El uso de la luz en un sistema de comunicación óptico

Desde que el hombre tuvo el control del fuego, la luz generada por éste ha aportado confort a su vida diaria. Por ejemplo, la iluminación en la oscuridad. En ese sentido, existen evidencias arqueológicas de los sistemas de iluminación que utilizaron nuestros antepasados para sus viviendas, así como para la exploración de cuevas, sin los cuales les hubiera sido imposible el acceso a sitios recónditos. También, desde la antigüedad, el hombre ha utilizado las señales ópticas utilizando la luz, ya sea por medio de antorchas o la proveniente del Sol, como método de comunicación.

Figura 1. Arcoíris formado por la refracción cuando los rayos del Sol atraviesan pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre. Imagen tomada de http://www.eluniversohoy.com/halo-australia0140214/. Crédito: Halo solar desde Sidney, Australia. 13 de febrero de 2014. Richard Hirst.

Figura 1. Arcoíris formado por la refracción cuando los rayos del Sol atraviesan pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre. Imagen tomada de http://www.eluniversohoy.com/halo-australia0140214/. Crédito: Halo solar desde Sidney, Australia. 13 de febrero de 2014. Richard Hirst.

Fue en el siglo XVIII que algunos sistemas de comunicación, utilizando la luz solar, empiezan a ser desarrollados; ejemplo de esto es el “fotófono”, desarrollado por Alexander G. Bell, el cual era un sistema que enviaba mensajes vocales a corta distancia usando la luz solar. El heliógrafo utiliza un espejo para reflejar la luz del Sol hacia observadores lejanos; moviendo el espejo, los observadores distantes observan destellos de luz que pueden ser utilizados para enviar señales en código Morse. Por otra parte, Thomas Alva Edison logra perfeccionar la lámpara incandescente, consiguiendo que un filamento alcanzara la incandescencia, sin fundirse, durante 48 horas seguidas. A partir de este logro tecnológico, el hombre ha utilizado la luz para iluminar sus hogares, la decoración, e incluso en sistemas de comunicación. En este último sentido, un sistema de comunicación óptico es definido como cualquier forma de comunicación que utiliza la luz (natural o artificial) como medio de transmisión.

Para comprender mejor la importancia de un sistema de comunicación óptico, recordemos que la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío a una velocidad constante de 300 mil kilómetros por segundo. Es por esto que podemos observar la luz emitida por una estrella lejana hace tanto tiempo que quizás, esa estrella, haya ya desaparecido. A manera de ejemplo, un haz de luz enviado desde la Tierra a la galaxia de Andrómeda le tomaría 2.6 millones de años en llegar a su destino.

Por otra parte, el espectro electromagnético comprende desde la radiación de menor longitud de onda (rayos gamma) hasta la de mayor longitud de onda (ondas de radio), pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos. En particular, se designa como espectro visible a la región del espectro electromagnético que el ojo humano es capaz de percibir. En ese sentido, un ojo humano es sensible a longitudes de onda comprendidas de 400 nanómetros (color violeta) a 700 nanómetros (color rojo). El nanómetro es una medida de longitud utilizada para medir radiaciones y equivale a una milmillonésima parte del metro. Un ejemplo de los colores o longitudes de onda que el “detector óptico” (ojo) del ser humano puede percibir, es por medio del arcoíris. La figura 1 muestra un arcoíris, el cual es un fenómeno óptico y meteorológico que descompone la luz solar en el espectro visible continuo en el cielo, producido por refracción cuando los rayos del Sol atraviesan pequeñas gotas de agua contenidas en la atmósfera terrestre, es un arco multicolor con el rojo hacia la parte exterior y el violeta hacia el interior.

Figura 2. Esquema básico de un sistema de comunicación óptico.

Figura 2. Esquema básico de un sistema de comunicación óptico.

Fue Charles Townes, ganador del Premio Nobel de Física en 1964, quien junto con otros colegas inventó el láser (de la sigla inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) en 1951. Un láser es un dispositivo capaz de generar un haz de luz que puede permanecer con un tamaño reducido al transmitirse por el vacío en largas distancias. Estas fuentes luminosas “artificiales” han permitido los grandes avances tecnológicos actuales. Debido a sus características, los láseres de color rojo (longitud de onda de 700 nanómetros), fueron utilizados en los primeros sistemas de comunicación ópticos modernos en los años 80. Posteriormente, las nuevas tecnologías permitieron la fabricación de láseres emitiendo en longitudes de onda situadas en el rango del infrarrojo (luz no visible al ojo humano), de tal manera que los sistemas de comunicación ópticos actuales operan a 1300 y 1550 nm.

La figura 2 ilustra un sistema de comunicación óptico, el cual consiste de un transmisor, que codifica el mensaje en una señal óptica, un canal, que transporta la señal a su destino, y un receptor, que reproduce el mensaje desde la señal óptica recibida. En los sistemas de comunicación por fibra óptica se utilizan fotodiodos en el extremo receptor, de tal manera que la señal óptica que llega al final de la fibra pueda ser convertida a una señal eléctrica antes de que sea amplificada y filtrada. Después de esta última etapa, el mensaje transmitido puede ser recuperado y distribuido a los usuarios. Actualmente los servicios de telefonía, televisión de alta definición, el Internet, entre otros, son distribuidos por medio de sistemas ópticos a alta velocidad.

Dejando atrás los primitivos sistemas de comunicaciones ópticos, ahora el futuro de estos sistemas se enfoca en la investigación para transmitir información a frecuencias de entre 400 y 800 THz (espectro visible) en espacios abiertos. Un Terahertz corresponde a un billón de Hertz; la frecuencia de la línea eléctrica que utilizamos en nuestros hogares de tan solo 60 Hz. Para lograr la transmisión, se usarían LEDs (de la sigla inglesa Light Emmiter Diode, Diodo Emisor de Luz) que podrán ser instalados en bombillas convencionales y llegar a alcanzar velocidades de 1 Gbps (un millón de bits por segundo) al mismo tiempo que iluminan nuestras habitaciones. En 2011, Harald Haas profesor de la Universidad de Edimburgo, presentó su sistema D-Light de transmisión de datos a 10 Mbps con una bombilla LED y que pronto se espera llegue a los 100 millones de bits por segundo. También, científicos del Fraunhofer Institute de Berlín, están apostando por las redes que denominan Optical WLAN, en las que los datos se transmitirán a través de los elementos de iluminación de las habitaciones superando los 800 Mbps. Como vemos, el tema de las comunicaciones ópticas es un tema fascinante que está en plena evolución y cuyas posibilidades y beneficios para nuestra calidad de vida parecen no tener límites.

zaldivar@inaoep.mx