Puedes agradecer a la fibra óptica por todos estos beneficios y más. Y mientras lo hace, deséele a Fiber un feliz cumpleaños número 60 en 2026.
Como científico de materiales que ha trabajado con fibras ópticas durante más de 30 años, he visto lo útiles que son y cómo los científicos trabajan para mejorarlas.
¿Qué son las fibras ópticas?
Las fibras ópticas son finas hebras de vidrio que confinan y transmiten la luz. La información codificada bajo esa luz es la forma en que nos comunicamos, miramos películas, compramos cosas y nos mantenemos conectados.
Para transmitir información a largas distancias, la fibra debe ser extremadamente clara. La magia detrás de la transparencia de la fibra óptica es una combinación de ciencia de materiales y fabricación. A medida que la luz viaja a lo largo de la fibra, poco a poco, parte se dispersa desde las propias moléculas de vidrio y se pierde. En las fibras ópticas modernas, esta pérdida es tan pequeña que la luz puede viajar cientos de kilómetros y aún ser vista.
Para transmitir información en forma de luz a largas distancias es necesario que la fibra actúe como un espejo. De esta manera, puede hacer rebotar esos fragmentos de luz en las esquinas cuando la fibra está doblada, como podría ocurrir cuando se estira como un cable eléctrico dentro de un edificio.
Las fibras ópticas constan de un núcleo interno rodeado por una capa externa llamada revestimiento, ambos hechos de vidrio. Capas protectoras de plástico rodean estas piezas de vidrio y mantienen la fibra extremadamente fuerte. El núcleo de vidrio está hecho de un material que tiene un índice de refracción ligeramente mayor que el revestimiento.
Puedes pensar en el índice de refracción como la densidad. Un material más denso tiene más átomos o moléculas para su tamaño, por lo que la luz tarda más en viajar a través de él. El índice de refracción mide esta desaceleración de la luz dentro de un material.
En tal diseño, la luz sufre una “reflexión interna total”, rebotando en la interfaz revestida del núcleo. Una característica notable de este fenómeno es que los vidrios que contienen tanto el núcleo como el revestimiento son transparentes, pero cuando se unen, la luz que incide sobre esa interfaz en ciertos ángulos se refleja como un espejo perfecto. Entonces, ¿cómo se fabrican estos tipos especiales de vidrio?
La óptica utiliza la reflexión interna total para transmitir luz a largas distancias. ciencia sencilla
En la era de las tecnologías cuánticas y la inteligencia artificial, a veces la sofisticación surge mejor de la simplicidad.
Las fibras ópticas que conectan nuestro mundo están hechas predominantemente de sílice, que también forma la arena de la playa. Sin embargo, aunque químicamente es la misma, la arena de la playa está formada por pequeños cristales de cuarzo que se han descompuesto por la erosión geológica y el embate de las olas del océano. Este origen natural agrieta la arena de la playa con impurezas que pueden absorber la luz.
Los fabricantes crean sílice a partir de fibras ópticas, llamada sílice, haciendo reaccionar químicamente gases que contienen silicio con oxígeno, lo que da como resultado un vidrio ultrapuro. Todo esto se hace mediante un proceso llamado deposición química de vapor, donde los gases que reaccionan crean capas de vidrio que se incrustan en forma de varilla. Normalmente, se utiliza silicio puro para las capas que forman el núcleo y el revestimiento, aunque para conseguir un mayor índice de refracción en el núcleo, los investigadores añaden pequeñas cantidades de otros componentes de vidrio al dióxido de silicio. La varilla terminada se llama “en blanco” o “preforma”.
Esa varilla, que contiene tanto un núcleo como una funda, luego se calienta y se transforma en una fibra delgada. Imagínese meterse un fajo de chicle en la boca; esa fina hebra es como una fibra, excepto que los científicos bajan lentamente la preforma grande al horno y rápidamente extraen las fibras diminutas.
Otra belleza del vidrio es que se ablanda de forma controlable con la temperatura. Esto nos permite a los científicos extraer fibras de manera confiable de una varilla de preforma que ya tiene un núcleo y un revestimiento incrustados en ella.
Se han construido miles de millones de kilómetros de fibra óptica para las comunicaciones globales, todas ellas con un diámetro de 125 micrómetros (una millonésima de metro) con tolerancias normalmente inferiores a un micrómetro.
Varios haces de cables de vidrio. Foto AP/Alek Brandon
Ese nivel de pureza del material y control de fabricación hace que la fibra óptica sea una maravilla moderna. Pero la fibra óptica no siempre fue tan avanzada: tomó tiempo llegar a este nivel de pureza y control.
Trivergencia
En un período de aproximadamente 10 años ocurrieron tres eventos que allanaron el camino para la red de fibra óptica actual.
En 1960, el físico Ted Maiman desarrolló el láser basándose en su predecesor de los años 50, el masajista. En 1966, hace 60 años, los experimentos de los ingenieros George Hockham y Charles Kao probaron la transparencia de varios materiales junto con algunas estructuras conductoras de luz. Descubrieron que, en teoría, la fibra de vidrio podría transportar luz a una distancia de al menos un kilómetro.
Si bien esa distancia puede no parecer muy buena hoy en día, otros sistemas de comunicación en ese momento perdieron mucha más potencia de señal.
El truco consistía en dejar el cristal lo suficientemente limpio. Con este descubrimiento, Hokham y Kao iniciaron una carrera global para crear una fibra óptica que superara este nivel de transparencia.
En 1970, los científicos de Corning Inc. utilizaron la deposición química de vapor para crear la fibra que rompió el rastro de Kao. Con estas fibras altamente transparentes y láseres más maduros para generar pulsos de luz, nació la comunicación óptica a larga distancia.
Desde 1970 hasta hoy, la claridad de la fibra óptica ha seguido mejorando y ahora se vuelve 100 veces más clara y permite que las redes conecten el mundo. Charles Kao recibió el Premio Nobel de Física de 2009 por sus “logros revolucionarios en la transmisión de luz a través de fibras de comunicación óptica”.
A través del espejo
El vidrio deja pasar mucha luz visible; puedes verla si miras por una ventana. Pero, curiosamente, es aún más claro en los colores, llamados longitudes de onda, que son invisibles para el ojo humano. Las fibras ópticas utilizadas en las redes de comunicaciones funcionan con una longitud de onda de luz de aproximadamente 1,55 micrómetros, entre 50 y 100 veces más corta que un cabello humano. En esta longitud de onda infrarroja, la interacción de la luz con el vidrio de silicio es completamente pequeña.
Desde la década de 1970 se han construido e instalado miles de millones de kilómetros de fibra óptica en todo el mundo para las comunicaciones. Pero el pequeño tamaño y peso de esta tecnología, junto con su alta resistencia, flexibilidad y transparencia, hacen que las fibras ópticas sean útiles para muchas otras aplicaciones.
Hoy en día, las fibras ópticas se utilizan como sensores de eventos geológicos, como terremotos, como monitores de infraestructura, incluidos puentes, carreteras y edificios, y como conductos para imágenes y tratamientos con láser dentro del cuerpo. La fibra óptica también se utiliza como fuente de luz en láseres ópticos utilizados en todo el mundo para mecanizado, fabricación, defensa y seguridad, solo por nombrar algunos.
Es sorprendente cómo algo que apenas interactúa con la luz puede ser la base de la mayoría de nuestras interacciones humanas. La óptica utiliza luz que no se puede ver para hacer posibles cosas sin las que la mayoría de la gente no puede vivir.
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