XXXI. UN ATISBO AL FUTURO. LA FOT�NICA

XXXI. UN ATISBO AL FUTURO. LA FOT�NICA

EN LOS �ltimos años se han estado llevando a cabo, en diferentes direcciones, esfuerzos de investigaci�n tanto b�sica como tecnol�gica a fin de mejorar y modificar los diversos sistemas electr�nicos que nos son familiares. Ilustraremos esto con algunos aspectos de lo que se est� haciendo con las pantallas de televisi�n y de computadoras. Las que hasta ahora conocemos son pantallas cuya fabricaci�n est� basada en los tubos de rayos cat�dicos como los descritos en el cap�tulo XXII; recordemos que fueron inventados en el siglo pasado.
Desde la d�cada de 1970 se ha empezado a construir pantallas de cristal l�quido; estas pantallas, de color gris, son muy frecuentes en calculadoras de mano y en relojes. La base de esta tecnolog�a reside en el hecho de que si se hace pasar corriente el�ctrica a trav�s de un cristal l�quido, sus propiedades �pticas se modifican y vemos de otro color aquel lugar por donde pas� la corriente, en este caso de color gris m�s oscuro. Una pantalla de cristal l�quido consiste de dos vidrios paralelos con cristal l�quido entre ellos. Conectando adecuadamente diferentes partes del cristal dentro de los vidrios, se puede hacer que formen n�meros y letras.
As� se han logrado pantallas planas, en contraste con las curvadas de las televisiones familiares. Las pantallas planas tienen varias ventajas sobre las tradicionales. Una es que no ocupan tanto espacio, ya que no requieren del ca��n electr�nico; otra es que funcionan con mucho menor gasto energ�tico.
Sin embargo, estos sistemas no forman im�genes a color.
En la actualidad se est�n investigando diferentes sistemas para producir pantallas planas. Un sistema de �stos, llamado de pantalla de cristal l�quido con matriz activa, consiste en dos vidrios planos, paralelos (Figura 58), que se dividen en pixeles. Dentro de los vidrios se coloca una capa de cristal l�quido org�nico, que tiene la propiedad de que sus mol�culas alteran su orientaci�n al estar sujeto a un voltaje; dependiendo de la orientaci�n que tengan, estas mol�culas bloquean parcialmente el paso de la luz polarizada que las ilumine.

Figura 58. Una forma de construir pantallas planas.

En la parte trasera de la pantalla se coloca un tubo de luz fluorescente que ilumina por detr�s la pantalla (Figura 58). Esta luz se hace pasar por una pel�cula que polariza la luz. Sin entrar en mayor detalle diremos que la luz polarizada es aquella en la que los campos electromagn�ticos que la componen tienen determinada direcci�n. Frente a cada pixel, en una delgad�s�ma pel�cula se coloca una matriz que contiene un peque�o circuito transistorizado que provee un voltaje, de tal forma que el cristal l�quido que est� dentro del pixel se orienta adecuadamente, creando pixeles m�s claros u oscuros. La luz que sale del pixel pasa por un filtro formado de colores verde, azul y rojo que, dependiendo de la intensidad de la luz que le llega, emite finalmente un haz de luz de color. De esta manera, en la pantalla se ve una imagen de color. As�, la pantalla puede tener el grueso de unos cuantos cent�metros y estar colgada en la pared.
En la actualidad, en varios laboratorios industriales que se encuentran principalmente en Jap�n, se est� llevando a cabo un vigoroso programa de investigaci�n y desarrollo a fin de poner a punto esta tecnolog�a de pantallas planas. Se puede afirmar que hacia fines de la d�cada de 1990 ocurrir� un proceso en el que las televisiones y las computadoras sean remplazadas por pantallas planas.
Desde principios de la d�cada de 1980 se ha empezado a utilizar radiaci�n electromagn�tica, o sea de fotones, para la transmisi�n de se�ales. Estas se�ales se transmiten en cables de vidrio especial que han ido reemplazando a los cables met�licos, de cobre, en los que se env�an las se�ales por medio de corrientes el�ctricas. De esta manera se ha iniciado una revoluci�n en las comunicaciones, que se vislumbra culminar� en el pr�ximo siglo con un cambio total en los dispositivos que ahora usamos basados en la electr�nica.
�C�mo es posible conducir luz a lo largo de una fibra? Para ello se utiliza el fen�meno de refracci�n que se discuti� en el cap�tulo XIII. Seg�n vimos, cuando un haz de luz pasa de un medio a otro cambia de direcci�n, o sea, se refracta (v�ase la figura 19). La relaci�n entre el �ngulo de incidencia i y el de refracci�n j es un n�mero constante y depende solamente de la naturaleza de los dos medios. M�s espec�ficamente, para el lector que sepa trigonometr�a se le puede decir que la relaci�n entre el seno del �ngulo i y el seno del �ngulo j es una constante que se llama �ndice de refracci�n relativo del medio 1 al 2. �sta es la expresi�n cuantitativa de la ley de Snell.
Si el �ndice de refracci�n relativo es mayor que 1, lo cual implica que la velocidad de la luz en el medio 1 es menor que en el medio 2, al transmitirse el rayo se acerca a la normal.
Inversamente, si el rayo pasa de un medio a otro con �ndice de refracci�n relativo menor que 1, que significa que la velocidad de la luz en el medio 1 es mayor que en el medio 2, entonces cuando se transmite el rayo se separa de la normal.
Por ejemplo, para el caso de aire (medio l ) con agua (medio 2) el �ndice de refracci�n relativo es 1.33; para aire con cuarzo es 1.47; para aire con vidrio com�n, 1.53. Inversamente, para el caso en que la luz pasa de agua (medio 1) al aire (medio 2), el �ndice de refracci�n relativo es 0.752; para cuarzo con aire, 0.68; para vidrio con aire, 0.654.
Hay que mencionar que los valores de los �ndices de refracci�n dependen de la frecuencia de la onda electromagn�tica.
Supongamos que una fuente de luz emite rayos hacia la frontera que separa a dos medios, por ejemplo, vidrio y aire (Figura 59). Adem�s, la fuente est� metida en el medio en que la velocidad de la luz es menor, en este caso dentro del vidrio. El rayo que se transmite de vidrio a aire, al cruzar la frontera cambia de direcci�n y se separa de la normal. Ahora hagamos que la fuente de luz se mueva, siempre dentro del vidrio, de tal manera que los rayos incidentes, sobre la frontera formen �ngulos de incidencia con la normal cada vez mayores (de A a D en la figura). Mientras mayor sea el �ngulo de incidencia, mayor ser� el �ngulo de refracci�n, pero este �ngulo aumenta en una proporci�n mayor que el de incidencia. Llega un momento (rayo D en la figura 59) en que el �ngulo de refracci�n es igual a 90�. Nos damos cuenta de que en este caso el rayo no se transmite al segundo medio. Esto ocurre cuando el �ngulo de incidencia adquiere un valor que se llama �ngulo cr�tico; para el caso vidrio-aire el �ngulo cr�tico es de 40.8�. Si se sigue aumentando el �ngulo de incidencia (rayos E, F, G de la figura 59), entonces ya no hay rayos transmitidos; los rayos se reflejan dentro del vidrio formando �ngulos de reflexi�n iguales a los de incidencia (como ocurre en la reflexi�n com�n y corriente descrita en el cap�tulo XIII). Es decir, los rayos incidentes no logran escapar del vidrio. A ese fen�meno se le llama reflexi�n total.

Figura 59. Para el �ngulo cr�tico de incidencia el rayo transmitido se propaga a lo largo de la superficie de separaci�n; no hay transmisi�n. Para �ngulos de incidencia mayores que el cr�tico, el rayo no se transmite sino que se refleja de regreso al medio I. Esto es la reflexi�n total.

Supongamos ahora que el vidrio tuviera dos paredes paralelas. Si un rayo de luz incide sobre una de las paredes, desde dentro del vidrio, formando con la normal un �ngulo de incidencia mayor al cr�tico, entonces no se transmite y se refleja hacia dentro del vidrio. Al llegar a la otra pared, como llega con un �ngulo de incidencia igual al inicial (por ser las paredes paralelas), tampoco se transmite hacia afuera y se refleja totalmente, de nuevo hacia dentro del vidrio. De esta manera, el rayo se va conduciendo dentro del vidrio hasta donde se desee, sin que escape al aire circundante. Esto mismo ocurre si las paredes no son planas pero s� paralelas, siempre que las curvas de la pared no sean tan cerradas que puedan en cierto momento hacer que el �ngulo de incidencia sea menor al cr�tico, caso en el cual el rayo s� se transmite hacia el medio exterior y se escapa.
Por tanto, se puede transmitir un rayo de luz a trav�s de una fibra usando el fen�meno de reflexi�n total y alimentando el rayo a un �ngulo tal que forme, con la normal a las paredes, un �ngulo de incidencia mayor al cr�tico.
Una fibra �ptica consiste en un cilindro de material con un �ndice de refracci�n relativo al aire muy alto (Figura 60). En este caso la trayectoria que sigue un rayo de luz no es rectil�nea, como en el caso de las paredes paralelas. Ahora los rayos se propagan en curvas en h�lice. Si se ilumina un extremo de la fibra, el haz saldr� por el otro extremo, aun si la fibra tiene forma curvada.

Figura 60. Un rayo se transmite dentro de una fibra �ptica debido a la reflexi�n total.
La idea de utilizar la reflexi�n total para transmitir se�ales luminosas fue demostrada por primera vez en Inglaterra por John Tyndall en 1870. Su principal problema fue que los materiales que utiliz� ocasionaban p�rdidas grandes, y como el haz de luz se dispersaba, la longitud �til fue muy peque�a.
No fue sino hasta 1950 cuando se empez� a pensar en serio en utilizar fibras �pticas en la iluminaci�n remota, la transmisi�n de im�genes para aplicaciones m�dicas, como la endoscop�a, en que por medio de una fibra �ptica que se introduce en el cuerpo del paciente el m�dico puede ver con detalle lo que ocurre, por ejemplo, el corte que est� haciendo con un bistur�. En algunas tiendas de l�mparas venden fibras en forma curva que emiten luz solamente en su extremo.
En 1966 K. C. Kao y G. A. Hockham, de Standard Telecomunications Laboratories, de Inglaterra, fueron los primeros que propusieron la utilizaci�n de fibras de vidrio y luz de l�ser en lugar de conductores met�licos y electricidad en la transmisi�n de mensajes telef�nicos. Propusieron el uso del l�ser en vista de que un haz de esta radiaci�n no se dispersa.
Sin embargo, para poder usar fibras de vidrio fue necesario un arduo trabajo de investigaci�n de las propiedades de los materiales, tanto para disminuir las p�rdidas debidas a las impurezas en el vidrio, como para lograr una gran resistencia de las fibras, a fin de que no fuesen fr�giles
La empresa Corning Glass, de Estados Unidos, inici� en 1967 un proyecto de investigaci�n sobre la utilizaci�n de vidrio para construir fibras �pticas, En 1970 obtuvieron, despu�s de mucho esfuerzo, una fibra de vidrio de grueso igual al de un pelo, que ten�a una atenuaci�n razonable. Sin embargo, todav�a faltar�a una d�cada de intensa investigaci�n para lograr atenuaciones extremadamente peque�as. No fue sino hasta 1983 que recibieron su primer pedido de la compa��a telef�nica MCI para el cableado de sus l�neas con fibras �pticas. De esta manera se empez� a "hablar con luz".
Hay varias ventajas de las fibras �pticas sobre los cables met�licos que conducen electricidad. En primer lugar, con la luz de l�ser las p�rdidas son notablemente menores.
En segundo lugar, con las fibras �pticas se incrementa notablemente la capacidad de enviar un mayor n�mero de se�ales simult�neas, as�, una fibra del grueso de un cabello puede transmitir 6 000 llamadas telef�nicas, lo que se har�a con un l�o de alambres de cobre de 10 cm de grueso.
En tercer lugar, debido a que con las fibras �pticas la se�al va contenida en un rayo de luz no hay posibilidad de que durante su transmisi�n se vea interferida por agentes ajenos, como ocurre con las se�ales el�ctricas.
En cuarto lugar, son mucho m�s econ�micas.
En la actualidad se est� llevando a cabo una transformaci�n en muchos lugares del mundo y se est�n cambiando l�neas el�ctricas por fibras �pticas, como en los cableados telef�nicos en las ciudades. Las fibras �pticas est�n remplazando a los conductores de cobre debajo de las calles y en las profundidades de los oc�anos.
La transmisi�n de comunicaciones por medio de fibras �pticas ha tenido ya un impacto tremendo en el manejo de transmisi�n de informaci�n. Ya se vislumbra que los sistemas con fibras �pticas operen a velocidades extremadamente altas, lo que incrementar� en forma extraordinaria sus capacidades; por ejemplo, ser� posible que un par de fibras tenga capacidad para conducir 50 000 llamadas telef�nicas simult�neas.
Se ha complementado el sistema de transmisiones a base de fibras �pticas con el desarrollo de l�seres microsc�picos, como fuentes de luz. Los primeros l�seres peque�os, fabricados a base de materiales semiconductores, que fueron construidos en la d�cada de 1970, eran del tama�o de un grano de sal de mesa y se pudieron adaptar f�cilmente a las fibras �pticas.
Hoy en d�a, los l�seres semiconductores son todav�a m�s peque�os. Dos millones de ellos caben en un bloque del tama�o de una u�a.
En la actualidad, en los circuitos electr�nicos las conexiones tradicionales hechas con cables met�licos se est�n reemplazando por fibras �pticas y l�seres semiconductores como fuentes de radiaci�n. Sin embargo, una vez que la luz sale de la fibra, se necesita reconvertirla en se�al el�ctrica para alimentarla a los dispositivos electr�nicos que usan electricidad. Por ejemplo, las conexiones entre chips de computadoras se pueden hacer por medio de fibras �pticas.
Hasta el momento las l�neas telef�nicas con fibras �pticas que se han colocado en muchas ciudades solamente conectan un poste con el siguiente, y del poste al hogar o la oficina todav�a hay cableado con alambres que conducen electricidad. Una vez que �stos se cambien por fibras �pticas, hecho que a la larga ocurrir�, aumentar� mil veces la capacidad de informaci�n y se podr�n hacer cosas tales como comprar por medio de la televisi�n, instalar vide�fonos, que no solamente transmiten la voz sino que tambi�n env�an im�genes, etc�tera.
A la mezcla de fot�nica con electr�nica se le llama optoelectr�nica.
De la misma forma en que las fibras �pticas han iniciado la transformaci�n radical de las comunicaciones tambi�n han empezado una revoluci�n en algunos aspectos de la medicina. Por medio de estas fibras se ha abierto una ventana hacia los tejidos del cuerpo humano. Insertando fibras �pticas a trav�s de aberturas naturales o peque�as incisiones, y ensart�ndolas a lo largo de arterias u otras trayectorias, los m�dicos pueden observar los pliegues del intestino, las c�maras del coraz�n y muchas otras regiones antes inaccesibles.
La primera aplicaci�n m�dica de las fibras �pticas fue en sistemas de im�genes, llamados fibrascopios, y se llev� a cabo en 1957 por Basil L. Hirschowitz y Lawrence Curtis, de la Universidad de Michigan. Ellos construyeron el primer fibrascopio para observar el est�mago y el es�fago.
A partir de esa fecha los dispositivos se han refinado de tal forma que pueden inspeccionar pr�cticamente cualquier �rgano o sistema del cuerpo humano.
Las fibras �pticas usadas en medicina han sido incorporadas en el fibrascopio, compuesto por dos manojos de fibras �pticas (Figura 61). Uno de ellos conduce luz visible y sirve para iluminar el tejido bajo escrutinio, y el otro se utiliza para transmitir la imagen.

Figura 61. Esquema de un fibrascopio que usa fibras �pticas.

El manojo que ilumina recibe la luz de una fuente de alta intensidad y a la salida ilumina el tejido. La luz reflejada se recoge en el otro manojo, que la transmite a alg�n medio que la transforma en una imagen de televisi�n o en una fotograf�a.
Se ha a�adido al fibrascopio otro manojo de fibras �pticas que transmite radiaci�n de l�ser con el fin de realizar alguna operaci�n, como la eliminaci�n de bloqueos de una arteria. En la figura 62 se muestra c�mo se introduce en la arteria del brazo un fibrascopio que se dirige, a trav�s de la aorta, hasta una arteria coronaria que est� bloqueada. Si este bloqueo no es tratado produce un ataque mortal al coraz�n. Por medio del manojo de iluminaci�n el m�dico puede ver la placa que bloquea la arteria. Entonces se acciona un globo el�stico con el fin de impedir el flujo de sangre mientras dura la intervenci�n. En seguida se env�a un haz de radiaci�n de l�ser por el tercer manojo de fibras �pticas, que por ser energ�tico vaporiza la placa y destruye el bloqueo. Posteriormente se desinfla el globo y se restablece la circulaci�n. De esta manera se puede remover el bloqueo sin necesidad de operaciones peligrosas y costosas.

Figura 62. Forma en que un fibrascopio elimina un bloqueo de una arteria coronaria.

Una importante aplicaci�n de las fibras �pticas en la medicina ha sido la de proveer energ�a de radiaci�n l�ser dentro del cuerpo, directamente a los �rganos de inter�s, para realizar cirug�a y terapia, eliminando en gran medida los procedimientos invasivos en los cuales tejidos sanos se deben cortar o eliminar con el fin de poder llegar al lugar de la enfermedad, como ocurre con las operaciones tradicionales. As�, con ayuda de las fibras �pticas ya empieza a ser posible el tratamiento de tumores y c�nceres, pues se destruyen las c�lulas malignas sin da�ar los tejidos vecinos.
Se est�n dise�ando t�cnicas y procedimientos, con ayuda de fibras �pticas, para diagn�sticos y tratamientos que no requieran anestesia y que se pueden llevar a cabo con toda seguridad en el consultorio del m�dico, reduciendo notablemente los riesgos propios de las operaciones, con el consiguiente ahorro econ�mico. Estos procedimientos se podr�n aplicar en los casos en que la cirug�a es peligrosa o imposible, como a veces ocurre en ni�os o en personas de edad.
En varios laboratorios del mundo, por ejemplo en ATT Bell Laboratories de los Estados Unidos, se est� llevando a cabo un notable esfuerzo de investigaci�n para construir dispositivos que realicen con fotones, o sea con luz, funciones que hasta ahora se han logrado con medios electr�nicos, como en los amplificadores, rectificadores, transistores, etc. En enero de 1991 se termin� de construir un prototipo de computadora en la que el procesador funciona por medios �pticos y las conexiones se realizan por fibras �pticas. Este procesador no utiliza electricidad sino luz para procesar la informaci�n. Aunque todav�a en fase muy primitiva, el procesamiento fot�nico ofrece la promesa de computadoras con tiempos de procesamiento de entre 1 000 y 10 000 veces menores a los que ofrecen las electr�nicas.
Esto es un avance de lo que seguramente vendr� en el futuro, un cambio progresivo de la electr�nica a la fot�nica. Es posible que la fot�nica no logre reemplazar completamente a la electr�nica, pero realizar� funciones que hasta ahora han estado fuera de la capacidad de la electr�nica y la empezar� a suplantar en muchos campos. Una notable ventaja posible ser� la conexi�n, por medios fot�nicos, de componentes que realizan diferentes funciones y que se encuentran en distintos lugares, es decir, conexiones sin necesidad de cables, lo cual nos liberar� de las restricciones f�sicas del cableado.
En la d�cada de 1990 y posiblemente m�s all�, veremos la transici�n de la computaci�n hacia la fot�nica. Las conexiones inal�mbricas de la fot�nica proveer�n computaci�n pr�cticamente instant�nea, ya que las se�ales electromagn�ticas se propagan a la velocidad de la luz. Adem�s debido a que los rayos de luz no interaccionan entre s�, las arquitecturas de computaci�n paralelas en forma masiva ser�n factibles. Esto es muy importante, ya que con las conexiones tradicionales se est� llegando al l�mite de lo que f�sicamente es posible en la miniaturizaci�n.
Otra posibilidad importante ser� el uso de la fot�nica en interruptores y conmutadores, que junto con la transmisi�n y computaci�n fot�nicas tendr�n un extraordinario efecto en la revoluci�n de las telecomunicaciones que se est� dando en la d�cada presente.
Se puede afirmar que en el siglo XX fue el de la electr�nica, mientras que el XXI ser� el de la fot�nica.