m\u00e1s de 30 a\u00f1os de investigaci\u00f3n en el \u00e1rea de fibra \u00f3ptica, adem\u00e1s de haber formado a decenas de profesionales, ha transferido tecnolog\u00edas y mantiene convenios para el desarrollo de innovaciones con varias empresas. Un trabajo que, de ahora en adelante, tendr\u00e1 en las fibras fot\u00f3nicas uno de los pilares de la tecnolog\u00eda de avanzada del \u00e1rea. Los estudios se intensificaron en el intercambio con los dos centros pioneros mundiales en el desarrollo de estas fibras: el Grupo de Fot\u00f3nica y Materiales Fot\u00f3nicos de la Universidad de Bath, Inglaterra, y el Centro de Tecnolog\u00eda de Fibra \u00d3ptica de la Universidad de Sydney, Australia.<\/p>\n

Los investigadores de Bath desarrollaron a comienzos de la d\u00e9cada de 1990 el concepto de fibra fot\u00f3nica. En noviembre de 1995, elaboraron la primera fibra fot\u00f3nica del mundo. Hasta el 2001 este tipo de fibra se fabricaba en vidrio (principalmente s\u00edlice), pero entonces el grupo de Sydney elabor\u00f3 la misma estructura en pol\u00edmero. A comienzos de noviembre de este a\u00f1o uno de los principales investigadores de Bath, el profesor Jonathan Knight, quien elabor\u00f3 la primera fibra fot\u00f3nica, estuvo en Campinas por un patrocinio de la FAPESP. En la misma \u00e9poca, el grupo de la Unicamp recibi\u00f3 la visita de Maryanne Large, investigadora australiana que desarroll\u00f3 las fibras fot\u00f3nicas pl\u00e1sticas. Los dos investigadores dictaron conferencias y acompa\u00f1aron los trabajos realizados en la Unicamp.<\/p>\n

Para entender las novedades del funcionamiento de las nuevas fibras creadas por estos investigadores, es preciso comprender primero c\u00f3mo funcionan las fibras \u00f3pticas tradicionales. Est\u00e1n constituidas por un n\u00facleo y una capa externa, ambos casi siempre de s\u00edlice. Su capacidad de confinar la luz y de hacerla viajar en su interior con la informaci\u00f3n que se quiere transmitir se basa en la alta transparencia del vidrio y en el hecho de que el n\u00facleo tiene siempre un \u00edndice de refracci\u00f3n superior al de la capa externa.<\/p>\n

Esta diferencia de \u00edndice permite aprisionar la luz, porque la interfaz entre materiales con altos y bajos \u00edndices de refracci\u00f3n funciona como un espejo que facilita el recorrido de la onda luminosa en el interior de estos dispositivos. Para tener un \u00edndice de refracci\u00f3n superior al de la capa externa, se enriquece el s\u00edlice del n\u00facleo (se lo dopado) con \u00e1tomos de otro material, como el germanio y el boro. Este proceso requiere un excelente control de la qu\u00edmica del vidrio, pues en esta fase se define buena parte de las caracter\u00edsticas de la fibra y, por consiguiente, de la se\u00f1al que se transmitir\u00e1.<\/p>\n

Una de las diferencias entre las fibras tradicionales y las nuevas es que las fot\u00f3nicas no llevan dopantes qu\u00edmicos para la obtenci\u00f3n de variaciones en el nivel de refracci\u00f3n. Poseen un n\u00facleo (que puede ser de s\u00edlice, pol\u00edmero o hasta de aire) envuelto en un conjunto regular de diminutos huecos de aire en forma de t\u00faneles, que corren paralelos a lo largo de toda la fibra. En el caso de las fibras de n\u00facleo s\u00f3lido (de s\u00edlice o de pl\u00e1stico), se considera que la conducci\u00f3n se debe al hecho de que la parte externa de la fibra ha sido “dopada” con aire, un material con menor \u00edndice de refracci\u00f3n. Sorprende, sin embargo, que la luz pueda tambi\u00e9n dirigirse en fibras de n\u00facleo vac\u00edo, viajando en el aire.<\/p>\n

Toda la f\u00edsica tradicional muestra que la luz prefiere viajar en materiales con altos \u00edndices de refracci\u00f3n y el aire tiene el m\u00e1s bajo de ellos. Un comportamiento extra\u00f1o que es posible de aplicarse para este tipo de fibra fot\u00f3nica, con base en principios f\u00edsicos diferentes de aquellos que rigen para las fibras tradicionales. En la d\u00e9cada de 1980, los f\u00edsicos descubrieron que materiales estructurados en la escala de la longitud de onda de la luz – una fracci\u00f3n de micr\u00f3metro – pod\u00edan tener sus propiedades \u00f3pticas radicalmente alteradas.<\/p>\n

Son los cristales fot\u00f3nicos, as\u00ed llamados pues su estructura interna, regular como la de un cristal, permite controlar la conducci\u00f3n de la luz. En el caso de las fibras fot\u00f3nicas de n\u00facleo 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 n\u00facleo. La regi\u00f3n microestructurada crea entonces, alrededor del n\u00facleo, una zona prohibida para ciertas longitudes de onda, un band-gap, obligando a la luz permanecer confinada en el n\u00facleo de la fibra. Es de esa forma que la misma s\u00edlice de la fibra tradicional, ahora con una estructura regular de diminutos t\u00faneles de aire, pasa a funcionar como un nuevo material, con propiedades \u00f3pticas in\u00e9ditas.<\/p>\n

Las ventajas de las fibras fot\u00f3nicas con relaci\u00f3n 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. As\u00ed es posible proyectar y fabricar fibras para un amplio espectro de aplicaciones, aumentando la concentraci\u00f3n de la luz o alterando su propia frecuencia, por citar apenas algunos ejemplos. “Es una nueva tecnolog\u00eda que permite tener diferentes tipos de fibras dise\u00f1adas con propiedades espec\u00edficas”, destac\u00f3 el f\u00edsico brit\u00e1nico Jonathan Knight durante su visita a la Unicamp.<\/p>\n

Una de las buenas perspectivas de las fibras fot\u00f3nicas est\u00e1 en las telecomunicaciones, \u00e1rea donde, desde hace tres d\u00e9cadas, las fibras \u00f3pticas promueven una verdadera revoluci\u00f3n, con mejoras de velocidad con relaci\u00f3n a los alambres de cobre. “Las actuales limitaciones de las fibras \u00f3pticas 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 interacci\u00f3n entre el vidrio y la luz causa p\u00e9rdida de potencia y dispersi\u00f3n de la se\u00f1al luminosa, un problema en el caso de largos recorridos. La dispersi\u00f3n, entre otras caracter\u00edsticas, provoca el alargamiento de la longitud de onda de la se\u00f1al luminosa a punto tal punto de volverla irreconocible. En tanto, la p\u00e9rdida de potencia llega a ser del 96% en 100 kil\u00f3metros. Estos problemas actualmente se resuelven con los amplificadores de se\u00f1ales y otros dispositivos, pero ellos limitan el potencial de la red, porque no recuperan \u00edntegramente la se\u00f1al.<\/p>\n

“Con las fibras fot\u00f3nicas es posible controlar mucho mejor la dispersi\u00f3n y, te\u00f3ricamente, reducir la p\u00e9rdida casi a cero”, asegura Knight. La confianza en ese potencial, precisamente, fue o que llev\u00f3 al f\u00edsico a fundar en marzo de 2001, junto a sus colegas, una empresa llamada Blaze Photonics, para el desarrollo de fibras fot\u00f3nicas capaces de remplazar a los actuales cables transatl\u00e1nticos, que hoy dependen de amplificadores car\u00edsimos y del mantenimiento con submarinos. La empresa termin\u00f3 vendida por 3 millones de euros (casi 15 millones de reales) a Crystal Fibre, una firma danesa. La venta se concret\u00f3 antes de que Blaze alcanzase un prototipo comercial, pero Knight considera prometedores los resultados obtenidos. “No llegamos a obtener una p\u00e9rdida menor que la de la fibra convencional, pero esas pasaron tres d\u00e9cadas perfeccion\u00e1ndose y est\u00e1n en el limite de sus posibilidades tecnol\u00f3gicas, mientras que nosotros avanzamos muy r\u00e1pido en poco tiempo.”<\/p>\n

Por dentro de los amplificadores<\/strong>
\nSi bien para transmisiones a largas distancias las fibras fot\u00f3nicas a\u00fan no presentan ventajas, su desempe\u00f1o superior en muchas \u00e1reas las ha convertido en una opci\u00f3n para el desarrollo de nuevos dispositivos usados en telecomunicaciones como amplificadores de se\u00f1al, controladores de dispersi\u00f3n y convertidores de longitud de onda. Para aumentar la cantidad de informaci\u00f3n transmitida en estos equipamientos hoy, por ejemplo, es necesario usar un abanico mayor de longitudes de onda diferentes para transmitir simult\u00e1neamente muchos datos en la misma fibra. Los amplificadores convencionales, en cambio, s\u00f3lo amplifican una peque\u00f1a banda de longitud de onda. La soluci\u00f3n son los amplificadores param\u00e9tricos, que operan en una banda mucho mayor (lea en Pesquisa FAPESP n\u00ba 81).<\/p>\n

En el CePOF de la Unicamp, Hugo Fragnito trabaja en el desarrollo de estos amplificadores desde 2000, y este a\u00f1o inici\u00f3 una colaboraci\u00f3n cient\u00edfica con el grupo de Bath. La idea es desarrollar fibras fot\u00f3nicas especialmente proyectadas para aumentar a\u00fan m\u00e1s la banda de los amplificadores param\u00e9tricos. Para plasmar esta colaboraci\u00f3n, Paulo Dainese, alumno de Fragnito, trabaj\u00f3 durante tres meses con el grupo de Knight en Bath.<\/p>\n

En la Unicamp, el grupo de Luiz Carlos Barbosa, con los alumnos Enver Chillcce y S\u00e9rgio Oz\u00f3rio, tambi\u00e9n estudia la producci\u00f3n de sus propias fibras fot\u00f3nicas desde el 2002, un proyecto que ahora toma impulso con el regreso de Cristiano Cordeiro, que hizo un posdoctorado en esta \u00e1rea con el equipo de Knight, en la Universidad de Bath.<\/p>\n

Reci\u00e9n llegado a Brasil, y con una beca de posdoctorado de la FAPESP, Cordeiro seguir\u00e1 ahora con sus investigaciones en la universidad, abocadas al desarrollo y la caracterizaci\u00f3n de fibras fot\u00f3nicas con propiedades \u00f3pticas no lineales. Son fibras con capacidad para alterar la longitud de onda de la luz que las atraviesa. Las investigaciones de Cordeiro pretenden tambi\u00e9n explorar otra posibilidad de las fibras fot\u00f3nicas, que es la generaci\u00f3n del supercontinuo. Se trata de una luz muy fuerte y con una extensa longitud de onda, para su uso en experimentos de espectroscopia (caracterizaci\u00f3n de materiales), metrolog\u00eda y en un tipo especial de tomograf\u00eda que suministra, de manera no violenta, im\u00e1genes tridimensionales de tejidos biol\u00f3gicos (la tomograf\u00eda de coherencia \u00f3ptica), por ejemplo.<\/p>\n

Las nuevas posibilidades tecnol\u00f3gicas abiertas con el supercontinuo eran impensables con las fibras tradicionales. “Quiero trabajar y fabricar fibras fot\u00f3nicas para esas aplicaciones que son tambi\u00e9n objeto de estudio de varios grupos brasile\u00f1os”, dice Cordeiro. Un ejemplo es el equipo coordinado por Nilson Dias Vieira, del Instituto de Investigaciones Nucleares y Energ\u00e9ticas (Ipen). Vieira planea utilizar fibras fot\u00f3nicas para la generaci\u00f3n del supercontinuo que se emplear\u00e1 en experimentos de tomograf\u00eda de coherencia \u00f3ptica. La reciente visita de Knight sell\u00f3 el suministro de fibras \u00f3pticas producidas en Bath al laboratorio brasile\u00f1o. Esto va a tener lugar, incluso para los experimentos de Cordeiro, mientras se elaboren las fibras fot\u00f3nicas brasile\u00f1as.<\/p>\n

Otro proyecto de Cordeiro consiste en intentar producir en Brasil fibras fot\u00f3nicas de pl\u00e1stico (de pol\u00edmeros) en colaboraci\u00f3n con Maryanne. Estas fibras tienen un nicho potencial de mercado en las redes de telecomunicaciones: sustituir las conexiones de los usuarios finales, un \u00e1rea todav\u00eda dominada por la tecnolog\u00eda de cables de cobre que se transforma en un obst\u00e1culo para el aumento de la velocidad de transmisi\u00f3n. En el caso del pl\u00e1stico, las ventajas con relaci\u00f3n al vidrio son evidentes: es m\u00e1s barato, menos fr\u00e1gil y su m\u00e9todo de fabricaci\u00f3n permite desarrollar una gama mucho m\u00e1s amplia de estructuras fot\u00f3nicas, 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. As\u00ed, el pl\u00e1stico supera la desventaja de su menor transparencia, insignificante en el caso de distancias peque\u00f1as.<\/p>\n

En la etapa de fabricaci\u00f3n, las fibras del pol\u00edmero poseen caracter\u00edsticas diferentes que las tradicionales del vidrio que se producen a partir de una preforma de algunos cent\u00edmetros, compuesta por peque\u00f1os 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 microsc\u00f3pica, la misma estructura de la preforma original. El sistema s\u00f3lo permite producir las estructuras que pueden hacerse por medio de ese amontonamiento. Las fibras de pl\u00e1stico 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.<\/p>\n

Conexi\u00f3n de chips<\/strong>
\nEl desarrollo de estas fibras por parte del equipo de Maryanne tienen una aplicaci\u00f3n potencial no s\u00f3lo en las conexiones de la red con los usuarios finales, sino tambi\u00e9n en amplificadores y l\u00e1seres y en las conexiones internas de las computadoras y otros equipamientos. “Los dispositivos electr\u00f3nicos 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 se\u00f1ales para el aire. Nuestras fibras podr\u00e1n servir para hacer estas conexiones con el uso de la luz, permitiendo transmisiones a velocidades miles de veces superiores a las actuales”, explica Maryanne.<\/p>\n

Algunas aplicaciones de las fibras fot\u00f3nicas ya est\u00e1n 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 \u00fanica fibra \u00f3ptica. Al margen de ser m\u00e1s confortable para los pacientes que pasan por los diferentes tipos de ex\u00e1menes endosc\u00f3picos, la nueva tecnolog\u00eda permite una mejor visualizaci\u00f3n por parte del m\u00e9dico. Esto sucede porque la fibra pl\u00e1stica microestructurada tiene decenas de n\u00facleos microsc\u00f3picos por donde la luz es transportada. El aparato deber\u00e1 primeramente orientar implantes de pr\u00f3tesis en el o\u00eddo interno.<\/p>\n

El Proyecto
\n<\/strong>Centro de Investigaci\u00f3n en \u00d3ptica y Fot\u00f3nica (CePOF) de la Unicamp
\n<\/em>Modalidad
\n<\/strong>Centros de Investigaci\u00f3n, Innovaci\u00f3n y Difusi\u00f3n (Cepid)
\nCoordinador
\n<\/strong>Hugo Fragnito – Instituto de F\u00edsica de la Unicamp
\nInversi\u00f3n
\n<\/strong>R$ 1.000.000 por a\u00f1o (FAPESP)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Una nueva generaci\u00f3n de fibra \u00f3ptica abre el camino para aumentar la capacidad de las redes de telecomunicaciones y aporta innovaciones a la medicina","protected":false},"author":144,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[192],"tags":[],"coauthors":[460],"class_list":["post-78630","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-tecnologia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/78630","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/144"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=78630"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/78630\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=78630"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=78630"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=78630"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=78630"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}