Gotas de luz hacia una internet más veloz

Francisco Román Villatoro Machuca / Dpto. de Lenguajes y Ciencias de la Computación

La mayoría de la gente se conecta a internet gracias a una línea telefónica tipo ADSL que utiliza un cable de cobre. Algunas compañías ofrecen una conexión por fibra óptica, que además de internet incluye servicios de TV. La comunicación por fibra óptica convencional se realiza mediante la transmisión de pulsos de luz. La información se codifica en código binario, con unos y ceros; un pulso de luz representa un uno y su ausencia un cero. Cuando un pulso de cierta anchura y cierta amplitud se propaga por la fibra se ensancha (debido a la dispersión) y decae (debido a la disipación). Por ello, enviar muchos pulsos seguidos requiere separarlos entre sí una cierta distancia, lo que limita el ancho de banda, los famosos megabits por segundo (Mbps). Además, hay que introducir amplificadores que toman los pulsos y los regeneran con su anchura y amplitud iniciales para compensar la disipación.

En 1993, Philip Rosenau (Universidad de Tel-Aviv, Israel) y James M. Hyman (Laboratorio Nacional de Los Alamos, EE.UU.) publicaron en la revista más prestigiosa de física, Physical Review Letters, una ecuación sencilla cuyas soluciones mostraban un comportamiento similar al goteo de un grifo, permitiendo la propagación de pulsos de anchura constante e independiente de la amplitud a los que bautizaron como compactones. El artículo tuvo bastante repercusión entre los matemáticos aplicados gracias a una nota de prensa aparecida en el periódico SIAM News, pero entre los especialistas en telecomunicaciones pasó sin pena ni gloria, pues la nueva ecuación no es aplicable para el análisis de pulsos en fibras.

El concepto de "luz líquida" (luz capaz de formar gotas de luz) nació en el año 2002, propuesto por el español Humberto Michinel (Universidad de Vigo, España) y sus colegas en la revista Physical Review E. La luz líquida se observó en simulaciones por ordenador de ciertos materiales transparentes que no existen en la realidad (nadie conoce un material con las propiedades adecuadas). Estas gotas de luz no tenían anchura constante, no eran pulsos de tipo compactón.

La idea de los compactones ópticos surgió en diciembre de 2008, cuando Philip Rosenau y Eugene Kashdan, ambos de la Universidad de Tel-Aviv, Israel, publicaron en Physical Review Letters una ecuación con este tipo de soluciones. Los autores reconocen que parece imposible que haya un material cuyo índice de refracción esté regido por esta ecuación. La luz se mueve por un material transparente a una velocidad menor que en el aire, por ello cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua parece que se quiebra en la superficie. El secreto de la propagación de luz en una fibra óptica es que el índice de refracción del núcleo de la fibra es mayor que el del material a su alrededor, por lo que ocurre un fenómeno llamado reflexión total interna, el mismo que ocurre en los espejismos en el desierto o en una carretera.

El índice de refracción en la ecuación de compactones ópticos tiene un valor que depende de la intensidad luminosa que no corresponde con ningún material conocido. Pero podemos “engañar” a la luz y hacer que crea que se propaga por un material con un índice de refracción que en realidad no existe, lo que llamamos un índice de refracción efectivo. Para lograrlo es necesario variar las propiedades físicas del material en una escala nanométrica, más pequeña que la escala micrométrica de la luz en la fibra.

Para diseñar un material con un índice de refracción efectivo hay varias posibilidades, pero me centraré en dos. Por un lado, los llamados cristales fotónicos, materiales microestructurados, que permiten diseñar un perfil efectivo para el índice de refracción. Y por otro, los cristales líquidos nemáticos colocados entre electrodos estructurados que inducen un campo eléctrico que reorienta las moléculas del cristal líquido y perfila su índice de refracción. En la actualidad, hay técnicas de diseño permiten un control preciso de las propiedades ópticas del material resultante.

Un corte transversal de una fibra óptica de cristal fotónico presenta un núcleo sólido (o hueco) rodeado de una serie de pequeños agujeros cuya distribución simula un índice de refracción efectivo para los pulsos guiados por el núcleo. En la actualidad se fabrican utilizando técnicas muy similares a las utilizadas en la fabricación de fibras convencionales. Sin embargo, estas fibras no permiten la propagación de compactones ópticos; para lograrlo es necesario que el índice de refracción varíe a lo largo de la longitud de la fibra en una escala nanométrica. Las fibras que propagan compactones ópticos está más allá de las posibilidades que permiten las técnicas de fabricación actuales.

La fabricación de fibras ópticas (llamadas en este concepto guías ópticas) basadas en cristales nemáticos con electrodos a lo largo de su longitud presentando una estructura submicrométrica también está más allá de las posibilidades de las técnicas de frabricación convencionales. Utilizando las técnicas de fabricación de chips de silicio solo se han conseguido pequeñas guías de sección rectangular integradas en chip, pero su longitud no es suficiente para su uso en comunicaciones. Sin embargo, se ha propuesto su uso en computadores completamente ópticos, computadores basados en el uso de pulsos de luz.

El Grupo de Técnicas Computacionales Aplicadas a la Propagación de Compactones de la Universidad de Málaga se ha dedicado a estudiar las propiedades teóricas de los compactones en estos materiales utilizando simulaciones por ordenador. Nuestra esperanza es que algún día se puedan estudiar en laboratorio materiales diseñados con las propiedades adecuadas y entonces los resultados teóricos que estamos obteniendo guiarán el futuro de estas tecnologías. Investigar es soñar y nuestro sueño es que algún día las "gotas de luz" recorran fibras ópticas comerciales.