Francis en Trending Ciencia: Récord de velocidad en una fibra óptica

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Muchos me habéis pedido en alguna que otra ocasión un podcast de La Ciencia de la Mula Francis. Por ello, me he apuntado a Trending Ciencia el nuevo blog de podcast de ciencia. Nos puedes seguir por Twitter, en nuestro canal en ivoox y vía suscripción en iTunes; el feed general para los feed-adictos).

Puedes oír mi primer podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como ya sabes que es mi costumbre, aquí realizaré una transcripción del podcast (bastante literal), e incluiré figuras y enlaces al artículo técnico. ¡Que lo disfrutes!

He elegido como tema para mi primer podcast sobre física un curioso avance en las tecnologías de fibra óptica. Un equipo de físicos de la Universidad de Southampton, ciudad costera del sur de Inglaterra (Reino Unido) ha logrado fabricar un cable de fibra óptica muy especial. Muy especial por tres razones. La primera porque en esta fibra óptica la luz se propaga a casi la velocidad de la luz… en el vacío. Exactamente al 99,7% de la velocidad de la luz en el vacío. Obviamente, han utilizado una fibra óptica hueca, rellena de aire. La segunda razón de que esta nueva fibra publicada en un artículo en la revista Nature Photonics, aparecido online el pasado 24 de marzo, es que han logrado unas pérdidas de sólo 3,5 dB/km. Un número bajo comparado con otras fibras ópticas huecas fabricadas en el pasado. Y finalmente, la tercera razón por la que este logro alcanzado por Francesco Poletti y sus colegas de la Universidad de Southampton es tan especial es que han alcanzado un ancho de banda de 1,48 terabits por segundo. Si una línea de banda ancha de 20 megabits por segundo te parece muy rápida, la nueva fibra alcanza casi un millón y medio de megabits por segundo.

El artículo técnico es F. Poletti et al., “Towards high-capacity fibre-optic communications at the speed of light in vacuum,” Nature Photonics 7: 279–284, Published online 24 March 2013. Figura de la fibra y sus pérdidas, figura de los modos de propagación, y figura que confirma la latencia y figura que confirma el ancho de banda alcanzado.

Permíteme describirte estos tres logros por uno a uno. Supongo que ya sabrás que la luz se propaga en un material transparente a una velocidad más baja que en el vacío. Las fibras ópticas de comunicaciones convencionales están fabricadas de vídrio, en concreto de sílice, dióxido de silicio, cuyo índice de refracción es de 1,45. Compáralo con el índice de refracción del aire que es de 1,00029, a efectos prácticos igual a 1, el del vacío. Si divides 1 entre 1,45 obtendrás 0,69, es decir, la luz en una fibra óptica se propaga al 69% de la velocidad de la luz en el vacío, o si prefieres, un 31% más lenta. Francesco Poletti, primer autor del artículo publicado online en Nature Photonics el pasado 24 de marzo, y sus colegas han logrado fabricar un nuevo tipo de fibra óptica hueca en el que la luz se propaga un 0,3% más lenta que en el vacío. Todo un récord, aunque, obviamente, no todo son ventajas.

¿Cómo se puede propagar luz por una fibra óptica hueca? La propagación de luz guiada por una fibra óptica se puede lograr por dos procedimientos diferentes: la reflexión total interna y la propagación por banda prohibida. Las fibras ópticas convencionales actúan como guías para la luz gracias a la reflexión total interna. La fibra está construido por capas y la parte central, el núcleo de la fibra, tiene un índice refracción más grande que la parte de la fibra que le rodea, el revestimiento. También hay otras capas que actúan como revestimiento para dotar a la fibra de propiedades mejoras mecánicas (recuerda que el cristal es un material frágil y hay que protegerlo) y dotarla de mejor aislamiento.

Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie que separa dos medios de diferente índice de refracción, parte de la luz se refleja y parte se transmite con un ángulo regido por la ley de Snell de la refracción de la luz. Recuerda el lápiz que parece doblarse al ser introducido en un vaso de agua. Cuando la luz incide desde un medio con un índice de refracción más grande en uno con índice de refracción más pequeño, la ley de Snell implica que hay un ángulo crítico, a partir del cual toda la luz se refleja y nada se refracta. Para ángulos de incidencia de la luz superiores a un cierto valor crítico, θc, la reflexión total interna canaliza la luz por el núcleo de la fibra y permite que se propague en grandes distancias.

Pero hay otro procedimiento para la propagación de la luz en una fibra óptica, la propagación por banda prohibida (o band gap en inglés). En una fibra hueca, cuyo núcleo está relleno de aire con un índice de refracción, el material que la rodea tiene un índice de refracción mayor, por lo que la reflexión total interna no se puede dar. Ocurre todo lo contrario, aparecen modos evanescentes que penetran en el cristal de la pared del hueco y la luz no se puede propagar. Los modos evanescentes no se pueden propagar salvo que haya algo que les impida aparecer a ciertas frecuencias, como una banda prohibida. Para lograr que aparezca una banda prohibida hay que hacer que las paredes del hueco de la fibra están microestructuradas, es decir, tengan algún tipo de patrón o estructura periódica cuyas características repetitivas tengan un tamaño comparable o menor que la longitud de onda de la luz. Se puede lograr la propagación por banda prohibidad utilizando capas concéntricas de índice de refracción alterno, en las llamadas fibras de Bragg, o utilizando una estructura de tipo panel de abeja, con hexágonos huecos, en las llamadas fibras de cristal fotónico.

En el nuevo trabajo de Francesco Poletti y sus colegas de la Universidad de Southampton se ha utilizado una fibra hueca de cristal fotónico. La estructura de panel de abeja tiene una índice de refracción efectivo entre el del aire dentro de los huecos y el de la sílice en sus paredes; para lograr que este índice de refracción efectivo sea muy pequeño, muy parecido al del aire, hay que lograr que las paredes de la estructura de panel de abeja sean muy delgadas, pero muy delgadas. Esto es lo que han logrado estos físicos en este nuevo trabajo. La primera vez que se fabricó una fibra de este tipo fue en 1998, por el grupo de Russell y desde entonces se han mejorado mucho las técnicas de fabricación. Hasta el punto que si ves una fotografía de la sección transversal de la nueva fibra, parece imposible que se sostenga. Pero así es y gracias a que las paredes de la estructura de panel de abeja son tan delgadas se ha logrado propagar luz a una velocidad de vértigo, al 99,7 por ciento de la velocidad de la luz en el vacío.

La segunda razón por la que el nuevo trabajo es interesante es porque han logrado con su diseño que las pérdidas sean muy bajas. De hecho, el gran problema de las fibras ópticas huecas (cuyo núcleo está relleno de aire) son las pérdidas. Francesco Poletti y sus colegas han logrado unas pérdidas de sólo 3,5 dB/km. Puede parecer poco, pero la fibra óptica convencional tiene pérdidas diez veces más pequeñas. El límite teórico para la sílice, en la banda de 1550 nm, es decir, usando láser en el infrarrojo cercano, es de 0,2 dB/km. Pero para fibras autoamplificadas, fibras de sílice dopadas con erbio, se han logrado pérdidas récord de sólo 0,0006 dB/km, de gran utilidad en fibras ópticas para cables submarinos. Con 3,5 dB/km las nuevas fibras ópticas huecas sólo son útiles en aplicaciones de muy corta distancia, como por ejemplo para conexiones de alta velocidad en el cableado de los circuitos dentro de superordenadores. En estas aplicaciones se necesita un gran ancho de banda, es decir, transmitir mucha información por segundo.

El tercer logro alcanzado por el nuevo tipo de fibra óptica hueca diseñada y fabricada por Franceso Poletti y sus colegas de la Universidad de Southampton ha sido alcanzar la friolera de 1,48 terabits por segundo. Si una línea de banda ancha de 20 megabits por segundo te parece muy rápida, la nueva fibra alcanza casi un millón y medio de megabits por segundo. ¿Te parece mucho? Pues no lo es tanto, aún está lejos del récord mundial absoluto, alcanzado gracias a un proyecto de la NTT (la compañía telefónica japonesa) en septiembre de 2012, nada más y nada menos que 1 petabit por segundo, mil millones de megabits por segundo. Eso sí, los japoneses lo lograron usando una fibra óptica de 12 núcleos y en una distancia de 52,4 km.

Para alcanzar un ancho de banda tan grande, los autores del artículo han utilizado la técnica de multiplexado en la longitud de onda. En lugar de enviar pulsos de un láser con un color o longitud de onda bien definido, utilizado un sistema de multiplexado que equivale a inyectar en la fibra pulsos de 37 láseres cada uno con un color ligeramente diferente (entre unos 1530 nm y unos 1560 nm). Los pulsos de cada láser alcanzan 40 Gbit/s y gracias al uso de 37 láseres se obtienen 1,48 Tbit/s. Las técnicas de mutiplexado en longitud de onda son muy utilizadas en la actualidad para incrementar la capacidad de los canales de fibra óptica gracias al desarrollo de láseres que emiten pulsos con una anchura espectral muy pequeña.

No te quiero aburrir más. Lo dicho, se ha logrado fabricar un cable de fibra óptica de cristal fotónico con núcleo hueco en el que la luz se propaga al 99,7% de la velocidad de la luz en el vacío, con pérdidas de sólo 3,5 dB/km y alcanzado un ancho de banda de 1,48 terabits por segundo. Fibras ideales para comunicaciones ópticas en aplicaciones que requieran mucha velocidad y muchos datos, pero en una distancia corta.

Lo dicho, si no has escuchado aún el audio de mi podcast, sigue este enlace. Y recuerda, todos los lunes, un nuevo podcast de Francis en Trending Ciencia.

1 Comentario

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Prof C Jiménez TProf C Jiménez T

algo realmente fascinante… al parecer vamos hacia otra època de las comunicaciones y las ciencias aplicadas…. vivas al hombre y a su virtud de busqueda de lo “imposible”…

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