ENTORNO TECNOLOGICO

El impacto de la fibra óptica

CUAUHTEMOC VALDIOSERA R.

Desde principios de la década de 1980 se ha empezado a utilizar radiación electromagnética, o sea de fotones, para la transmisión de señales. Estas señales se transmiten en cables de vidrio especial que han ido remplazando a los cables metálicos, de cobre, en los que se envían las señales por medio de corrientes eléctricas. De esta manera se ha iniciado una revolución en las comunicaciones, que se vislumbra culminará en el próximo siglo con un cambio total en los dispositivos que ahora usamos basados en la electrónica.

¿Pero cómo es esto posible? Para conducir luz a lo largo de una fibra óptica se utiliza el fenómeno de reflexión. En efecto, se puede transmitir un rayo de luz a través de una fibra usando el fenómeno de reflexión total y alimentando el rayo a un ángulo tal que forme, con la normal a las paredes, un ángulo de incidencia mayor al crítico.

Una fibra óptica consiste en un cilindro de material con un índice muy alto de refracción relativo al aire. En este caso la trayectoria que sigue un rayo de luz no es rectilínea, como en el caso de las paredes paralelas. Ahora los rayos se propagan en curvas en hélice. Si se ilumina un extremo de la fibra, el haz saldrá por el otro extremo, aun si la fibra tiene forma curvada.

La idea de utilizar la reflexión total para transmitir señales luminosas fue demostrada por primera vez en Inglaterra por John Tyndall, en 1870. Su principal problema fue que los materiales que utilizó ocasionaban pérdidas grandes y, como el haz de luz se dispersaba, la longitud útil fue muy pequeña.

Fue en 1950 cuando se empezó a pensar en serio en utilizar fibras ópticas en la iluminación remota, la transmisión de imágenes para aplicaciones médicas, como la endoscopía, en que por medio de una fibra óptica que se introduce en el cuerpo del paciente el médico puede ver con detalle lo que ocurre, por ejemplo, el corte que está haciendo con un bisturí. En algunas tiendas de lámparas venden fibras en forma curva que emiten luz solamente en su extremo.

En 1966, K.C. Kao y G.A. Hockham, de Standard Telecomunications Laboratories, de Inglaterra, fueron los primeros que propusieron la utilización de fibras de vidrio y luz de láser en lugar de conductores metálicos y electricidad en la transmisión de mensajes telefónicos. Propusieron el uso del láser en vista de que un haz de esta radiación no se dispersa.

Sin embargo, para poder usar fibras de vidrio fue necesario un arduo trabajo de investigación de las propiedades de los materiales, tanto para disminuir las pérdidas debidas a las impurezas en el vidrio como para lograr gran resistencia de las fibras, con el propósito de que no fuesen frágiles.

La empresa Corning Glass, de Estados Unidos, comenzó en 1967 un proyecto de investigación sobre la utilización de vidrio para construir fibras ópticas, En 1970 obtuvo, después de mucho esfuerzo, una fibra de vidrio de grueso igual al de un cabello, que tenía una atenuación razonable. Sin embargo, todavía faltaría una década de intensa investigación para lograr atenuaciones extremadamente pequeñas. Fue apenas en 1983 cuando recibió su primer pedido de la compañía telefónica MCI para el cableado de sus líneas con fibras ópticas. De esta manera se empezó a "hablar con luz".

Hay varias ventajas de las fibras ópticas sobre los cables metálicos que conducen electricidad. En primer lugar, con la luz de láser las pérdidas son notablemente menores.

En segundo término, con las fibras ópticas se incrementa notablemente la capacidad de enviar mayor número de señales simultáneas. Así, una fibra del grueso de un cabello puede transmitir 6 mil llamadas telefónicas, lo que se haría con un lío de alambres de cobre de 10 centímetros de grueso.

En tercer lugar, debido a que con las fibras ópticas la señal va contenida en un rayo de luz, no hay posibilidad de que durante su transmisión se vea interferida por agentes ajenos, como ocurre con las señales eléctricas.

En cuarto lugar, son mucho más económicas.

Actualmente se está llevando a cabo una transformación en muchos lugares del mundo y se están cambiando líneas eléctricas por fibras ópticas, como en los cableados telefónicos en las ciudades. Las fibras ópticas están remplazando a los conductores de cobre debajo de las calles y en las profundidades de los océanos.

La transmisión de comunicaciones por medio de fibras ópticas ha tenido ya un impacto tremendo en el manejo de transmisión de información. Ya se vislumbra que los sistemas con fibras ópticas operen a velocidades extremadamente altas, lo que incrementará en forma extraordinaria sus capacidades; por ejemplo, será posible que un par de fibras tenga capacidad para conducir 50 mil llamadas telefónicas simultáneas.

Se ha complementado el sistema de transmisiones con base en fibras ópticas con el desarrollo de láseres microscópicos, como fuentes de luz. Los primeros láseres pequeños, fabricados con materiales semiconductores, que fueron construidos en la década de los setenta, eran del tamaño de un grano de sal de mesa y se pudieron adaptar fácilmente a las fibras ópticas.

En la actualidad, los láseres semiconductores son aún más pequeños. Dos millones de ellos caben en un bloque del tamaño de una uña.

En la actualidad, en los circuitos electrónicos las conexiones tradicionales hechas con cables metálicos se están remplazando por fibras ópticas y láseres semiconductores como fuentes de radiación. Sin embargo, una vez que la luz sale de la fibra, se necesita reconvertirla en señal eléctrica para alimentarla a los dispositivos electrónicos que usan electricidad. Por ejemplo, las conexiones entre chips de computadoras se pueden hacer por medio de fibras ópticas.

Hasta el momento las líneas telefónicas con fibras ópticas que se han colocado en muchas ciudades solamente conectan un poste con el siguiente, y del poste al hogar o la oficina todavía hay cableado con alambres que conducen electricidad. Una vez que éstos se cambien por fibras ópticas, hecho que a la larga ocurrirá, aumentará mil veces la capacidad de información y se podrán hacer cosas como comprar por medio de la televisión, instalar videófonos, que no solamente transmiten la voz, sino también envían imágenes,

De la misma forma en que las fibras ópticas han iniciado la transformación radical de las comunicaciones, también han empezado una revolución en algunos aspectos de la medicina. Por medio de estas fibras se ha abierto una ventana hacia los tejidos del cuerpo humano. Insertando fibras ópticas a través de aberturas naturales o pequeñas incisiones, y ensartándolas a lo largo de arterias u otras trayectorias, los médicos pueden observar los pliegues del intestino, las cámaras del corazón y muchas otras regiones antes inaccesibles.

La primera aplicación médica de las fibras ópticas fue en sistemas de imágenes, llamados fibrascopios, y se llevó a cabo en 1957 por Basil L. Hirschowitz y Lawrence Curtis, de la Universidad de Michigan. Ellos construyeron el primer fibrascopio para observar el estómago y el esófago.

A partir de esa fecha los dispositivos se han refinado de tal forma que pueden inspeccionar prácticamente cualquier órgano o sistema del cuerpo humano.

Las fibras ópticas usadas en medicina han sido incorporadas en el fibrascopio, compuesto por dos manojos de fibras ópticas. Uno de ellos conduce luz visible y sirve para iluminar el tejido bajo escrutinio, y el otro se utiliza para transmitir la imagen.

El manojo que ilumina recibe la luz de una fuente de alta intensidad y a la salida ilumina el tejido. La luz reflejada se recoge en el otro manojo, que la transmite a algún medio que la transforma en una imagen de televisión o en una fotografía.

Se ha añadido al fibrascopio otro manojo de fibras ópticas que transmite radiación de láser con el fin de realizar alguna operación, como la eliminación de bloqueos de una arteria. Si este bloqueo no es tratado, produce un ataque mortal al corazón. Por medio del manojo de iluminación el médico puede ver la placa que bloquea la arteria. Entonces se acciona un globo elástico con el fin de impedir el flujo de sangre mientras dura la intervención. En seguida se envía un haz de radiación de láser por el tercer manojo de fibras ópticas, que por ser energético vaporiza la placa y destruye el bloqueo. Posteriormente se desinfla el globo y se restablece la circulación. De esta manera se puede remover el bloqueo sin necesidad de operaciones peligrosas y costosas.

Una importante aplicación de las fibras ópticas en la medicina ha sido la de proveer energía de radiación láser dentro del cuerpo, directamente a los órganos de interés, para realizar cirugía y terapia, eliminando en gran medida los procedimientos invasivos en los cuales tejidos sanos se deben cortar o eliminar con el fin de poder llegar al lugar de la enfermedad, como ocurre con las operaciones tradicionales. Así, con ayuda de las fibras ópticas ya empieza a ser posible el tratamiento de tumores y cánceres, pues se destruyen las células malignas sin dañar los tejidos vecinos.

En varios laboratorios del mundo, por ejemplo en ATT Bell Laboratories de Estados Unidos, se está llevando a cabo un notable esfuerzo de investigación para construir dispositivos que realicen con fotones, o sea con luz, funciones que hasta ahora se han logrado con medios electrónicos, como en los amplificadores, rectificadores, transistores, etcétera.

En enero de 1991 se terminó de construir un prototipo de computadora en la que el procesador funciona por medios ópticos y las conexiones se realizan por fibras ópticas. Este procesador no utiliza electricidad, sino luz para procesar la información. Aunque todavía en fase muy primitiva, el procesamiento fotónico ofrece la promesa de computadoras con tiempos de procesamiento de entre mil y 10 mil veces menores a los que ofrecen las electrónicas.

Esto es un avance de lo que seguramente vendrá en el futuro, un cambio progresivo de la electrónica a la fotónica. Es posible que la fotónica no logre remplazar completamente a la electrónica, pero realizará funciones que hasta ahora han estado fuera de la capacidad de la electrónica y la empezará a suplantar en muchos campos. Una notable ventaja posible será la conexión, por medios fotónicos, de componentes que realizan diferentes funciones y que se encuentran en distintos lugares, es decir, conexiones sin necesidad de cables, lo cual nos liberará de las restricciones físicas del cableado.

En esta década y posiblemente más allá, veremos la transición de la computación hacia la fotónica. Las conexiones inalámbricas de la fotónica proveerán computación prácticamente instantánea, ya que las señales electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz. Además, debido a que los rayos de luz no interaccionan entre sí, serán factibles arquitecturas de computación paralelas en forma masiva. Esto es muy importante, ya que con las conexiones tradicionales se está llegando al límite de lo que físicamente es posible en la miniaturización.

Otra posibilidad importante será el uso de la fotónica en interruptores y conmutadores, que junto con la transmisión y computación fotónicas tendrán un extraordinario efecto en la revolución de las telecomunicaciones que se está dando en la década presente.