De la fibra óptica y de su principio de operación Gilberto Basilio Sánchez Cómo funcionan las fibras ópticas? Hace más de un siglo John Tyndall (1870) demostró que una fina corriente de agua podía contener y guiar luz; poco después recurrió a tubos de vidrio y más tarde a hilos gruesos de cuarzo fundido. Todos estos materiales son dieléctricos, pues en ninguno puede transmitirse la electricidad. Sin embargo, lo importante de este trabajo fue demostrar que la luz, al incidir en estos materiales a un determinado ángulo, se refleja dentro de ellos, es decir, queda confinada y puede propagarse a determinadas distancias. Esto se puede comprobar de una manera muy sencilla con un apuntador láser y la pecera de casa o un envase transparente con agua. Si en el envase o pecera, se apunta con el láser de abajo hacia arriba a la frontera entre el agua y el aire (interfase agua-aire), la luz pasará por el agua y saldrá del recipiente. Pero si se va moviendo el apuntador láser tratando de que cada vez esté más horizontal (paralelo al suelo), parte de la luz saldrá del agua y parte se reflejará hacia adentro. Si el apuntador se coloca cada vez más horizontalmente, se llegará a un determinado ángulo en que la luz ya no saldrá al aire y se reflejará totalmente dentro del agua. Este fenómeno se conoce como reflexión total interna y es el principio de funcionamiento de las fibras ópticas (ver figura 1). En ellas la luz se propaga y se conduce mediante muchas reflexiones totales internas o, simplemente, mediante reflexiones múltiples entre dos interfases. (a)
(b) Figura 1.(a)Reflexión total interna entre dos medios.(b)reflexión total interna en una interfase agua-aire Pero por qué son fibras? Para entender sus dimensiones y su forma debemos también visualizar su funcionamiento y sus primeras aplicaciones. Continuemos con el ejemplo anterior del recipiente transparente y el láser apuntando a la interfase agua-aire. Se mencionó en el ejemplo anterior que hay un ángulo donde la luz se refleja totalmente en el agua. Ahora imaginemos que el recipiente es más delgado y largo, de tal forma que la luz reflejada totalmente en el agua llega hasta la base del recipiente y no se pierde o absorbe. El haz de luz llegará al fondo con el mismo ángulo y se volverá a dar el fenómeno de reflexión total. Con un envase más delgado y más largo, la luz se reflejará tanto arriba como abajo y podrá propagarse una mayor distancia pues habrá mayor número de reflexiones entre las interfases agua-aire de arriba y agua-vidrio de abajo. Éste es un punto clave para comprender el funcionamiento de las fibras ópticas y sus dimensiones. Las fibras fueron creadas para que la luz pudiera propagarse largas distancias de manera controlada y llevar información; en consecuencia, son de dimensiones muy pequeñas y el material debe tener pocas imperfecciones para que la luz no se absorba tanto, no se disperse, pueda quedar confinada en el dieléctrico y propagarse mediante reflexiones múltiples. Sin embargo, para que se pueda dar el fenómeno de reflexión total interna no sólo es necesario contar con un material sólido y translúcido equivalente al agua por donde se pueda propagar la luz, también es necesario tener siempre una interfase entre dos materiales. Por eso se necesitan dos dieléctricos juntos que sean muy pequeños (las fibras más comunes miden aproximadamente 125 micrómetros) y un poco diferentes; es decir, uno más opaco (como el agua) que el otro (como el aire). Además, resulta que para las dimensiones de las fibras que se manejan, la luz se puede propagar de
manera más eficiente en una guía cilíndrica. Así, se puede garantizar que exista una interfase de dos materiales con una geometría constante. De esta manera existirá un mejor acoplamiento entre la fuente de luz y la guía, será más sencillo construir las fibras y se cumplirán las condiciones de una guía de las ondas luminosas. Eso explica por qué las fibras son redondas y por qué son dos cilindros de materiales dieléctricos, ambos generalmente de silicio. En ellos se distingue un núcleo o elemento del centro (agua en el caso del ejemplo) que siempre está rodeado de un recubrimiento (aire o vidrio en el caso del ejemplo). El núcleo y el recubrimiento son concéntricos y se pueden distinguir claramente en la figura 2. Fibra óptica. Dos cilindros concéntricos de material diélectrico En resumen, las fibras ópticas son pequeños hilos de un material dieléctrico que pueden guiar la luz en su interior por muchos kilómetros. Su principio básico de funcionamiento es la reflexión total interna. Este fenómeno se da cuando entre dos interfases, la luz puede incidir a un determinado ángulo, quedar confinada en el medio y reflejarse infinidad de veces. Para que la luz se guíe por un trayecto muy largo es necesario rodear el material por donde se propaga (que generalmente es cilíndrico y llamado núcleo) de un recubrimiento (también cilíndrico y concéntrico al núcleo) para mantener en todo momento una interfase y garantizar la reflexión interna. Actualmente se trabaja mucho en el mundo para producir fibras ópticas con diversas aplicaciones. En universidades y centros de desarrollo científico y tecnológico se construyen fibras casi perfectas por las cuales se puede propagar una cantidad enorme de información (cientos de canales con audio y video) por largas, muy largas distancias. De hecho,
los cables transoceánicos comunican al continente americano con el europeo mediante el cableado de fibras ópticas. Por otra parte, desde hace apenas unos 15 años, se está desarrollando una nueva línea de investigación utilizando fibras ópticas como sensores de diversos parámetros. Los sensores de fibra óptica son ya una realidad en las nuevas tecnologías y un apasionante campo de conocimiento en el que se conjugan la óptica clásica y las características y los parámetros intrínsecos de las fibras para producir aplicaciones geniales y crear dispositivos de medición compactos de alta precisión. Un ejemplo de esto último son los sensores de fibra óptica y una de las primeras aplicaciones fue la medición de gases volátiles. Las fibras no conducen electricidad pues son dieléctricas y por consiguiente no se puede producir una chispa eléctrica en ellas. Si se coloca una fibra dentro de un contenedor de gas, no existirá la posibilidad de que una falla pueda provocar un arco de electricidad o fuego que encienda al gas y haga explotar el contenedor. Con elementos sensibles al gas se puede distinguir su presencia porcentual en el aire y dar una señal de alarma si es necesario, como lo propone el grupo de trabajo de la Dra. Celia Sánchez del CCADET en la UNAM. La idea básica de este trabajo es poner un compuesto químico en la frontera del núcleo de la fibra y su recubrimiento, y tomar como referencia la cantidad de luz que sale del arreglo. El compuesto químico reacciona con la presencia del gas, y se modifican las condiciones iniciales en la interfase núcleo-recubrimiento y, por consiguiente, las condiciones de reflexión total interna también se modifican. Parte de la luz se fuga pues no cumple con el ángulo de incidencia para seguirse reflejando y la intensidad de la salida disminuye proporcionalmente a la cantidad de gas que afecta a la capa química de la fibra. Esto se explica esquemáticamente en la figura 3.
Figura 3.Esquema de un sensor de fibra óptica para la medición de gases. (a)la luz se guía normalmente en la fibra con la presencia del compuesto químico.(b)al entrar en contacto el gas con el compuesto químico, éste reacciona y cambia las características de la fibra.(c)al cambiar la interfase, parte de la luz se fuga de la fibra y disminuye la catidad de luz a la salida de manera proporcional al gas. Cabe mencionar que en México existen otros centros de investigación que trabajan con este tema. En la UNAM se encuentra el Instituto de Investigaciones en Materiales (IIM) y el Departamento de telecomunicaciones de la Facultad de Ingeniería. En la Republica encontramos el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO), el (Centro de Investigacion Cientifica y de Educacion Superior de Ensenada), y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinvestav).