jueves, 8 de enero de 2015

Fibrillas transparentes

Cuando la luz cambia de medio de propagación, parte de su energía vuelve al primer medio (reflexión) y otra parte se transmite (refracción). El ángulo con el que sale el rayo refractado depende del ángulo de incidencia y de los índices de refracción de ambos medios, y está dado por la ley de Snell \[n_i \sin\theta_i = n_r \sin \theta_r\]

Si se pasa de un medio a otro con mayor índice (por ejemplo, de aire a vidrio), el rayo se aproxima a la normal de la superficie. Por el contrario, al pasar a un medio con menor índice, el rayo se aleja de la normal. Hay un límite de lo que se puede alejar, y es que el rayo refractado salga en la dirección de separación de los dos medios \(\theta_r = \pi/2\). El ángulo de incidencia que verifica tal situación es el ángulo límite \[\sin \theta_L= \frac{n_r}{n_i}\]
Al aumentar el ángulo de incidencia por encima del ángulo límite, toda la energía de la luz vuelve al medio original, y se produce reflexión total.

La reflexión total se puede aprovechar para el guiado de la luz. Este es el principio de funcionamiento de las fibras ópticas. Una fibra óptica es un fino (5 micrómetros) cilindro de sílice muy pura, en el que se introduce un rayo de luz, formando cierto ángulo con el eje de la fibra, y que se transmite a través de su núcleo. La luz queda confinada en el núcleo por reflexión total debida a la diferencia de índices de refracción con el recubrimiento. La transición entre los dos materiales puede ser brusca (fibras de escalón), o gradual (fibras de gradiente de índice), en cuyo caso los rayos de luz en vez de reflejarse se van curvando hacia el eje.

Las fibras ópticas solo permiten la propagación de ciertas frecuencias (modos): si solo admiten una frecuencia son monomodo, y en caso contrario, multimodo. En las fibras multimodo es posible que alguno de los modos sea longitudinal, es decir, el campo eléctrico sea perpendicular a la dirección de propagación (las ecuaciones de Maxwell prohíben la existencia de ondas electromagnéticas longitudinales en el vacío). Charles C. Kao recibió el Nobel de Física de 2009 por el desarrollo de las fibras monomodo.

Una de las primeras aplicaciones de la fibra óptica fue la transmisión de imágenes, por ejemplo, en los endoscopios. Hoy en día, su principal uso es la transmisión de información a largas distancias. En este aspecto es preferible a los cables eléctricos por presentar menor atenuación (actualmente se consigue que la potencia se reduzca a la mitad en unos 10-15 km) y mayor ancho de banda (cantidad de información que se puede transmitir por unidad de tiempo). Para ello se utiliza radiación infrarroja (banda C: 1525-1565 nm, banda L: 1570-1610 nm), ya que supone la solución de compromiso: con mayor frecuencia mayor ancho de banda pero también mayores pérdidas.

Fotónica

La fibra óptica no es solamente un elemento pasivo, también es posible utilizarla como un componente que modifique la señal de forma controlada. Son los llamados dispositivos fotónicos:
  • Acopladores: Unen dos fibras ópticas o separan parte de la señal entre dos ramales. Se puede elegir la proporción de la luz que va a cada fibra.
  • EDFA: Amplificador de la señal. Es una fibra dopada con erbio, a la que se le acopla la luz procedente de un láser. La luz láser excita a los átomos de erbio, que se desexcitan de forma estimulada cuando les llega radiación de la fibra: emiten fotones con los mismos números cuánticos (radiación coherente) que los incidentes. También emiten algo de luz aunque la fibra no lleve señal debido a la emisión espontánea.
  • Aislador óptico: Permite la propagación de la luz en una dirección, pero no en la contraria. Su funcionamiento se basa en el efecto Faraday, en el que un campo magnético crea anisotropías en la fibra.
  • Filtros: Selecciona un estrecho rango de frecuencias de la luz.
  • ...
Con estos bloques básicos se pueden construir elementos más complejos. Un ejemplo es el láser de anillo de fibra óptica: la idea básica es "cerrar" un EDFA, haciendo que amplifique su propia radiación espontánea. Esta luz amplificada vuelve una y otra vez al material amplificador, por lo tanto aumentando considerablemente su potencia. Insertando un acoplador, se consigue que una parte de la luz salga y se pueda aprovechar para fines prácticos, mientras que el resto se sigue amplificando. La calidad de la salida se puede mejorar si se añade en el anillo un filtro y un aislador.




Recuerda que el 2015 es el año internacional de la luz.