Por Mar Gulis (CSIC)*
Cable de fibra óptica iluminado con un puntero láser / Hustvedt
Sabemos que la velocidad de la luz alcanza los 300.000 kilómetros por segundo en el vacío. Ese es el límite máximo que determinan las leyes físicas. Nada en el universo puede viajar más rápido. Por eso, el reto de las tecnologías de telecomunicaciones es alcanzar ese límite: lograr que la información, los millones de datos que intercambiamos cada día en mails, llamadas, compras on line y transacciones de todo tipo, ‘viajen’ a la velocidad de la luz.
De momento, la fibra óptica es la tecnología que más se ha acercado. A partir de la herencia del telégrafo y el teléfono, “los cables de fibra óptica han reemplazado a los hilos de cobre porque pueden transportar una mayor cantidad de datos y más deprisa que su contraparte electrónica”, explica el libro Descubriendo la luz. Experimentos divertidos de óptica (CSIC-Los libros de la Catarata). Aun así, las fibras ópticas tienen limitaciones. No pueden reproducir el vacío del espacio, donde, al no existir atmósfera, la luz se mueve sin resistencia, de ahí que a través de la fibra los datos viajen a ‘tan solo’ 200.000 kilómetros por segundo (la cifra es aproximada).
En las comunicaciones ópticas se envía información codificada en un haz de luz por un hilo de vidrio o de plástico muy procesado. “Este sistema fue originalmente desarrollado para los endoscopios en la década de los 50, con el objetivo de ayudar a los médicos a ver el interior del cuerpo humano sin necesidad de abrirlo. En 1960, los ingenieros encontraron una forma de utilizar esta misma tecnología para transmitir llamadas telefónicas a la velocidad de la luz”, continúa el libro.
Sin embargo, las leyes físicas que explican el funcionamiento de esta tecnología se descubrieron tiempo atrás. Ya en el siglo XIX, el físico irlandés John Tyndall demostró a la Royal Society en Londres que la luz podía viajar a través de un chorro de agua. En óptica, este fenómeno se conoce como reflexión interna, y se produce cuando un rayo de luz atraviesa un medio con un índice de refracción menor que el índice de refracción en el que este se encuentra. Así, el haz luminoso se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios, reflejándose completamente. La reflexión interna total solo se produce en rayos que están viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción. Precisamente este principio explica la conducción de la luz a través de la fibra sin que haya fugas.
La reflexión total puede realizarse mediante el experimento de Tyndall. En la imagen, un puntero láser (a la dcha.) atraviesa el plástico del recipiente y el agua que hay en su interior, para ‘salir’ por el agujero realizado previamente en el recipiente. Al atravesar los dos medios, la luz queda confinada dentro del chorro viajando con su misma curvatura / Juan Aballe / CSIC-IOSA
Una fibra óptica está formada por un núcleo, que es por donde viajan las señales luminosas, y una cubierta o revestimiento transparente. Intuitivamente, cualquiera pensaría que la luz que transita por este tipo de hilos transparentes se saldría por los bordes. Sin embargo, los fotones (partículas elementales en que se puede dividir un rayo de luz) viajan por el núcleo de la fibra óptica rebotando contras sus paredes constantemente, como una pelota entre las paredes de vidrio de una pista de squash. De este modo el haz de luz queda confinado y se propaga sin que se produzcan pérdidas de información. Esto es posible porque el material interno tiene un índice de refracción más grande que el material que lo rodea.
Ocurre algo parecido con el agua: si un haz de luz incide en un chorro de agua bajo un cierto ángulo, la luz quedará confinada dentro del chorro, viajando con su misma curvatura, tal y como demostró Tyndall en su experimento. La superficie agua-aire actuaría como un espejo en el que la luz se refleja y, por tanto, sigue la trayectoria del líquido. En una fibra óptica la luz viaja de forma similar: va rebotando por sus paredes internas, pero manteniendo la dirección del cable, sin detenerse y pudiendo recorrer miles de kilómetros en segundos.
*Este post se basa en varios fragmentos del libro Descubriendo la luz. Experimentos divertidos de óptica (CSIC-Los libros de la catarata), coordinado por María Viñas Peña.
