Mejores fibras ópticas gracias a la alta presión

La transmisión de datos por fibra óptica podría mejorarse significativamente si se fabricaran las fibras, hechas de vidrio de sílice, bajo alta presión, según informan investigadores de Japón y Estados Unidos en la revista npj Computational Materials.

Utilizando simulaciones informáticas, unos investigadores de la Universidad de Hokkaido, la Universidad del Estado de Pennsylvania y sus colaboradores de la industria muestran teóricamente que la pérdida de señal de las fibras de vidrio de sílice puede llegar a reducirse en más del 50 por ciento, lo que podría ampliar drásticamente la distancia a la que pueden transmitirse datos sin necesidad de amplificación.

"Las mejoras en el vidrio de sílice, el material más importante para la comunicación óptica, se han estancado en los últimos años debido a la falta de comprensión del material a nivel atómico", dice el Profesor Asociado Madoka Ono del Instituto de Investigación de Ciencias Electrónicas de la Universidad de Hokkaido (RIES). "Nuestros hallazgos pueden ahora ayudar a guiar futuros experimentos físicos y procesos de producción, aunque será todo un reto técnico".

Las fibras ópticas han revolucionado las comunicaciones de banda alta y larga distancia en todo el mundo. Los cables que llevan toda esa información están hechos principalmente de finos hilos de vidrio de sílice, ligeramente más gruesos que un cabello humano. El material es fuerte, flexible y muy bueno para transmitir información en forma de luz, a bajo costo. Pero la señal de datos se amortigua antes de llegar a su destino final debido a la dispersión de la luz. Ante ello, se utilizan amplificadores y otras herramientas para contener y transmitir la información antes de que se disperse, asegurando que se entregue con éxito. Los científicos buscan reducir la dispersión de la luz, llamada dispersión de Rayleigh, para ayudar a acelerar la transmisión de datos y acercarse a la comunicación cuántica.

Los huecos en el vidrio de sílice (amarillo), que son responsables de la dispersión de la luz y la degradación de las señales, se hacen mucho más pequeños cuando el vidrio se enfría a presiones más altas. (Foto: Yongjian Yang, et al., npj Computational Materials, September 17, 2020)

Ono y sus colaboradores utilizaron múltiples métodos computacionales para predecir lo que sucede con la estructura atómica del vidrio de sílice bajo alta temperatura y alta presión. Encontraron grandes vacíos entre los átomos de sílice que se forman cuando el vidrio se calienta y luego se enfría a baja presión. Pero cuando este proceso ocurre bajo 4 gigapascales (GPa) de presión, la mayoría de los grandes vacíos desaparecen y el vidrio adquiere una estructura reticular mucho más uniforme.

Específicamente, los modelos muestran que el vidrio sufre una transformación física, y los anillos más pequeños de átomos son eliminados o "podados" permitiendo que los anillos más grandes se unan más estrechamente entre sí. Esto ayuda a reducir el número de grandes huecos y el tamaño medio de los mismos, que causan la dispersión de la luz, y a disminuir la pérdida de señal en más de un 50 por ciento.

Los investigadores sospechan que se pueden lograr mejoras aún mayores utilizando una tasa de enfriamiento más lenta a una presión más alta. El proceso también podría explorarse para otros tipos de vidrio inorgánico con estructuras similares. Sin embargo, la fabricación de fibras de vidrio bajo tan altas presiones a escala industrial es muy difícil.

"Ahora que conocemos la presión ideal, esperamos que esta investigación ayude a estimular el desarrollo de dispositivos de fabricación de alta presión que puedan producir este vidrio de sílice ultra-transparente", dice Ono. (Fuente: NCYT Amazings)