LA REVOLUCIÓN DE LA LUZ: FIBRA ÓPTICA Y GUÍAS DE ONDA
La fibra óptica ha ganado terreno en la carrera tecnológica, pues busca economizar y hacer más eficiente el uso de los recursos disponibles. A más de una persona se le ha cruzado por la mente la pregunta de cómo funciona la fibra óptica.
La respuesta es con la manipulación de la luz. ¡Sí!, sólo con luz viajando a través de pequeños filamentos a lo largo de cientos de kilómetros se logran maravillas. Termina transmitiéndose y codificándose un montón de información de forma rápida y eficaz, más que de las formas convencionales, uniendo así a dos lugares muy lejanos en la Tierra. ¿Increíble? ¿Cómo lo hace? Empecemos con nuestro ingrediente principal, la luz.
La luz tiene diversas propiedades bien conocidas desde hace muchos años, entre ellas nombraremos dos: la refracción y lareflexión. Ya conocemos a la reflexión. Esta la vemos cuando la luz se refleja en el espejo, en una cuchara de metal, en el agua, en las ventanas y hasta en medios opacos. Fun fact: ¿sabías que el color de tu ropa es debido a la luz que se refleja en ella?).
Por otro lado, el segundo fenómeno, la refracción, también está en todas partes, sólo que hay que ponerle más atención (spoiler: va a ser el pilar de nuestro tema). Para entender a la refracción de la luz, imagina que en un vaso tienes agua y aceite, que claramente no se van a mezclar. Abajo queda el agua, arriba el aceite. Ahora imagina que haces incidir un rayo de luz desde el aceite, hasta llegar con el agua (la figura 1). Claramente el rayo pasará de un medio al otro, pero si pones atención, te darás cuenta de que la dirección del rayo cambió al entrar al medio acuoso. No será la misma con la que viajaba en el aceite.
ponte a jugar con los ángulos del rayo y encontrarás un ángulo bien especial, en el cual la luz dejará de transmitirse del aceite al agua
Espera, si pones un poco más de atención, verás que no toda la luz pasó al segundo medio, una pequeña fracción rebotó al llegar a la frontera entre ambos compuestos y se reflejó de vuelta (figura 2). ¡Fascinante!
Ahora ponte a jugar con los ángulos del rayo, mueve el láser, inclínalo más, ahora menos (figura 3) y encontrarás un ángulo bien especial, en el cual la luz dejará de transmitirse del aceite al agua; en lugar de eso se reflejará completamente, no hay luz que logre pasar al otro medio, como si de un espejo se tratase, pero recuerda que no hay espejo, sólo la frontera entre agua y aceite. Este fenómeno bien curioso se llama reflexión total interna y lo hemos logrado haciendo que el rayo entre desde el líquido con mayor índice de refracción (aceite), hacia el de menor índice (agua). Hay que repetirlo: esto sólo se logrará a un ángulo específico, este variará dependiendo tanto de los materiales como de la luz utilizada y le llamaremos ángulo crítico.
Y esto funcionará con líquidos y también con polímeros transparentes, cristales, etc. Entonces, ¡tenemos todo listo! Hagamos ahora una guía de onda (figura 4). Esta es una fibra de material dieléctrico transparente con cierto índice de refracción. A este material le llamaremos núcleo de la guía. El núcleo estará rodeado por un segundo material llamado recubrimiento (de menor índice que el núcleo). ¿Ya ves por dónde va la cosa? El aceite hará el papel del núcleo, el agua el del recubrimiento.
La luz que podemos transmitir, manipular, combinar, desacoplar y medir abre una gran gama de posibilidades en la codificación de información.
Lo que se busca es encontrar ese ángulo que permita que se refleje toda la luz entre las fronteras del material. El rayo entra por el núcleo, llega hacia arriba, rebota con el recubrimiento, viaja hacia abajo, rebota con el recubrimiento, regresa para arriba y la historia continúa. Es decir, la guía de onda aprovecha la reflexión total interna de la luz para permitir que este viaje grandes distancias.
En esta dinámica, la luz tiene una mínima pérdida de energía a comparación con la reflexión convencional de la luz en recubrimientos reflejantes, y además puede viajar grandes distancias sin necesidad de hacerlo en línea recta (sería poco práctico tener que utilizar cables de cientos de kilómetros que deban ser completamente rectos). Si a esto le agregamos que diversos impulsos de luz viajan por la fibra y a través de la superposición de varios de ellos, los rayos se refuerzan, aumentando así la eficiencia de la guía, entonces podemos imaginar las ventajas que este invento conlleva.
Y así como podemos transmitir luz de distintas frecuencias (colores), cada una con su correspondiente ángulo (y otras características), podemos enviar aún más información a través de una sola guía de onda. Una propiedad importante que posee la luz es que esta puede combinarse sin destruirse. Es decir, dos rayos distintos de luz pueden coexistir en una misma guía y al final, por medio de técnicas simples pueden separarse, obteniendo así la información original. Sólo piensa en una cosa más: ¡la rapidez con la que puede viajar la luz en un medio!
Con una fibra óptica compuesta por decenas de guías de onda, la utilidad de este medio crece exponencialmente. La luz que podemos transmitir, manipular, combinar, desacoplar y medir abre una gran gama de posibilidades en la codificación de información.
El desarrollo de la fibra óptica fascina a mucha gente; es uno de los pilares más fuertes de la ciencia del futuro. Lo más emocionante es que ese futuro ya no parece muy lejano.
Se pueden elaborar guías de onda de diferentes materiales, formas, tipos de recubrimiento, diámetros. Por ejemplo, puede hacerse una donde el cambio entre el núcleo y el recubrimiento sea graduado, con lo que la reflexión total interna se produce de manera más sutil (figura 5).
La óptica geométrica (la que te hace visualizar a la luz como rayos transmitidos y reflejados), proporciona una vista general del funcionamiento de una guía de onda. Pero para un verdadero estudio, los físicos ópticos y especialistas en fotónica desarrollan técnicas desde un punto de vista donde la luz sea comprendida como campos electromagnéticos, como ondas que tienen frecuencias, interferencias destructivas, cantidades de modos de vibración. Y aún más allá, los especialistas se adentran en el mundo de la óptica cuántica, que requiere de un entendimiento más abstracto de este fenómeno con ayuda de una de las grandes revoluciones de la ciencia: la mecánica cuántica
Es por eso por lo que el desarrollo de la fibra óptica fascina a mucha gente; por todas las razones ya mencionadas y otras más, es uno de los pilares más fuertes de la ciencia del futuro. Lo más emocionante es que ese futuro ya no parece muy lejano.
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Que la curiosidad nunca muera.
