La nueva generaci¨®n de fibras ¨®pticas

Las fibras ¨®pticas convencionales permiten, por medio de los ordenadores, televisores o tel¨¦fonos de los hogares, acceder al inmenso mundo de la informaci¨®n digital. Estas estructuras est¨¢n basadas en un principio f¨ªsico muy simple, el de las m¨²ltiples reflexiones que sufre la luz en su interior. La secci¨®n transversal de una fibra ¨®ptica com¨²n suele estar constituida por un n¨²cleo central hecho de un vidrio transparente con un ¨ªndice de refracci¨®n alto rodeado por una zona exterior m¨¢s extensa, la envoltura, de ¨ªndice de refracci¨®n menor. Los rayos inyectados en el n¨²cleo central se reflejan al incidir sobre la envoltura permaneciendo en el n¨²cleo 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 (fen¨®meno conocido como reflexi¨®n total interna), lo que posibilita transmitir la luz de un extremo al otro de la fibra idealmente sin p¨¦rdida de intensidad lum¨ªnica.Esto nos da pie para afirmar que el funcionamiento de las fibras ordinarias puede explicarse apoy¨¢ndose en argumentos puramente geom¨¦tricos.

Varias empresas se han lanzado a la puesta a punto de la tecnolog¨ªa para comercializarla

Por otro lado, la idea de controlar y modificar las propiedades de un haz de luz (fotones) de manera an¨¢loga a como lo hace la estructura de un cristal con su nube de electrones libres, base de toda la tecnolog¨ªa de semiconductores, se ha hecho realidad con un nuevo tipo de materiales ¨®pticos denominados cristales fot¨®nicos. La propiedad m¨¢s relevante de los cristales fot¨®nicos es la posibilidad de generar bandas de frecuencias prohibidas en las que la propagaci¨®n luminosa no est¨¢ permitida.

Bas¨¢ndose en este fen¨®meno, ha aparecido muy recientemente (los primeros resultados, que fueron experimentales, datan del a?o 1996) un nuevo concepto de fibra ¨®ptica totalmente distinto al convencional: el de las denominadas fibras de cristal fot¨®nico. Estas estructuras est¨¢n formadas por una fibra delgada de s¨ªlice que presenta una distribuci¨®n regular de agujeros de aire que se extienden a lo largo de toda su longitud. Esta distribuci¨®n peri¨®dica est¨¢ rota por la ausencia de uno de los agujeros, lo que conlleva la aparici¨®n de un defecto. La regi¨®n en torno al defecto act¨²a como el n¨²cleo central de la fibra, mientras que la estructura peri¨®dica que lo rodea constituye la envoltura que opera como un cristal fot¨®nico bidimensional. As¨ª pues, bajo iluminaci¨®n paralela en eje, es posible generar modos confinados en la regi¨®n del defecto cuya propagaci¨®n transversal est¨¢ inhibida por la estructura peri¨®dica envolvente.

Es importante percatarse de que estas nuevas fibras est¨¢n constituidas por un ¨²nico tipo de vidrio y lo que se pretende es controlar sus propiedades de guiado modificando sus par¨¢metros geom¨¦tricos.

Dos conclusiones se hacen evidentes. Por una parte, la distribuci¨®n transversal del ¨ªndice de refracci¨®n en estas fibras es mucho m¨¢s compleja por lo que su descripci¨®n matem¨¢tica es bastante m¨¢s 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 fen¨®menos ondulatorios y se interpreta como un fen¨®meno de interferencias m¨²ltiples con los agujeros de la estructura peri¨®dica.

De entre las innumerables nuevas aplicaciones de este tipo de fibras destaca sorprendentemente su uso en metrolog¨ªa (que estudia, por ejemplo, la definici¨®n del est¨¢ndar de tiempo). Las fibras de cristal fot¨®nico juegan un papel crucial en la construcci¨®n de un nuevo reloj ¨®ptico de una precisi¨®n inimaginable con la tecnolog¨ªa actual (EL PA?S, 12 de septiembre de 2001).

En concordancia con estos nuevos horizontes tecnol¨®gicos, varias empresas se han lanzado a la puesta a punto de la tecnolog¨ªa de esta nueva generaci¨®n de fibras ¨®pticas para aplicaciones comerciales. Un ejemplo de estas compa?¨ªas pioneras lo constituye el consorcio de empresas NKT, con sede central en Copenhague. N¨®tese el vertiginoso proceso de transferencia tecnol¨®gica que ha conducido desde los primeros resultados experimentales del a?o 1996 a la creaci¨®n de una firma dedicada a su explotaci¨®n comercial.

La mencionada complejidad estructural de las fibras de cristal fot¨®nico imposibilita su descripci¨®n mediante an¨¢lisis convencionales. El grupo de fibras ¨®pticas de la Universidad de Valencia ha sido uno de los equipos pioneros en la modelizaci¨®n de esta nueva generaci¨®n de fibras y ha desarrollado unas potentes herramientas num¨¦ricas de simulaci¨®n de las propiedades de las mismas. En los ¨²ltimos a?os se ha potenciado un vasto programa de investigaci¨®n dedicado al an¨¢lisis de las propiedades de dichos sistemas, incorporando investigadores de la Universidad Polit¨¦cnica de Valencia. Como resultado de este impulso se ha establecido una activa colaboraci¨®n con NKT Research & Innovation con vistas a dar una respuesta europea a la carrera por liderar este nuevo reto tecnol¨®gico.

Pedro Fern¨¢ndez de C¨®rdoba es profesor del Departamento de Matem¨¢ticas Aplicadas de la Universidad Polit¨¦cnica de Valencia; Albert Ferrando y Pedro Andr¨¦s son profesores del Departamento de ?ptica de la Universidad de Valencia