Francisco Ramos Pascual. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia.
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En la actualidad, la principal limitación de las redes ópticas de alta velocidad se encuentra en los dispositivos de conversión opto-electrónica (O/E) y electro-óptica (E/O), por lo que el disponer de la capacidad de procesar señales directamente sobre la propia fibra óptica supone un enorme potencial. A esto se añade el hecho de que el principal coste de los dispositivos fotónicos se encuentra en el empaquetado, siendo deseable evitar en lo posible los interfaces de acoplamiento de luz entre fibras y dispositivos ópticos. En este artículo se muestran dos ejemplos de técnicas que permiten la fabricación de dispositivos en el interior de fibras para realizar funcionalidades típicas de las redes ópticas. Estos descubrimientos pueden conducir en el futuro a una Internet más rápida y barata.

Funciones electrónicas en el interior de fibras
Recientemente, investigadores de las universidades de Southampton y Pennsylvania han descubierto un modo eficaz de realizar funciones electrónicas en el interior de una fibra óptica [Sazio et al., Science (2006) 311, 1583]. Como es sabido, la fibra óptica de sílice es el medio ideal para transmitir luz, mientras que semiconductores como silicio o germanio constituyen la mejor opción para manipular electrones. La base del descubrimiento consiste pues en combinar ambas tecnologías en un mismo dispositivo, es decir, incorporar los materiales que se utilizan en la fabricación de los chips de los ordenadores en el interior de fibras ópticas.
Más concretamente, los investigadores han demostrado la deposición de semiconductores cristalinos en el interior de los poros de las fibras ópticas. La fabricación de dispositivos semiconductores en el interior de fibras para permitir la manipulación de señales ópticas se espera que proporcione un método muy efectivo para acoplar los procesos ópticos y electrónicos, evitando de este modo los procesos de conversión E/O y O/E. El grupo de investigadores utilizó los poros de dimensiones micro- y nano-métricas de las fibras ópticas microestructuradas (MOFs, Microstructured Optical Fibers) como cámaras de reacción en las cuales se pueden depositar una gran variedad de materiales semiconductores mediante la deposición por vapor químico (CVD, Chemical Vapor Deposition). De esta forma se pueden fabricar conductos de Ge y Si policristalino de alta calidad en el interior de MOFs de sílice.
Adicionalmente, también se pueden formar semiconductores compuestos como GeS2 y heteroestructuras tales como una heterounión SiGe coaxial o una unión Schottky anular Au/Si.
Como ejemplo, se fabricó un transistor de efecto de campo basado en un conducto de Ge continuo en el interior de un capilar de sílice de 11 mm de longitud. Además, también se pudo observar el guiado de luz infrarroja por el interior de un núcleo de Si.
Este descubrimiento supone la base de una tecnología que permitirá la fabricación de un gran número de componentes en el interior de las fibras, con aplicaciones que van desde la computación hasta la biomedicina. Si se evita que la señal abandone la fibra óptica, entonces se conseguirán mayores velocidades, mayor eficiencia y un menor coste.

Redes de difracción sobre fibra óptica
Otra posibilidad mucho más conocida para el procesado de señales en fibras ópticas son las redes de difracción de Bragg sobre fibra o Fiber Bragg Gratings (FBGs). Una FBG consiste en una perturbación, tanto periódica como aperiódica, del índice de refracción efectivo del núcleo de una fibra óptica. Esta perturbación suele ser aproximadamente periódica sobre una longitud de unos pocos milímetros o centímetros, con períodos de cientos de nanómetros. El resultado de ello es que la luz que se propaga por la fibra se refleja para un pequeño margen de longitudes de onda donde se cumple la condición de Bragg. El dispositivo encuentra un gran número de aplicaciones como filtro óptico, demultiplexor WDM o sensor. Si además se diseña con una variación lineal del período de modulación (chirp), entonces se tiene un potente dispositivo compensador de dispersión cromática. En el mercado pueden encontrarse múltiples dispositivos comerciales en todas las áreas de aplicación anteriormente comentadas.
Normalmente, la fabricación de las FBGs se realiza iluminando el núcleo de la fibra con luz láser ultravioleta (proveniente por ejemplo de un láser de excímero de KrF o ArF), lo cual induce algunos cambios estructurales y una modificación permanente del índice de refracción. La fotosensibilidad del cristal del núcleo tiene una fuerte dependencia con su composición química y la longitud de onda UV. Por ejemplo, el sílice proporciona una baja fotosensibilidad, pero las fibras de germanosilicato permiten alcanzar una relación de contraste de índices de refracción de hasta 10-3. Este valor puede incluso mejorarse inyectando hidrógeno en la fibra.

Técnica más versátil
Las primeras FBGs se fabricaron mediante un haz láser visible propagado a lo largo del núcleo de la fibra, pero en 1989 G. Meltz demostró una técnica mucho más versátil basada en la superposición de haces de luz ultravioleta (técnica de holografía transversal). El ángulo existente entre ambos haces permite un control del período del patrón de luz en el núcleo de la fibra y, por lo tanto, de la longitud de onda de Bragg. En la actualidad, los dos haces se suelen obtener por exposición a luz UV de una máscara de fase periódica, usando los dos haces difractados de primer orden. Para obtener patrones más complicados se pueden utilizar máscaras de fase no periódicas. Otra posible técnica de fabricación es la punto a punto, donde las regiones con mayor índice de refracción se escriben individualmente mediante un pequeño haz láser focalizado. Se trata de una técnica bastante flexible y especialmente adecuada en el caso de FBGs de período largo. Finalmente, en lugar de luz ultravioleta, también existe la posibilidad de utilizar luz infrarroja para escribir las FBGs. En este caso se emplean pulsos de femtosegundos de elevada intensidad, induciéndose un fenómeno de absorción de dos fotones cerca del punto de focalización del haz láser, pero no así en las regiones exteriores.
Dependiendo de las condiciones de escritura, existen diferentes mecanismos físicos involucrados en la formación de las redes de Bragg, por lo que se pueden definir distintos tipos de FBGs. Las FBGs de Tipo I se escriben con intensidades moderadas, mientras que las de Tipo II emplean mayores intensidades durante cortos períodos de tiempo, habitualmente un pulso de nanosegundos proveniente de un láser de excímero. Incluso se pueden escribir antes de colocarle la cubierta a la fibra, de tal forma que se evite tener que quitarla después y obtener un grating con la resistencia mecánica de la fibra corriente.
En resumen, los primeros pasos para el procesamiento de señales ópticas en el interior de fibras ya se han producido. A la ya existencia de las FBGs, ahora se une el hecho de poder combinar el mundo de la electrónica y de la fotónica en el interior de las fibras ópticas. Sin lugar a dudas, si este descubrimiento evoluciona con paso firme, dará lugar a una auténtica revolución tecnológica que podría abaratar considerablemente el precio de los dispositivos fotónicos.