La era de las fibras ópticas

Las fibras ópticas, desde los años 80, han revolucionado la era de las telecomunicaciones. Gracias a esta tecnología, actualmente es posible recibir y enviar información con una extraordinaria rapidez. Pero no solo han revolucionado la era de las telecomunicaciones; hoy en día son de gran interés en sensores de fibra óptica, en amplificadores y láseres de fibra óptica para aplicaciones médicas, industriales y de sensado remoto.

Fibra óptica, por Javier Morales, en flickr.com

Fibra óptica, por Javier Morales, en flickr.com

En su forma más simple una fibra óptica consiste en un núcleo cilíndrico de vidrio de silicio rodeado por un revestimiento cuyo índice refractivo es menor que el del núcleo. Debido a un cambio abrupto en el índice de refracción de la interfaz núcleo-revestimiento, tales fibras son llamadas fibras de índice escalonado; dichas fibras son las que se utilizan para transmisión de información a gran distancia. En un tipo diferente de fibras, conocidas como fibras de índice graduado, el índice de refracción decrece gradualmente dentro del núcleo; estas fibras se utilizan para transmisión de información en distancias cortas.

El fenómeno de reflexión total interna es el responsable de guiar la luz en una fibra óptica y se conoce desde 1854. Aunque las fibras de vidrio fueron hechas en los años 20, su uso llegó a ser práctico hasta los años 50, cuando el uso de una capa de revestimiento condujo a un considerable mejoramiento en sus características de guiado de luz. Antes de 1970 las fibras ópticas fueron usadas principalmente para aplicaciones médicas sobre distancias cortas. Su uso para propuestas de comunicaciones fue considerada impráctica debido a sus altas pérdidas (~1000 dB/km).

Sin embargo, la situación cambió drásticamente en 1970, cuando las pérdidas de las fibras ópticas fueron reducidas hasta alrededor de 20 dB/km. Futuros progresos se realizaron en 1979, cuando se fabricaron fibras ópticas con pérdidas de 0.2 dB/km cerca de 1550 nm en la región espectral.

La disponibilidad de bajas pérdidas en fibras ópticas condujo a la revolución en el campo de la tecnología de onda de luz y comenzó la era de las comunicaciones por fibra óptica. Si consideramos un sistema de comunicación con fibra óptica, la señal a ser transmitida es generalmente una señal eléctrica de forma digital. En este caso, la señal toma solamente algunos valores discretos. En la representación binaria de una señal digital solamente dos valores son posibles. El caso más simple de una señal digital binaria es cuando la corriente eléctrica está en encendido (on) o en apagado (off). Estas dos posibilidades son llamadas “bit 1” y “bit 0” (bit significa dígito binario). Cada bit dura un cierto periodo de tiempo TB, conocido como el periodo de bit. Como cada bit de información es convertido a un intervalo de tiempo TB, la razón de bit B, definida como el número de bits por segundo, es simplemente B= 1/TB. Un ejemplo bien conocido de una señal digital es proporcionado por los datos de una computadora. Cada letra del alfabeto junto con otros símbolos comunes (números decimales, signos de puntuación, etcétera) es asignado a un código numérico (código ASCII) en el rango de 0-256, cuya representación binaria corresponde a una señal digital de 8 bits. La señal digital se caracteriza por su ancho de banda, el cual es medido de su contenido espectral y representa el rango de frecuencias contenidas dentro de la señal y es determinado matemáticamente a través de su transformada de Fourier.

En la práctica, un canal de audio digital opera a 64 kb/s y un canal de video digital requiere una razón de bit de 100 Mb/s. La mayoría de los sistemas de comunicación de fibra óptica son capaces de transmitir información a una razón de bit mayor a 100 Mb/s. Para utilizar la capacidad completa de tales sistemas, es necesario transmitir muchos canales simultáneamente a través de una técnica que se conoce como multiplexión por división de longitud de onda (wavelength-division myltiplexing, WDM). Con esta técnica es posible desarrollar sistemas de transmisión del orden de decenas de Gb/s, con lo cual es posible transmitir miles de canales de audio o video. Por ejemplo con un sistema de 40 Gb/s se pueden transmitir más de 200 mil canales de audio o 400 canales de video.

Como se mencionó anteriormente, las fibras ópticas fueron atractivas en un principio para transmisión de información, lo cual revolucionó la era de las telecomunicaciones. Un sistema de comunicación requiere de relevadores o amplificadores colocados a cierta distancia, por ejemplo, los sistemas electrónicos necesitan colocar un amplificador a distancias de alrededor de 10 km. Los primeros sistemas de comunicación vía fibra óptica utilizaban amplificadores electrónicos, lo cual limitaba el ancho de banda de dichos sistemas pues dependían directamente del ancho de banda de dichos amplificadores, esto debido a que la luz se tenía que convertir a corriente eléctrica y después de amplificarla convertirla nuevamente a luz y enviarla por la fibra óptica. Por lo cual se estudió la manera de amplificar la luz directamente en la fibra óptica, y esto fue posible gracias a las fibras dopadas con tierras raras. Para el caso de amplificadores de luz en la región de 1550 nm se utilizó el Erbio que nos permite amplificar señal en esta región espectral.

Con esto se revolucionaron los sistemas de comunicación vía fibra óptica ya que no sólo fue posible incrementar el ancho de banda de dichos sistemas, sino además esto permitió colocar los amplificadores a distancias mayores a los 60 km. Con estos amplificadores fue posible instalar sistemas de comunicación transoceánicos, con lo cual, en la actualidad, es posible recibir información al instante de un continente a otro.

Sin embargo, la investigación de los amplificadores de fibra óptica no quedó ahí, pues la fibra óptica se comenzó a dopar con otras tierras raras, con lo cual nació la era de los láseres de fibra óptica. Estos láseres se han desarrollado para una gran variedad de aplicaciones tales como en soldadura en materiales, corte de materiales, aplicaciones médicas, sensado remoto y sistemas de comunicación óptica en espacio libre, por mencionar algunos. Las comunicaciones ópticas en espacio libre han crecido en los últimos años con aplicaciones de satélite a satélite y de satélite a la Tierra. Para sistemas terrenales hay un gran número de circunstancias a mitigar que ocurren con la propagación de la luz en la atmósfera. La turbulencia y dispersión por las nubes y la niebla tienen que ser cuidadosamente analizadas. Longitudes de onda cercanas a las bandas del infrarrojo pueden propagarse sin pérdidas de absorción excesivas.

En sistemas de sensado remoto (Light Detection and Ranging, LIDAR) los rangos de medidas de las propiedades atmosféricas tales como la densidad, temperatura y velocidad del viento, son hechas alrededor del globo terrestre. Debido a la escasez de atmósfera arriba de 100 km, las mediciones con LIDAR y con base en tierra son muy complicadas cuando se consideran distancias superiores a la atmósfera. Sin embargo, esta región de la atmósfera es importante tanto para el estudio científico del acoplamiento por arriba y debajo de la atmósfera relacionada al clima espacial, como al estudio práctico del medio ambiente de los satélites.

Para sensado remoto, las fuentes de luz láser de fibra óptica operan en longitudes de onda específicas que dependen del tipo de aplicación para las que fueron diseñadas. Algunas aplicaciones requieren fuentes de onda continua (continuous-wave, CW) o cuasi-CW con múltiples longitudes de onda y anchos de línea angostos o potencias moderadas (~10 W) en el régimen de ojo seguro (longitudes de onda mayores a 1550 nm) con electro-óptica externa para detectar y procesar la fase y amplitud de la señal de regreso. En muchos casos las fuentes deben de ser ligeras, compactas, robustas, operando con baja potencia eléctrica y transportables.

En cuanto a aplicaciones médicas, por ejemplo en oftalmología, un láser que emite a una longitud de onda de 1064 nm (láseres de Iterbio, Yb), permite una mayor penetración en los tejidos. Dichos láseres son igualmente prácticos en urología para la litofragmentación, fotocoagulación de tumores uroteliales y la incisión en estenosis urológicas. Los láseres que emiten un haz de luz con una longitud de onda de alrededor de 2000 nm (Holmio, Ho), son usados fundamentalmente en urología para la patología benigna de próstata al igual que para la litogragmentación intracorpórea. Otros láseres con una longitud de onda de 2100 nm (Tulio, Tm) en estudios recientes muestran que podrían competir a corto plazo con el láser de Holmio, al provocar un mínimo daño en los tejidos colaterales. Con fibras ópticas dopadas con Yb, Er, Ho y Tm es posible diseñar láseres de fibra óptica para aplicaciones médicas y de sensado remoto como las anteriormente descritas.

 

baldemar@inaoep.mx