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Las comunicaciones modernas:
la revolución del láser y la fibra óptica

Son las 11:30 de la noche, se encuentra en San Francisco en viaje de negocios y desea consultar los mensajes de su oficina de Virginia. En primer lugar, llama y consulta los mensajes de voz. A continuación, conecta su ordenador portátil en el enchufe de teléfono de la habitación del hotel, pulsa algunas teclas y recibe los mensajes de correo electrónico de un cliente potencial de Sudáfrica, de su hermana de Albuquerque y de un socio comercial de Detroit. Antes de responderles, realiza una investigación rápida en Internet, buscando el nombre del grupo de noticias en línea que le mencionó al hombre de Detroit y el título de un libro que desea recomendar a su hermana. Unas cuantas pulsaciones de teclas más y en unos instantes sus cartas electrónicas llegan a Albuquerque y a Detroit. Entonces, como sabe que la diferencia de hora significa que la siguiente jornada laboral ya ha comenzado en Sudáfrica, llama allí sin pensarlo dos veces.

Hace tan sólo 10 años, estas comunicaciones casi instantáneas que reducen el tamaño del mundo no hubiesen sido posibles; los componentes tecnológicos esenciales de la informática y de las comunicaciones acababan de aparecer. Posteriormente, en 1988, se instaló el primer cable de fibra óptica transatlántico, y la "superautopista de la información" estaba en camino de hacerse realidad.

Las fibras ópticas constituyen el eje central del sistema de telecomunicaciones global. Estos extraordinarios filamentos de cristal, cuyo grosor es inferior al de un pelo humano, pero cuya resistencia es superior a la del acero, fueron diseñados para transportar las grandes cantidades de datos que se pueden transmitir a través de una forma de luz relativamente nueva: los rayos láser muy concentrados. Tanto los láseres como las fibras ópticas han aumentado considerablemente la capacidad de la red telefónica internacional. Junto con las increíbles mejoras conseguidas también en el campo de la informática, la nueva tecnología de comunicaciones ha favorecido el crecimiento exponencial del fenómeno conocido como Internet.

 

Los bucles de fibras, de grosor similar al de un pelo, iluminados mediante luz láser, proporcionan el medio de transmisión para los sistemas de comunicaciones ópticos. Un cable de fibra óptica normal compuesto por 100 o más de estas fibras puede transportar más de 40.000 canales de voz. (Foto cedida por Lucent Technologies)

En el artículo siguiente se trata la concepción y el desarrollo de la tecnología láser y de las fibras que permiten la transmisión de una señal luminosa a largas distancias. En este artículo también se demuestra cómo las investigaciones básicas, que en este caso se remontan a las investigaciones realizadas por Albert Einstein en el campo de la mecánica cuántica, pueden llevar a aplicaciones prácticas importantes. Al igual que otras tantas veces, el camino estaba lleno de imprevistos y situaciones imposibles de predecir cuando se inició la investigación.

En abril de 1995, una joven estudiante de química de la Universidad de Pekín se encontraba en estado crítico en un hospital de esta ciudad. La joven estaba en coma y, aunque los médicos le habían realizado numerosas pruebas, no podían averiguar lo que le sucedía. En su desesperación, un amigo de la joven decidió solicitar ayuda y publicó un mensaje en el que describía los síntomas en varios tablones de anuncios médicos y listas de correo de Internet, la creciente red internacional de enlaces informáticos a través de líneas telefónicas. Médicos de todo el mundo, que solían consultar estas listas y tablones electrónicos, respondieron al mensaje inmediatamente.

En Washington, D.C., el doctor John Aldis, un médico del Departamento de Estado de los EE.UU., vio el mensaje de China. Recientemente había estado trabajado en Pekín y conocía a los médicos de la joven. A través de Internet, envió el mensaje a varios colegas de Norteamérica. En poco tiempo, un gran número de médicos de distintos países se unió al debate abierto en Internet. Se llegó a la conclusión de que la joven debía haberse intoxicado con talio, un metal parecido al plomo. Un laboratorio de Pekín confirmó este diagnóstico: la concentración de talio detectada en el cuerpo de la joven era 1.000 veces superior al nivel normal. El mantenimiento de las comunicaciones por correo electrónico, permitió determinar el tratamiento más adecuado. La joven comenzó a recuperarse poco a poco. Más de un año después, la comunidad médica internacional seguía controlando el estado de la joven a través de los medios electrónicos que le habían salvado la vida.

Esta historia pone de relieve la confianza cada vez mayor que tiene la sociedad en un sistema de comunicación global que le permite comunicarse de igual modo con alguien que se encuentra en una ciudad próxima o al otro lado del mundo. Personas de todo tipo utilizan diariamente la red telefónica para resolver problemas, concertar citas, transferir dinero o contratar personal. Todas estas operaciones se pueden realizar a través de un teléfono fijo, un teléfono móvil, un fax o un ordenador conectado a Internet.

El incremento de la capacidad de las líneas telefónicas que ha permitido el desarrollo de estos tipos de comunicación es un fenómeno reciente. Aunque en Estados Unidos existe un servicio telefónico para llamadas nacionales desde hace más de un siglo, no ha sido fácil realizar llamadas internacionales hasta hace relativamente poco. Durante algunos años después de la Segunda Guerra Mundial, las llamadas a Europa o Asia se basaban en señales de radio de onda corta que rebotaban contra la ionosfera, la capa eléctricamente activa de la atmósfera, que se encuentra entre 50 y 250 millas (80 y 402 km) por encima de la superficie de la tierra. En ocasiones, un operador tardaba horas en establecer una llamada de 3 minutos y, si se conseguía establecer la comunicación, eran frecuentes las interferencias debido a las perturbaciones atmosféricas.

En 1956, el primer cable transatlántico de hilo de cobre permitió la transmisión simultánea de 36 conversaciones telefónicas, un motivo de celebración entonces, un número insignificante ahora. Otros cables siguieron a éste; a principios de la década de los 60, las llamadas telefónicas internacionales habían alcanzado los 5 millones por año. A mediados de la década de los 60 comenzaron las primeras comunicaciones por satélite y en 1980 la red telefónica admitía alrededor de 200 millones de llamadas internacionales al año. Sin embargo, a medida que las exigencias con respecto al sistema de telecomunicaciones crecían, las limitaciones de la tecnología actual eran notablemente aparentes. Fue a finales de la década de los 80 cuando todos los esfuerzos realizados en el campo de las comunicaciones dieron su fruto: el aprovechamiento de la luz como medio de comunicación.

Todos los medios de comunicación modernos, señales de radio y televisión, conversaciones telefónicas, datos informáticos, dependen de una señal de portadora, una oscilación electromagnética en forma de onda con una frecuencia específica. Las señales electromagnéticas se pueden describir en función de su longitud de onda (la distancia entre las crestas de dos ondas) o su frecuencia (expresada en hercios, el número de ciclos de onda por segundo); cuanto menor es la longitud de onda, mayor es la frecuencia. Si se modula la portadora, podremos codificar la información que se va a transmitir; cuanto mayor sea la frecuencia de la portadora, mayor será la cantidad de información que la señal pueda transportar.

El cable de cobre tiene una limitación de frecuencia de 1 megahercio o 1 millón de ciclos por segundo, suficiente para transportar varias docenas de canales de voz; a frecuencias más altas, la resistencia eléctrica del cable aumenta considerablemente. Los cables coaxiales, que consisten en un conductor sólido colocado dentro de un conductor hueco para dirigir la señal entre ellos y protegerla de interferencias, predominaron después de la Segunda Guerra Mundial y se utilizaron para las líneas troncales entre ciudades; estos cables permiten alcanzar frecuencias de hasta 10 gigahercios o 10 mil millones de ciclos por segundo. Desafortunadamente, estos cables coaxiales eran relativamente caros para cubrir distancias largas y los sistemas de microondas por tierra y satélite, que funcionan a frecuencias de hasta 40 gigahercios, empezaban a alcanzar su límite práctico en lo que se refiere a su capacidad de transmisión de información por canal.

La idea de utilizar la luz visible como un medio de comunicación ya había sido concebida por Alexander Graham Bell a finales de la década de los 70, pero él no disponía de los medios para generar una frecuencia de portadora útil o transmitir la luz de un punto a otro. En 1960, un concepto introducido por Albert Einstein más de 40 años antes resultó un éxito con la invención del láser. Este éxito incitó a los investigadores a buscar un modo de convertir la luz visible en un medio de comunicación, surgiendo unos años después las fibras ópticas.

Las investigaciones que con el tiempo darían lugar al láser tuvieron su origen en una rama de la física actualmente conocida como mecánica cuántica. En 1900, Max Planck formuló la hipótesis de que los átomos excitados emitían energía en paquetes discretos, a los que denominó cuantos, y no como una emisión continua de energías, tal y como proponía la teoría de ondas de la radiación electromagnética entonces imperante. Planck nunca investigó las implicaciones de este concepto, lo que sí hizo Albert Einstein 5 años después al sugerir que la luz misma no estaba compuesta por ondas, sino por paquetes de energía (a los que después se denominó fotones); cuanto mayor es la frecuencia de la luz, mayor es el nivel energético del fotón. Einstein demostró cómo en determinadas condiciones los electrones podían absorber y emitir la energía de los fotones y, en una nueva investigación que le haría ganar el Premio Nobel, utilizó esta demostración para explicar lo que se denominó el efecto fotoeléctrico (la descarga de electrones de la materia por el impacto de la radiación, especialmente de la luz visible).

No todos estaban de acuerdo con la teoría de Einstein de la luz como partícula; la discusión continuaría un par de décadas. Pero incluso antes de que los físicos aceptaran que la luz era de algún modo tanto onda como partícula, Einstein ya había descubierto otro fenómeno. De acuerdo con el modelo de átomo de Niels Bohr, expuesto en una serie de documentos en 1913, los electrones ocupan órbitas específicas alrededor del núcleo que están determinadas por los niveles de energía de los electrones. Un electrón sólo puede absorber la cantidad exacta de energía que se necesita para transferirlo de una órbita a otra específica más alta y emite una cantidad específica de energía al pasar de una órbita a otra más baja. Esto explicó por qué los átomos de un gas determinado como, por ejemplo, el neón, emiten un patrón concreto de longitudes de onda y por qué las lámparas de descarga de vapor como las que se basan en mercurio o sodio tienen un color característico.

Los átomos que están en un estado excitado, es decir, aquellos cuyos electrones están en órbitas de mayor energía, volverán con el tiempo y de forma espontánea a su estado de mínima energía o fundamental, desprendiéndose de la energía almacenada en el proceso. En un sistema de átomos dado, esta emisión espontánea ocurre al azar y los fotones de energía se emiten en direcciones aleatorias. Einstein reconoció que si los átomos en estado excitado se encuentran con fotones de luz con la cantidad adecuada de energía (es decir, una cantidad igual a la diferencia entre los estados de mayor y menor energía), se puede originar una reacción de emisión en cadena que aumentaría la intensidad de la luz que está pasando, como si los electrones, deseosos de capturar los fotones entrantes, soltaran los que ya tienen almacenados. Además, todos los fotones se emitirían en la misma dirección que los fotones entrantes. Este proceso se denomina "emisión estimulada".

El único problema era que la amplificación por emisión estimulada sólo ocurriría si el número de átomos en estado excitado era mayor que el número de átomos en estado de mínima energía, lo que resultaba ser justamente lo opuesto a la situación normal; es decir, la emisión estimulada requería lo que se conoce como una inversión de población: provocar que una población completa de átomos entre en estado excitado, normalmente mediante su exposición a la luz.

Avancemos hasta el año 1951. Charles Townes era el director del laboratorio de radiación de la Universidad de Columbia, donde se continuaban las investigaciones iniciadas durante la Segunda Guerra Mundial acerca de la física de microondas. Townes, que estaba trabajando en la espectroscopia de microondas, estaba ansioso por utilizar longitudes de onda corta en el intervalo del submilímetro. Para ello, necesitaba reducir los osciladores mecánicos que se utilizaban entonces para generar microondas en el intervalo del centímetro, un problema que parecía insoluble hasta que se le ocurrió utilizar moléculas.

Durante los 2 años siguientes, Townes trabajó con James Gordon y Herbert Zeiger en la creación de dicho sistema. A finales de 1953, se dieron a conocer los resultados de sus investigaciones. Enviaban un haz de amoniaco a través de un campo eléctrico que desviaba las moléculas de menor energía y enviaba las moléculas de mayor energía a otro campo eléctrico; la exposición al segundo campo provocaba que todas las moléculas de amoniaco de mayor energía pasaran casi simultáneamente al estado fundamental, emitiendo fotones de microondas que tenían la misma frecuencia y circulaban en la misma dirección. Townes llamó a este dispositivo "máser" (siglas de "microwave amplification by stimulated emission of radiation"), que significa amplificación de microondas mediante emission estimulada de radiación. A medida que Townes seguía experimentando con estos dispositivos "máser", era cada vez más evidente que la emisión estimulada podía funcionar con longitudes de onda más cortas de infrarrojos y hasta de luz visible. Sedecidió acuñar el término "láser" para este dispositivo, siendo "l" la inicial de "luz". En su intento por desarrollar una teoría de la acción del láser más completa, Townes se puso en contacto con su cuñado, Arthur Schawlow, uno de los físicos de los Laboratorios Bell, uno de los principales centros norteamericanos de investigaciones de física y materiales.

Aprovechamiento de la potencia de la luz. Arthur Schawlow de los Laboratorios Bell (izquierda) y Charles Townes, de la Universidad de Columbia, publicaron "Infrared and Optical Masers" (Másers infrarrojos y ópticos) en 1958, un artículo que abrió el camino a los posteriores avances y estudios sobre la tecnología láser y sus aplicaciones. (Lucent Technologies).

A finales de 1958, el estudio de Townes-Schawlow, "Infrared and Optical Masers" (Másers infrarrojos y ópticos), fue publicado en Physical Review, una de las principales revistas de física. Este estudio incitó a una serie de científicos a intentar crear un dispositivo láser; en junio de 1960, el físico Theodore Maiman del laboratorio de investigaciones de Hughes Aircraft Company, lo logró mediante un rubí sintético.

Theodore Maiman con su láser de rubí en 1960. Los primeros láseres solían ser muy grandes y frágiles, y propensos a recalentarse. Los trabajos que se realizaron posteriormente acerca de semiconductores permitieron obtener diseños con un gran número de mejoras. (Hughes Research Laboratories, Inc.)

Los láseres, que emiten haces de luz con una mayor concentración que otras fuentes de luz, atrajeron inmediatamente el interés. En un experimento realizado en 1962, se dirigió un rayo láser de 1 pie (30,5 cm) de diámetro hacia la luna, a 240.000 millas (386.232 km) de distancia, el rayo sólo iluminó un área superficial de dos millas (3,2 km) de diámetro. Un rayo de luz normal se extendería en mayor medida al recorrer la misma distancia e iluminaría un area de 25.000 millas (40.232 km) de diámetro. Los periodistas recibieron esta nueva tecnología con gran entusiasmo y la describieron como una "luz fantástica" precursora de una nueva era. Los productores de cine presentaban a los láseres como armas de destrucción, especialmente en la película de James Bond "Goldfinger". Los científicos señalaron el gran potencial de los láseres en las comunicaciones y otros campos.

Sin embargo, a los primeros láseres todavía les faltaba mucho para satisfacer estas expectativas. Para llevar a cabo la inversión de población que permitía activar el láser se necesitaban bombas ópticas como, por ejemplo, lámparas de "flash", que sólo podían producir un impulso de energía en lugar de luz láser continua y no utilizaban eficazmente la corriente. En otra versión bastante diferente, desarrollada posteriormente en 1960 por Ali Javan, de los Laboratorios Bell, se utilizaba un tubo de cristal que contenía una mezcla de los gases helio y neón. Este láser tenía un umbral de energía más bajo y no se recalentaba, pero el tubo de cristal era demasiado grande y frágil. Los primeros láseres se parecían a los tubos de vacío que se habían utilizado anteriormente en radios, televisores y en los primeros ordenadores. En 1960, los tubos de vacío dejaron paso a los transistores, que se caracterizaban por sus reducidas dimensiones y su alta fiabilidad. ¿Podrían suponer los láseres una nueva transición?

Los transistores aprovechan las propiedades especiales de un tipo de materiales conocidos como semiconductores. La corriente eléctrica se origina con el movimiento de los electrones. Metales comunes como el cobre son buenos conductores de la electricidad debido a que sus electrones no están unidos estrechamente al núcleo del átomo y son atraídos libremente por una carga positiva. Otras sustancias como, por ejemplo, el caucho, son aislantes, malos conductores de la electricidad, dado que sus electrones no se mueven libremente. Los semiconductores, como su nombre indica, son algo intermedio entre estos dos conceptos; aunque normalmente se comportan como aislantes, es posible que en algunos casos conduzcan la electricidad.

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Cómo funcionan los láseres.
(a) Un conjunto de átomos de láser con sus niveles cuánticos representados.
(b) El proceso de bombeo óptico, en el que un gran número de átomos atrapados se estimulan hacia un nivel de energía más alto.
(c) La emisión estimulada y la oscilación del láser.
Un rayo de luz, ajustado a la frecuencia de transmisión entre los dos niveles, se envía a través del conjunto de átomos, lo que provoca que aquellos que se encuentran en un nivel de energía más alto cedan su energía al rayo de luz. Los espejos alineados en cada extremo de la cavidad del láser forman un resonador óptico, lo que provoca que el rayo de salida sea altamente monocromático o altamente direccional. (Adaptación de una ilustración cedida por la Universidad de Stanford).

Los primeros estudios sobre semiconductores se centraron en el silicio, pero el silicio en sí no puede emitir luz láser. La invención del transistor en 1948 por William Schockley, Walter Brattain y John Bardeen, de los Laboratorios Bell, estimuló el estudio de otros semiconductores. También proporcionó el marco conceptual que con el tiempo llevaría a la comprensión de la emisión de la luz en los semiconductores. En 1952, Heinrich Welker, de Siemens, Alemania, describió semiconductores de elementos de las columnas III y V de la tabla periódica como potencialmente útiles para dispositivos electrónicos. Uno de estos elementos, el arseniuro de galio o GaAs, sería muy importante en la búsqueda de un láser de comunicación eficaz. Para su total explotación fueron necesarios una serie de estudios iniciales acerca del desarrollo capa por capa de los cristales de alta pureza, investigaciones de los defectos e impurezas (impurezas añadidas a una sustancia pura para cambiar sus propiedades) y el análisis de los efectos del calor sobre la estabilidad de los compuestos. Con estos avances, los grupos de investigación de General Electric, IBM y el Laboratorio Lincoln del Massachussets Institute of Technology (Instituto de tecnología de Massachussets) desarrollaron, en 1962, los láseres de GaAs.

Sin embargo, aún persistía un antiguo problema: el sobrecalentamiento. Los láseres que usaban un solo semiconductor, normalmente GaAs, no eran muy eficaces. Todavía requerían tanta electricidad para comenzar a activar el láser que, a temperatura ambiente normal se sobrecalentaban rápidamente; por otra parte, sólo era posible el funcionamiento por impulsos, lo cual no era práctico para la comunicación. Los físicos probaron varios métodos para eliminar el calor, tales como colocar los láseres encima de otros materiales que eran buenos conductores de calor, pero no tuvieron éxito. Posteriormente, en 1963, Herbert Kroemer, de la Universidad de Colorado, propuso un enfoque distinto: construir un láser compuesto de un sándwich de semiconductores, con una fina capa activa colocada entre dos capas de materiales diferentes. Al limitar la acción del láser a una fina capa activa, se requeriría muy poca corriente y el calor desprendido se mantendría en niveles aceptables.

Dicho láser no se podía construir simplemente introduciendo la capa activa, como un pedazo de queso entre dos rebanadas de pan. Los átomos de los cristales de semiconductores están colocados en forma reticular, con los electrones formando enlaces químicos. Para crear un láser de semiconductores de varias capas con los enlaces necesarios entre los átomos, el dispositivo tenía que desarrollarse como una sola unidad, llamada cristal multicapa.

En 1967, los investigadores Morton Panish e Izuo Hayashi, de los Laboratorios Bell, sugirieron la posibilidad de crear un cristal multicapa adecuado utilizando una forma modificada de GaAs, en la que unos cuantos átomos de aluminio sustituirían parte del galio, en un proceso llamado "doping". El compuesto modificado, AlGaAs, tenía separaciones atómicas que serían diferentes a las de GaAs en una proporción de 1 en 1.000. Los investigadores propusieron que, al crecer en cada lado de la capa fina de GaAs, el AlGaAs restringiría la actividad del láser a la capa de GaAs. Todavía se necesitaban varios años de trabajo, pero el camino hacia los láseres de "estado sólido" (dispositivos de semiconductores en miniatura que funcionan siempre a temperatura ambiente) ya estaba abierto.

Todavía quedaba un obstáculo: cómo transmitir señales luminosas a largas distancias. Las ondas de radio de longitud de onda larga se propagan libremente por el aire, atravesando niebla y fuertes lluvias fácilmente. Pero la luz de láser de longitud de onda corta rebota en el vapor de agua y en otras partículas de la atmósfera hasta tal punto que se dispersa o bloquea. Un día nublado podría interrumpir un enlace de comunicación por láser. Por tanto, la luz necesitaba de un conducto, de forma análoga a las líneas telefónicas.

Las fibras ópticas ofrecían una alternativa, aunque a mediados de los años 60 no estaba nada claro que la respuesta se encontrase en esta dirección, y otras posibilidades se consideraban seriamente. La luz se canaliza por fibras de vidrio mediante una propiedad denominada reflexión interna total. En 1820, Augustine-Jean Fresnel ya conocía las ecuaciones por las que se rige la captura de la luz dentro de una placa de cristal lisa y su ampliación a lo que entonces se conocía como cables de vidrio fue obra de D. Hondros y Peter Debye en 1910. Sin embargo, no fue hasta 1964, cuando Stewart Miller, de los Laboratorios Bell, dedujo maneras detalladas de demostrar el potencial del cristal como medio eficaz de transmisión a larga distancia.

Aunque ya se conocían filamentos delgados como el pelo que transportaban luz a distancias cortas y que ya se utilizaban en la industria y en la medicina para transportar luz a lugares que de otra forma serían inaccesibles, la luz perdía normalmente hasta el 99% de su intensidad al atravesar distancias tan cortas como 30 pies (9 metros) de fibra.

En 1966, Charles Kao y George Hockham, de los Laboratorios de Standard Telecommunications en Inglaterra, afirmaron que se podía disponer de fibras de transparencia mucho mayor. En un artículo teórico, demostraron que las grandes pérdidas características de las fibras existentes se debían a impurezas diminutas presentes en el cristal, principalmente agua y metales, en lugar de a limitaciones intrínsecas del cristal. Pronosticaron que la pérdida de la luz en las fibras podría disminuir enormemente de 1.000 decibelios a menos de 20 decibelios por kilómetro. Con esta mejora, se podrían colocar amplificadores para aumentar la señal luminosa a intervalos de kilómetros, en lugar de metros, a distancias comparables a las de los repetidores que amplificaban las señales débiles en las líneas telefónicas convencionales.

Al igual que con el trabajo de Townes y Schawlow de la década anterior, el artículo de Kao-Hockham estimuló a una serie de investigadores a producir dichas fibras de baja pérdida. El gran avance se produjo en 1970 en Corning Glass Works, cuando Donald Keck, Peter Schultz y Robert Maurer lograron fabricar con éxito una fibra óptica de cientos de metros de largo con la claridad cristalina que Kao y Hockham habían propuesto. Poco después, Panish y Hayashi, de los Laboratorios Bell, mostraron un láser de semiconductores que podía funcionar continuamente a temperatura ambiente, y John MacChesney y sus colaboradores, también de los Laboratorios Bell, desarrollaron independientemente métodos de preparación de fibras.

 

En 1970, los científicos Donald Keck, Robert Maurer y Peter Schultz de Corning Glass Works fabricaron con éxito el primer lote de fibras ópticas con la transparencia suficiente para que la comunicación de fibra óptica fuese una realidad. (Corning Inc.)

Estas actividades marcaron un punto decisivo. Ahora existían los medios para llevar las comunicaciones de fibra óptica fuera de los laboratorios de física al campo de la ingeniería habitual. Durante la siguiente década, a medida que continuaban las investigaciones, las fibras ópticas mejoraron constantemente su transparencia. En 1980, las mejores fibras eran tan transparentes que una señal podía atravesar 150 millas (240 km) de fibra antes de debilitarse hasta ser indetectable. Si los mares del mundo fuesen tan transparentes, se podría navegar por las zonas más profundas del Pacífico y observar el fondo del océano tan fácilmente como el fondo de una piscina.

Pero las fibras ópticas con este grado de transparencia no se podían fabricar usando métodos tradicionales. El gran avance se produjo al darse cuenta de que el cristal de sílice puro, sin ninguna impureza de metal que absorbiese luz, solamente se podía fabricar directamente a partir de componentes de vapor, evitando de esta forma la contaminación que inevitablemente resultaba del uso convencional de los crisoles de fundición. El progreso ahora se centraba en seleccionar el equilibrio correcto de componentes del vapor y optimizar sus reacciones. La tecnología en desarrollo se basaba principalmente en el conocimiento de la termodinámica química, una ciencia perfeccionada por tres generaciones de químicos desde su adopción original por parte de Willard Gibbs en el siglo XIX.

Pese a todo, hacía falta algo más que una buena fibra para construir sistemas de comunicaciones de nivel comercial. Los láseres, que necesitaban tener una vida útil de hasta 1.000.000 de horas, todavía no eran muy fiables y fallaban tras unas cuantas horas de funcionamiento. Además, aún no existía ninguna forma económica de producir láseres fiables en las cantidades que se necesitarían.

Para sortear estas necesidades, se demostró que era posible dejar a un lado el uso de láseres. Un tipo de dispositivo más simple era el diodo emisor de luz o LED (del inglés Light-Emitting Diode), parecido a las luces indicadoras rojas y verdes de un radiocassette o un vídeo. Los LEDS demostraron que eran adecuados para transmitir un número limitado de llamadas telefónicas a lo largo de distancias moderadas, pero carecían de la eficacia y de la capacidad necesarias para los servicios de larga distancia y transoceánico.

Una vez más, era necesario recurrir al trabajo del laboratorio de investigación. Al mismo tiempo que Panish y Hayashi estaban realizando sus trabajos innovadores en cristales multicapa, dos de sus colegas de los Laboratorios Bell, J.R. Arthur y A.Y. Cho, idearon un método diferente de desarrollo de cristales, llamado epitaxia de rayo molecular o MBE (del inglés Molecular-Beam Epitaxy). "Epitaxia" es el desarrollo de cristales de un mineral sobre la superficie de los cristales de otro mineral y el método MBE era tan preciso que permitía colocar una capa de material semiconductor de espesor medido en átomos. Al reducir los electrones y la luz que emitían, esta capa extremadamente fina demostró su gran eficacia para generar la actividad del láser a la vez que se utilizaba menos corriente eléctrica, y lo que era aún mejor, los nuevos dispositivos de MBE consiguieron tener una vida útil de 1.000.000 de horas.

Recurriendo a la comprensión básica de la formación de cristales desarrollada en la década anterior por científicos de la Universidad de Bristol y de los Laboratorios Bell, las investigaciones de diferentes métodos de producción y diferentes compuestos de semiconductores continuaron durante los años 70 y en los años 80. En 1975, la tecnología de láser estaba suficientemente desarrollada para permitir que se realizaran pruebas de funcionamiento en las principales ciudades. Desde sus orígenes en la física cuántica teórica de Albert Einstein, la comunicación de fibra óptica se controlaba actualmente en las cuestiones prácticas de producción, instalación y reparación. Los ingenieros estaban especialmente preocupados por la reparación: el empalme de las fibras ópticas rotas sería una tarea semejante a cortar un pelo del cabello y luego colocarlo de nuevo en el mismo sitio.

La primera prueba se realizó en AT&T en Atlanta en 1976. Los equipos de trabajo instalaron dos cables de fibra óptica, cada uno de los cuales medía 2.100 pies (630 metros) de largo y contenía 144 fibras, tirando de ellos a través de conductos subterráneos estándar, para lo que se requería que los cables pudieran sortear curvas cerradas. Para alivio de todos, no se rompió ninguna fibra durante la instalación, ni las curvas cerradas degradaron su rendimiento. El servicio comercial comenzó al año siguiente en Chicago, donde un sistema de fibra óptica transportaba voz, datos y señales de vídeo a través de 1,5 millas (2,4 km) de cables subterráneos que conectaban dos oficinas de conmutación de la compañía telefónica de Illinois Bell Telephone Company.

La posibilidad de la instalación universal de sistemas de fibra óptica era estimulante. En los Estados Unidos, los derechos de paso de los ferrocarriles ofrecieron caminos cómodos para los cables de fibra de larga distancia, que eran tan resistentes que ni las fuertes vibraciones de los trenes pesados los perturbarían. El trabajo prosiguió lentamente al principio. En 1978, el total de fibra óptica instalada en el mundo era solamente de 600 millas (960 km). En 1980, AT&T presentó a la comisión federal de comunicaciones de EE.UU. (Federal Communications Commission) un proyecto de sistema de 611 millas (978 km) que conectaría las principales ciudades del corredor de Boston a Washington. Cuatro años después, cuando el sistema comenzó a funcionar, su cable, de menos de 1 pulgada (2,5 cm) de diámetro, proporcionaba 80.000 canales de voz para conversaciones telefónicas simultáneas. Para entonces, la longitud total de los cables de fibra únicamente en los Estados Unidos alcanzaba 250.000 millas (400.000 km), suficiente para llegar a la luna.

Pronto, cables similares atravesaron los océanos del mundo. El primer cable transatlántico comenzó a funcionar en 1988, usando un cristal tan transparente que los amplificadores para regenerar las señales débiles se podían colocar a distancias de más de 40 millas (64 km). Tres años después, otro cable transatlántico duplicó la capacidad del primero. Los cables que cruzan el Pacífico también han entrado en funcionamiento, ofreciendo un servicio telefónico fácil para el creciente comercio entre los Estados Unidos y Asia.

Entre esos desarrollos acelerados, la investigación básica continuó produciendo mejoras importantes. En los primeros sistemas de fibra óptica, los amplificadores para regenerar señales débiles constituían un cuello de botella. Aunque se pudiesen utilizar dispositivos ópticos para detectar una señal de láser entrante, se necesitaba algún tipo de sistema de circuitos electrónicos para convertirlo en corriente eléctrica, amplificar la corriente y, a continuación, activar un nuevo láser para crear nuevamente la señal óptica. Esto limitaba el sistema a la capacidad de los amplificadores electrónicos, que era considerablemente inferior a la capacidad potencial de los láseres y las fibras ópticas.

Pero en 1985, en la Universidad de Southampton en Inglaterra, un físico llamado S.B. Poole descubrió una solución. Añadiendo una cantidad pequeña del elemento erbio al cristal utilizado en las fibras ópticas se podía construir un amplificador completamente óptico. Un filamento corto de cristal recubierto de erbio conectado con la fibra principal recibiría energía de una fuente externa y actuaría como un láser por sí mismo, amplificando las señales ópticas débiles sin usar componentes electrónicos.

Los colegas de Poole en Southampton, David Payne y P.J. Mears, y Emmanuel Desurvire de los Laboratorios Bell, procedieron a transformar el descubrimiento en amplificadores de fibra óptica eficaces y prácticos. En 1991, los investigadores de los Laboratorios Bell demostraron que un sistema completamente óptico tendría una capacidad de transporte aproximadamente 100 superior a la que se podía lograr con amplificadores electrónicos. Poco después, las empresas de comunicaciones europeas y norteamericanas instalaron cables totalmente ópticos a través del Atlántico y en el Pacífico un cable comenzó a funcionar en 1996.

Indiscutiblemente, el progreso ha sido notable y rápido. Aunque estos logros son impresionantes, se vislumbran en el horizonte avances aún más impresionantes. Aunque los sistemas de fibra óptica actuales funcionan como líneas troncales, transportando un gran número de canales de voz y datos entre centrales telefónicas, los especialistas de la industria hablan con pesar de la "última milla": desde la centralita hasta los hogares. El sistema telefónico actual atraviesa esta última milla con equipos de hilo de cobre convencionales, que proporcionan buenas conexiones de voz pero todavía no están capacitados para transportar grandes cantidades de datos a gran velocidad.

El aprendizaje a distancia es tan solo una de las innovaciones mejoradas por el desarrollo de las comunicaciones de fibra óptica (Corning Inc.)

 

Las líneas de datos de gran velocidad para esa última milla ya están disponibles, y muchas empresas las tienen, pero generalmente son demasiado costosas para su uso doméstico hoy día. Sea cual sea la nueva tecnología que proporcione el último enlace crítico de personas con el resto del mundo, las investigaciones que la originen habrán surgido de científicos que buscan más allá de las necesidades inmediatas de una industria determinada, investigando procesos que aparentemente no están relacionados para comprender la naturaleza esencial del mundo.

A continuación se muestra la serie cronológica de eventos en la investigación que llevaron a las comunicaciones de fibra óptica.

1900
Max Planck inicia un campo nuevo de la ciencia, la física cuántica, demostrando matemáticamente que la materia irradia energía en paquetes discretos, a los que denomina cuantos.

1905
Albert Einstein desarrolla la teoría de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico, demostrando que la luz está formada por paquetes, posteriormente llamados fotones. En 1921, Einstein recibió el premio Nobel por este descubrimiento.

1913
Niels Bohr formula un modelo del átomo en el que los electrones ocupan órbitas específicas, o estados de energía, alrededor del núcleo, determinados por los niveles de energía de los electrones.

1917
Einstein identifica un fenómeno denominado emisión estimulada.

1951-1953
Charles Townes, del Laboratorio de Radiación de la Universidad de Columbia, descubre cómo aprovechar la emisión estimulada para generar un rayo de microondas concentrado. Townes denominó a su invención "máser", siglas en inglés de la amplificación de microondas mediante la emisión estimulada de radiación. Townes compartió el premio Nobel de 1964 por su trabajo con dos físicos soviéticos, N.G. Basov y A.M. Prokhorov, quienes habían ideado un concepto similar.

1958
Townes y Arthur Schawlow, de los Laboratorios Bell, publicaron su teoría sobre el comportamiento de la emisión estimulada con longitudes de onda más cortas, incluyendo las de la luz visible, dando origen al término "láser", siglas en inglés de la amplificación de luz mediante emisión estimulada de radiación.

1960
Theodore Maiman, de la empresa Hughes Aircraft, construye un láser usando un rubí sintético.

1962
Los grupos de investigación de General Electric, IBM y del Laboratorio Lincoln del MIT observan la actividad del láser de semiconductores usando arseniuro de galio (GaAs).

1963
Herbert Kroemer, de la Universidad de Colorado, propone reducir los requisitos de energía de los láseres y disminuir la producción de calor creando un "sándwich" de semiconductores con una capa activa fina colocada entre capas de otro material.

1966
Charles Kao y George Hockham, de los laboratorios Standard Communications de Inglaterra, publican un artículo que demuestra teóricamente que la pérdida de luz en las fibras de vidrio existentes se podía disminuir enormemente.

1970
Morton Panish e Izuo Hayashi, de los Laboratorios Bell, presentan un láser de semiconductores que funciona continuamente a temperatura ambiente. Donald Keck, Peter Schultz y Robert Maurer, en Corning Glass Works, informan de la creación de fibras ópticas que cumplen las predicciones realizadas por Kao y Hockham.

1976-1977
Comienzan las pruebas de fibras ópticas, basadas en procesos de diseño y preparación de fibras desarrollados en los Laboratorios Bell, en sistemas telefónicos de Atlanta y Chicago.

1984
Entra en funcionamiento el cable de fibra óptica de AT&T, que conecta las principales ciudades del corredor entre Boston y Washington.

1988
Se instala el primer cable de fibra transatlántico, usando un cristal tan transparente que los amplificadores están separados unas 40 millas (64 km).

1991
Emmanuel Desurvire, de los Laboratorios Bell, junto con David Payne y P.J. Meras, de la Universidad de Southampton en Inglaterra, presentan los amplificadores ópticos, como parte integral del propio cable de fibra.

1996
Se instalan todos los cables de fibra óptica a través del Pacífico. La instalación completa alrededor del mundo está prevista para el año 1997.

Este artículo ha sido adaptado por los escritores científicos Roberta Conlan y T.A. Heppenheimer, en su mayor parte a partir de un artículo escrito por Robert Laudise, Malcolm Lines y Morton Panish de los Laboratorios Bell, Lucent Technologies y R.H. Stolen de los Laboratorios de AT&T. "Beyond Discoveryâ: The Path from Research to Human Benefit" [Más allá del descubrimiento: La ruta de la investigación al beneficio de la humanidad] es un proyecto de la Academia Nacional de las Ciencias (National Academy of Sciences).

La Academia, situada en Washington, D.C., es una sociedad de eruditos distinguidos involucrados en investigaciones científicas y de ingeniería y dedicados al uso de la ciencia y tecnología para el bienestar público. Durante más de un siglo, ha proporcionado asesoramiento científico independiente y objetivo a la nación.

© 1996, U.S. National Academy of Sciences

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