La nueva generación de fibras ópticas

Las fibras ópticas convencionales permiten, por medio de los ordenadores, televisores o teléfonos de los hogares, acceder al inmenso mundo de la información digital. Estas estructuras están basadas en un principio físico muy simple, el de las múltiples reflexiones que sufre la luz en su interior. La sección transversal de una fibra óptica común suele estar constituida por un núcleo central hecho de un vidrio transparente con un índice de refracción alto rodeado por una zona exterior más extensa, la envoltura, de índice de refracción menor. Los rayos inyectados en el núcleo central se reflejan al incidir sobre la envoltura permaneciendo en el núcleo debido a las sucesivas reflexiones internas que experimentan a lo largo de su trayectoria. Si la incidencia es suficientemente rasante sobre esta interfase, los rayos son reflejados en su totalidad (fenómeno conocido como reflexión total interna), lo que posibilita transmitir la luz de un extremo al otro de la fibra idealmente sin pérdida de intensidad lumínica.Esto nos da pie para afirmar que el funcionamiento de las fibras ordinarias puede explicarse apoyándose en argumentos puramente geométricos.

Varias empresas se han lanzado a la puesta a punto de la tecnología para comercializarla

Por otro lado, la idea de controlar y modificar las propiedades de un haz de luz (fotones) de manera análoga a como lo hace la estructura de un cristal con su nube de electrones libres, base de toda la tecnología de semiconductores, se ha hecho realidad con un nuevo tipo de materiales ópticos denominados cristales fotónicos. La propiedad más relevante de los cristales fotónicos es la posibilidad de generar bandas de frecuencias prohibidas en las que la propagación luminosa no está permitida.

Basándose en este fenómeno, ha aparecido muy recientemente (los primeros resultados, que fueron experimentales, datan del año 1996) un nuevo concepto de fibra óptica totalmente distinto al convencional: el de las denominadas fibras de cristal fotónico. Estas estructuras están formadas por una fibra delgada de sílice que presenta una distribución regular de agujeros de aire que se extienden a lo largo de toda su longitud. Esta distribución periódica está rota por la ausencia de uno de los agujeros, lo que conlleva la aparición de un defecto. La región en torno al defecto actúa como el núcleo central de la fibra, mientras que la estructura periódica que lo rodea constituye la envoltura que opera como un cristal fotónico bidimensional. Así pues, bajo iluminación paralela en eje, es posible generar modos confinados en la región del defecto cuya propagación transversal está inhibida por la estructura periódica envolvente.

Es importante percatarse de que estas nuevas fibras están constituidas por un único tipo de vidrio y lo que se pretende es controlar sus propiedades de guiado modificando sus parámetros geométricos.

Dos conclusiones se hacen evidentes. Por una parte, la distribución transversal del índice de refracción en estas fibras es mucho más compleja por lo que su descripción matemática es bastante más ardua. Por otro lado, el mecanismo de confinamiento de la luz en estas fibras es radicalmente diferente al de las fibras al uso puesto que requiere argumentos propios de fenómenos ondulatorios y se interpreta como un fenómeno de interferencias múltiples con los agujeros de la estructura periódica.

De entre las innumerables nuevas aplicaciones de este tipo de fibras destaca sorprendentemente su uso en metrología (que estudia, por ejemplo, la definición del estándar de tiempo). Las fibras de cristal fotónico juegan un papel crucial en la construcción de un nuevo reloj óptico de una precisión inimaginable con la tecnología actual (EL PAÍS, 12 de septiembre de 2001).

En concordancia con estos nuevos horizontes tecnológicos, varias empresas se han lanzado a la puesta a punto de la tecnología de esta nueva generación de fibras ópticas para aplicaciones comerciales. Un ejemplo de estas compañías pioneras lo constituye el consorcio de empresas NKT, con sede central en Copenhague. Nótese el vertiginoso proceso de transferencia tecnológica que ha conducido desde los primeros resultados experimentales del año 1996 a la creación de una firma dedicada a su explotación comercial.

La mencionada complejidad estructural de las fibras de cristal fotónico imposibilita su descripción mediante análisis convencionales. El grupo de fibras ópticas de la Universidad de Valencia ha sido uno de los equipos pioneros en la modelización de esta nueva generación de fibras y ha desarrollado unas potentes herramientas numéricas de simulación de las propiedades de las mismas. En los últimos años se ha potenciado un vasto programa de investigación dedicado al análisis de las propiedades de dichos sistemas, incorporando investigadores de la Universidad Politécnica de Valencia. Como resultado de este impulso se ha establecido una activa colaboración con NKT Research & Innovation con vistas a dar una respuesta europea a la carrera por liderar este nuevo reto tecnológico.

Pedro Fernández de Córdoba es profesor del Departamento de Matemáticas Aplicadas de la Universidad Politécnica de Valencia; Albert Ferrando y Pedro Andrés son profesores del Departamento de Óptica de la Universidad de Valencia