La fibra de núcleo hueco es un tipo novedoso de fibra óptica. A diferencia de las fibras tradicionales, que contienen un núcleo hecho de vidrio de sílice (compuesto principalmente de dióxido de silicio), las fibras de núcleo hueco están esencialmente "vacías": solo contienen aire, gas inerte o vacío.
La importancia de las fibras de núcleo hueco en comparación con las fibras tradicionales con núcleo de sílice no radica en la reducción de costos debido a la ausencia del núcleo sólido, sino en la propagación superior de las señales luminosas a través del aire en lugar de las fibras de vidrio.
Una fórmula fundamental de la física de la escuela secundaria ilustra esta ventaja:
Aquí, (v) representa la velocidad de la luz en un medio, (c) es la velocidad de la luz en el vacío (comúnmente conocida como aproximadamente 300,000 kilómetros por segundo) y (n) es el índice de refracción del medio. La velocidad de la luz varía según los diferentes medios.
El índice de refracción del aire es aproximadamente 1, mientras que otros medios tienen índices de refracción superiores a 1. Por ejemplo, el agua tiene un índice de refracción de 1.33, el cristal 1.55 y el diamante 2.42. El vidrio varía entre 1.5 y 1.9 según su composición.
Esto significa que la luz viaja a través de fibras tradicionales con núcleo de sílice a una velocidad significativamente menor que (c). Los datos experimentales sugieren que el uso de fibras de núcleo hueco puede aumentar la velocidad de las señales luminosas en aproximadamente un 47% en comparación con las fibras tradicionales con núcleo de sílice.
Este aumento podría reducir sustancialmente la latencia en la comunicación por fibra óptica en aproximadamente un tercio. Según cálculos de instituciones de investigación, la latencia de las fibras con núcleo de sílice es de aproximadamente 5 microsegundos por kilómetro, mientras que para las fibras de núcleo hueco es de aproximadamente 3.46 microsegundos por kilómetro. En una distancia de 1000 kilómetros, esto podría reducir la latencia en 1.54 milisegundos.
Esta mejora en la latencia es de gran importancia para las industrias que dependen de transacciones de alta frecuencia, como el comercio de valores financieros, así como para escenarios remotos de atención médica y fabricación industrial.
Desarrollo y evolución de la fibra de núcleo hueco
A continuación, examinemos la implementación técnica de la fibra óptica de núcleo hueco. El principio de las fibras ópticas consiste esencialmente en confinar la luz dentro de un cable.
Las fibras ópticas tradicionales de núcleo sólido constan de tres partes de adentro hacia afuera: el núcleo, el revestimiento y el revestimiento (a veces con una funda exterior adicional).
Cuando la luz ingresa a la fibra óptica, el índice de refracción del núcleo de la fibra (n1) es mayor que el del revestimiento (n2), lo que resulta en una reflexión interna total. Esto hace que la luz se refleje y se propague continuamente hacia adelante.
En las fibras de núcleo hueco, dado que el índice de refracción del aire es menor que el del revestimiento, no se produce una reflexión interna total.
Por lo tanto, para confinar la luz dentro de fibras de núcleo hueco, se requiere un nuevo enfoque tecnológico. Ya en la década de 1960, cuando Charles Kao publicó su artículo fundamental sobre las fibras ópticas, se propuso el concepto de fibras de núcleo hueco. Sin embargo, la tecnología material en ese momento no estaba lo suficientemente madura como para realizarlo.
En 1987, los físicos aplicados estadounidenses Eli Yablonovitch y Sajeev John introdujeron por primera vez el concepto de cristales fotónicos, rompiendo el impasse. Los cristales fotónicos, también conocidos como materiales fotónicos de banda prohibida, son microestructuras artificiales formadas por la disposición periódica de medios con diferentes índices de refracción.
En pocas palabras, los cristales fotónicos tienen una función de “selección de longitud de onda”, que permite el paso de ciertas longitudes de onda de luz mientras bloquea otras. Las piedras preciosas iridiscentes, las alas de mariposa, las plumas de pavo real y los caparazones de escarabajo que exhiben un brillo metálico colorido en la naturaleza derivan sus propiedades ópticas únicas de las microestructuras periódicas de los cristales fotónicos, que reflejan selectivamente longitudes de onda de luz específicas.
Basándose en la teoría de los cristales fotónicos, en 1991, Philip Russell de la Universidad de Southampton propuso por primera vez el concepto de fibras de cristales fotónicos (PCF). En 1996, sus colegas Jonathan Knight y Tim Birks del Centro de Investigación Optoelectrónica de la Universidad de Southampton desarrollaron con éxito muestras de fibras de cristal fotónico de núcleo sólido y demostraron las características de transmisión de luz dentro de estas fibras.
La imagen de arriba muestra la sección transversal de una fibra óptica en ese momento. Como puede ver, hay numerosos agujeros pequeños y ningún núcleo obvio.
La llegada de las fibras de cristal fotónico (PCF) captó con éxito la atención de la comunidad de investigación óptica. Muchos equipos comenzaron a unirse a la investigación sobre los PCF, acelerando los avances relacionados. En 1998, Jonathan Knight y sus colegas anunciaron el descubrimiento del “efecto de guía de banda prohibida fotónica en las fibras” y produjeron la primera fibra de cristal fotónico de banda prohibida fotónica del mundo (PBG-PCF). En 1999, Philip Russell y su equipo publicaron un artículo en Science, proponiendo la fibra de cristal fotónico de banda prohibida monomodo de núcleo hueco (HC-SM-PBG-PCF). Poco después, RF Cregan y su equipo desarrollaron con éxito un modelo que se considera la primera fibra de núcleo hueco del mundo.
En la imagen de arriba se muestran diferentes diseños estructurales de fibras de cristal fotónico de núcleo hueco. Todo el PBG-PCF se parece a un panal. Por lo tanto, en ese momento también se la conocía como Fibra Holey (HF) y Fibra Microestructurada (MSF). El núcleo de la fibra es hueco y está lleno de aire. El revestimiento consta de numerosos orificios de ventilación dispuestos periódicamente, todos con diámetros, espaciamientos y períodos de orificios establecidos con precisión. Cuando una señal óptica ingresa a la fibra, los fotones se mueven desde el núcleo de aire hacia el revestimiento. Los orificios de aire dispuestos periódicamente en el revestimiento forman una estructura de cristal fotónico, evitando que fotones de frecuencias específicas pasen a través del revestimiento y "reboten" de regreso al núcleo. Por tanto, los fotones sólo pueden seguir propagándose a lo largo del núcleo de aire.
A pesar de los continuos esfuerzos de los científicos para mejorar los PBG-PCF, no han podido resolver el problema de las pérdidas. La pérdida de estas fibras se ha mantenido en el nivel de dB/km y su fabricación es un desafío. Esto ha dificultado la aplicación práctica de fibras de núcleo hueco. En consecuencia, los científicos continuaron explorando nuevas estructuras de fibras de núcleo hueco. Los investigadores propusieron la fibra de núcleo hueco tipo Kagome. Más tarde, basándose en la investigación sobre fibras de núcleo hueco tipo Kagome, introdujeron fibras de núcleo hueco antirresonantes, que se convirtieron en una dirección de investigación principal en la industria.
En 2019, el equipo de Francesco Poletti en el Centro de Investigación de Optoelectrónica de la Universidad de Southampton inventó la famosa fibra anidada antirresonante sin nodos (NANF), que reduce la pérdida de fibras de núcleo hueco a 1.3 dB/km. Apenas un año después, en 2020, Lumenisity, la filial industrial de la Universidad de Southampton, redujo la pérdida de fibras NANF a 0.28 dB/km, causando sensación en la industria.
Echemos un vistazo más de cerca a la estructura de las fibras NANF:
El núcleo de la fibra NANF está lleno de aire. Alrededor del núcleo hay tubos de vidrio paralelos, cada uno anidado con otro tubo de vidrio en su interior. Esta configuración se conoce como anidamiento único. Si hay otro tubo anidado en su interior, se denomina anidamiento doble.
El propósito del anidamiento está relacionado con la "resonancia".
La resonancia, también conocida como interferencia, ocurre cuando dos ondas están sincronizadas, lo que da como resultado una amplitud máxima. Por el contrario, en determinadas frecuencias, la energía se minimiza, lo que se conoce como antirresonancia. Los tubos de vidrio anidados están diseñados para formar una "cavidad de resonancia".
El espectro de transmisión presenta múltiples picos. Las regiones entre estos picos son zonas de alta reflexión, también conocidas como ventanas antirresonancia. Dentro de estas ventanas, la luz que ingresa desde el núcleo hueco experimentará una alta reflexión, lo que reducirá significativamente la pérdida por fuga de fibra. Los lados de los tubos de vidrio no se tocan entre sí, lo que se denomina sin nudos. Si los nodos estuvieran presentes, causarían pérdidas significativas.
Las fibras NANF han superado las limitaciones de las fibras de cristal fotónico con banda prohibida fotónica (PBG-PCF) y ofrecen una pérdida teórica y un ancho de banda de transmisión superiores a las fibras con núcleo de vidrio actuales, atrayendo así una importante atención de la industria.
Empresas como BT, Comcast y euNetworks han adoptado la tecnología de fibra de núcleo hueco NANF de Lumenisity en los últimos años. BT ha utilizado NANF para construir un backhaul de red móvil y ha realizado pruebas de distribución de claves cuánticas en NANF. Comcast colaboró con Lumenisity para implementar un enlace híbrido de 40 kilómetros de fibras tradicionales y de núcleo hueco en Filadelfia para realizar pruebas de compatibilidad. euNetworks desplegó un segmento de 14 kilómetros de fibra de núcleo hueco Lumenisity entre Londres y Basildon para conectar dos centros de datos críticos para las transacciones financieras.
Debido al importante valor comercial de las fibras de núcleo hueco, Microsoft adquirió Lumenisity el 9 de diciembre de 2022. El precio de la transacción no se reveló, pero sin duda es sustancial.
Ventajas de las fibras de núcleo hueco
Analicemos las ventajas de las fibras de núcleo hueco.
1. Baja latencia
Esto se ha detallado anteriormente.
2. Menor pérdida
La pérdida de transmisión es un parámetro técnico crucial para las fibras ópticas. Una pérdida más baja significa que la señal óptica puede viajar más dentro de la fibra, lo que facilita su reconocimiento y demodulación en el extremo receptor. Las señales ópticas experimentan menos pérdidas cuando se transmiten a través del aire en comparación con el vidrio de sílice. Como se mencionó anteriormente, las fibras de núcleo hueco actuales pueden alcanzar una pérdida de 0.174 dB/km, comparable a la última generación de fibras con núcleo de vidrio. Según instituciones de investigación, la pérdida mínima teórica de las fibras de núcleo hueco se puede reducir por debajo de 0.1 dB/km, que es inferior a la de las fibras con núcleo de vidrio estándar (0.14 dB/km).
3. Soporte para múltiples bandas ópticas
Las fibras de núcleo hueco pueden soportar fácilmente varias bandas como O, S, E, C, L y U.
4. Efectos no lineales reducidos
Los efectos no lineales en las fibras de núcleo hueco son de 3 a 4 órdenes de magnitud menores que los de las fibras con núcleo de vidrio convencionales, lo que permite una potencia óptica de entrada significativamente mayor y, por lo tanto, extiende las distancias de transmisión.
5. Transmisión láser de alta potencia
Las fibras tradicionales con núcleo de vidrio absorben la energía del láser durante la transmisión láser de alta potencia, lo que provoca la acumulación de calor en los defectos del material o una distribución desigual de la temperatura entre el núcleo y el revestimiento, lo que provoca daños en la fibra. En las fibras de núcleo hueco, más del 99% de la potencia óptica se transmite a través del aire, minimizando la interacción con el material. Esto da como resultado una menor absorción de material y un mayor umbral de daño por láser con la misma potencia de transmisión.
En términos simples, las fibras de núcleo hueco tienen menos probabilidades de resultar dañadas por láseres de alta potencia (nivel de kilovatios).
Además de las ventajas mencionadas anteriormente, las fibras de núcleo hueco también ofrecen baja dispersión, baja sensibilidad térmica y resistencia a la radiación, que son razones del gran interés de la industria en el desarrollo de la tecnología de fibra de núcleo hueco.
Aplicaciones de las fibras de núcleo hueco
1. Comunicación
La baja pérdida y la baja latencia de las fibras de núcleo hueco las hacen ideales para la comunicación óptica, especialmente en escenarios de comunicación sensibles a la latencia.
2. Detección
Las fibras de núcleo hueco, con su mayor flexibilidad y gran apertura, se pueden utilizar en detección óptica para medir parámetros como temperatura, presión, flujo y composición química.
3. Aplicaciones del láser
Como se mencionó anteriormente, las fibras de núcleo hueco pueden resistir láseres de alta potencia. Se pueden utilizar para transmitir rayos láser para procesos de fabricación industrial como el corte y grabado con láser, así como para obtener imágenes y tratar tejidos enfermos en las profundidades del cuerpo humano. La transmisión de láseres es esencialmente una forma de transmisión de energía, que tiene importantes aplicaciones potenciales.
Conclusión
En resumen, las fibras de núcleo hueco son muy ventajosas y tienen una amplia gama de aplicaciones. Es fundamental aumentar la atención y la inversión en esta tecnología. Actualmente, se están realizando esfuerzos para reducir la pérdida y mejorar las métricas de rendimiento de las fibras de núcleo hueco. Para acelerar el despliegue de esta tecnología, debemos centrarnos en los siguientes puntos:
1. Estandarización de la Estructura Interna de Fibras. Determinar la arquitectura óptima para la estandarización y la producción en masa.
2. Mejora de Procesos. Reducir la complejidad de la fabricación para lograr una producción a gran escala y de alto rendimiento.
3. Desafíos de ingeniería en la implementación. Anticipar y abordar posibles problemas de ingeniería en implementaciones del mundo real, como cómo empalmar fibras de núcleo hueco si se rompen.
4. Acelerar el desarrollo de la cadena industrial. Garantizar el soporte adecuado en materiales y componentes.
A medida que pase el tiempo, esperamos que estos problemas se resuelvan y que las fibras de núcleo hueco pronto alcancen una etapa comercial madura, mejorando aún más nuestras capacidades de red.