Albert, Javier

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/ Optica integrada:introducción y situación actual. Javier Albert. Proyectísta del Departamento de Teoría del señal y comunicaciones. El estudio de esta disciplina tiene el punto de partida en el momento en que se consigue construir una fuente de luz coherente y estable: el láser. Las comunicaciones que hasta ese instante habían sido mediante co-rrientes eléctricas u ondas de radio, ahora se empieza a pensar en la posi-bilidad de realizarlas a través de haces luminosos. Para ello debían resolver-se dos problemas muy importantes, como en cualquier tipo de comunica-ción: primero la transmisión de la señal y segundo, el procesado de la misma. La primera posibilidad que se planteó para solucionar los dos pro-blemas fue comunicarse directamen-te a través de la atmósfera. Para ello se necesitaban componentes ópticos que la hicieran posible como pueden ser lentes, espejos, prismas, moduladores electro-ópticos para las transforma-ciones de la señal así como detectores. Los problemas se vieron rápidamen-te, los cambios atmosféricos son rá-pidos y notables, por lo que las ca-racterísticas del medio son excesiva-mente variables, y además, los com-ponentes ópticos que se precisan no pueden estar sometidos a ningún tipo de vibraciones como es natural. Además son elementos que ocupan grandes volúmenes. La conclusión que se obtuvo fue, que si bien experimentalmente era posible seguir adelante, para las apli-caciones prácticas resultaba excesi-vamente costoso. Se buscó una solución más senci-lla: la óptica Guiada, que usa como medio de transmisión la fibra óptica en sustitución de la atmósfera, y que además se sustituye la electrónica por la óptica, incluso en los circuitos in-tegrados, que pasarán de ser circuitos integrados electrónicos, a circuitos ópticos integrados miniaturizados. En 1969 se utilizó por primera vez el término de óptica Integrada, ocho años después de la aparición del pri-mer láser. Hemos hablado antes de los dos problemas que se deben solucio-nar para las comunicaciones ópticas, esto hace que la óptica integrada se divida en dos áreas de estudio: la parte que se dedica a la transmisión y por tanto se encarga del estudio de las fibras ópticas, y la parte que se dedica al procesado de la señal y por tanto se centra en el estudio de los dispositivos ópticos. En óptica integrada trabajamos en el rango de longitudes de onda com-prendido entre los 0.1 Y los 10 micras, debido a que nos encontramos con mucha absorción para longitudes de onda inferiores, además de pérdidas por scattering que nos hacen que su uso no sea interesante, mientras que para longitudes de onda superiores es mejor utilizar las técnicas propias de las microondas ya que son más efi-cientes. Debemos comparar la electrónica y la óptica integrada para ver las di-ferencias que tenemos entre ambas y poder anotar las ventajas y los in-convenientes que presentan cada una. Las ventajas que presentan las fi-bras ópticas frente a los conductores eléctricos metálicos podemos resu-mirlos esquemáticamente en los si-guientes puntos: -Inmunidad frente a las interferencias electromagnéticas. En el tendido de cables eléctricos de mucha distancia, podemos encontrar-nos que estos actúen como antena 54 receptora, y que por efecto de la inducción, se pueden generar campos electromagnéticos. En muchos siste-mas es fundamental que esto no ocu-rra, incluso en condiciones adversas, cuando se trata de sistemas de mucha responsabilidad, como pueden ser los de uso militar, los sistemas radar, transmisión multicanal..., en los que un fallo pueda acarrear importantes consecuencias. Ya sabemos que los cables eléctricos se pueden proteger construyéndolos coaxiales, pero esto lleva además del aumento de peso y de coste, una capacidad parásita que limita el ancho de banda. En las fibras ópticas no hay ninguna espira metá-lica, de manera que no es posible que se produzca una interferencia, y ade-más podemos evitar las interferencias luminosas cubriendo las fibras con sustancias opacas. -Tamaño, peso y coste redu-cido. Las fibras ópticas están com-puestas de cristales o materiales plás-ticos. Estos materiales son de menor peso que los metálicos como puede ser el cobre y además son más baratos. Por otro lado, el diámetro de un cable coaxial es cien veces mayor que el de una fibra óptica, por lo que además de tener un peso menor, el volumen que ocupa es también muy inferior. A la hora de trazar los tendidos que nos permitirán el transporte de la señal esto será una notable ventaja. -Seguridad de corto-circui-to. En las fibras ópticas no pueden darse cortocircuitos puesto que no circula corriente eléctrica. Así cuan-do se rompe una fibra o un conjunto de fibras no hay ningún tipo de peligro como puedan ser chispas, y por tanto es sumamente apropiado para entornos con explosivos o combustibles. -Bajas pérdidas en transmi-sión. Es una ventaja muy importante. Las fibras ópticas presentan una ate-nuación, independientemente de la frecuencia de 1 dB/km. Esto nos su-pone un ahorro de energía y de siste-mas repetidores. -Alto ancho de banda. El ancho de banda en las guías viene determinado únicamente por fenó-menos de dispersión y no depende de atenuación distinta según la frecuen-cia. Esto nos permite obtener hasta 100 Ghz de ancho de banda cuando los coaxiales sólo nos permiten 100 Mhz, de manera que el ancho de banda es 1000 veces mayor. La ventaja es muy clara. -Posibilidad de mul-tiplexación. Debido a este gran ancho de banda del que hablábamos es evi-dente la posibilidad de multiplexar en frecuencia. -Seguridad ante espionaje. Al no ser una señal eléctrica no tene-mos campos electromagnéticos en el exterior del conductor por lo que es difícil que sean capaces de detectar nuestro mensaje, aunque si nos rom-pieran la guía podrían detectar el mensaje fácilmente. Por contra sola-mente tenemos que destacar un in-conveniente de las fibras ópticas fren-te a los conductores metálicos: -No a la potencia. Las fibras ópticas no permiten el envío de grandes cantidades de potencia por su estruc-tura, mientras que lo conductores metálicos si nos la permiten enviar. En resumen, las ventajas que presentan las fibras ópticas frente a las líneas metálicas son muy grandes. Será mucho mejor utilizar medios de transmisión ópticos que no eléctricos. Esto puede que aún no sea definitivo si después no disponemos de los siste-mas terminales generadores y de procesado que nos permitan poner en -la práctica las comunicaciones me-diante estos recursos. El primer paso consistió en convertir la señal eléctrica a óptica, realizar la comunicación mediante la fibra óptica, pata después en recepción volver a reconvertida en eléctrica. Esto es una pérdida de efectividad muy grande tanto de tiempo como de ancho de banda, por lo que se estudian e introducen los dispositivos integra-dos ópticos. En estos momentos aun-que no se han desarrollado todos los que serán necesarios, si que ya se han conseguido algunos y se sigue traba-jando y se ve que van llegando los resultados. Podríamos asegurar que en el futuro se conseguirán todos. Los dispositivos ópticos in-tegrados se están construyendo con guías ópticas, las señales de control deben ser también ópticas puesto que si no estamos perdiendo esa velocidad pretendida. Las ventajas que presen-tan son: -Acoplamiento con bajas pérdidas. El acoplamiento de varias señales provoca unas pérdidas infe-riores a 1 dB. -Conmutación entre guías. La conmutación entre guías es rápida y sencilla. En estos instantes ya se han realizado conmutadores de 64 puer-tas. -Alta fiabilidad. La senci-llez de los dispositivos que construi-mos, así como la imposibilidad de que se produzcan chispazos y la inmuni-dad a las interferencias, hacen que los sistemas sean muy fiables. -Inmunidad a las vibracio-nes y alineamiento óptico. Los com-ponentes integrados a diferencia de los discretos, no tenemos el problema de las vibraciones, ni de que los rayos se puedan desviar de su enfoque co-rrecto o no puesto que una vez cons-truido no se pueden mover. La desventaja que presentan estos dispositivos es: -El alto coste que tiene la investi-gación para desarrollar la nueva tec-nología de fabricación. Actualmente lo que se está haciendo es, primero, analizar guías construidas con materiales de distin-tas propiedades, con el fin de obtener las características que presentan, con miras a aplicaciones prácticas ulterio-res, y segundo, simplificar al máximo la manera de dar los resultados para que, con la menor información posi-ble, podamos describir al máximo las características. Además se debe con-seguir obtener una forma de los re-sultados para que, una vez hecho un cálculo con un tipo de guía, si cambia-mos algún índice de refracción, gro-sor, potencia, longitud de onda ... no 55 nos obligue, de nuevo, a realizar to-das las demostraciones implícitas. Esta claro que aumentar el grosor produce los mismos efectos que reducir la lon-gitud de onda, por lo que en general, en los parámetros que caracterizan una guía habrá redundancia de infor-mación, de manera que deberemos procurar caracterizar las guías con el mIlllmo número posible de parámetros: los parámetros de diseño. Según los tipos de materiales y guías variarán, pero en todos los casos se debe buscar la simplificación máxima. Estas reducciones nos llevan de es-pacios 7-D o superiores, cuya infor-mación es muy difícil de analizar y mucho menos de representar, a espa-cios mucho más reducidos, incluso 2-D en algún caso, por lo que podremos caracterizar las guías directamente con diagramas. La filosofía final tiende a ser, realizar el estudio matemático detallado de una construcción con-creta, y dar los resultados mediante diagramas o tablas, de manera que, a partir de ese momento, cuando se quiera realizar una aplicación concreta se deba analizar directamente los re-sultados para comprobar su viabilidad. Así únicamente será necesario reali-zar el análisis matemático una sola vez. En estos momentos todavía se está analizando, y faltan por reali-zar muchos estudios, hay dificultades para construir los dispositivos ópticos puesto que los grosores de materiales son muy superiores a los que se utili-zan en electrónica, por lo que aquí en nuestro país sólo se realizan estudios teóricos, viéndose la posibilidad de realizar los dispositivos lejos. La pregunta que sigue en el aire en estos momentos es ¿necesita-mos realmente, en estos momentos, esta velocidad tan exageradamente alta? La respuesta parece indicar que pasará mucho tiempo antes no sea necesaria, y muchos profesionales que estaban trabajando esta nueva tecno-logía se están decantando por abando-nar sus estudios, y dedicarse a perfec-cionar y extender la tecnología actual. 

Óptica integrada : introducción y situación actual

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