Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

… ¡Y la luz se hizo!

No sería arriesgado predecir que el apelativo para el siglo XXI pudiera ser el del siglo de la información. Son ilimitados los logros posibles al respecto, en dos campos tan diversos como el de la información biológica y el de la información física. El Proyecto Genoma Humano ha sido el espectacular punto de inicio para el primero. En el caso de la anhelada transferencia de miles de billones de bits por segundo el punto de partida pudiera ser el de los LED (light-emitting device: dispositivos emisores de luz) de silicio.

El mundo actual de la comunicación de datos descansa en una especie de mesa con tres patas. La primera es la electrónica, donde se originan y se reciben los datos, y se basa en los microcircuitos digitales de silicio. La segunda pata es la fotónica, con grandes tendidos de fibra óptica por donde fluye la información. La tercera también es electrónica, la del almacenamiento de datos. Ello supone la existencia de interfases y de módulos de compatibilidad. Todo sería más sencillo y eficaz si además de la transmisión, el resto de la tecnología de la telecomunicación, basada en el silicio, se realizase con fotones, es decir, que usase la luz. Entraríamos en una nueva era de la tecnología de las comunicaciones. Precisamente esto es lo que parece que empieza a ocurrir.

CRECIMIENTOS. La unidad de información es el bit, equivalente a la posibilidad de almacenar la selección entre dos posibilidades igualmente probables, que en base binaria serían el 0 y el 1. El desarrollo tecnológico es muy veloz en cada una de las tres patas antes señaladas, pero existen diferencias entre ellas. De acuerdo con la denominada ley de Moore, se tardan 18 meses para que, con el mismo costo, se duplique la capacidad de los microcircuitos integrados de silicio. En la tecnología de almacenamiento de datos se duplica el rendimiento de una determinada inversión (en forma de bits por centímetro cuadrado de superficie) cada 12 meses. Y esos tiempos de duplicación se reducen a solo 9 meses para duplicar (bits por segundo) el rendimiento de la fibra óptica.

Cada día se tiende en el mundo una cantidad de cable de fibra óptica suficiente para dar tres vueltas a la Tierra. Actualmente el tráfico medio en las grandes arterias troncales usadas por Internet es del orden de un billón de bits (un terabit) por segundo. Pero las redes más avanzadas existentes están llegando a una capacidad de transmisión de diez mil terabits (10 petabits) por segundo. Entonces, ¿estamos aun muy lejos de la saturación?. No, ya que las previsiones, tan solo en lo referente a Internet, indican la posibilidad de que su desarrollo exija flujos superiores a esos diez petabits por segundo. Si la llamada "metacomputación" se hace realidad, con múltiples sistemas de ordenadores que compartirán en la red sus mutuas capacidades de computación, se podrían necesitar capacidades de hasta 200 petabits por segundo.

FIBRA ÓPTICA. La solución para la transmisión es posible: es la fibra óptica. Una fibra posee un núcleo de vidrio rodeado de una funda envolvente. Sus respectivos índices de refracción impiden que los fotones, la luz, se salga de su camino. Forzosamente penetran y salen por los extremos de la fibra. Los datos electrónicos son convertidos en fotones de longitud de onda entre 1.200 y 1.600 nanómetros por un emisor de luz (un diodo fotoemisor, un láser) que introduce los fotones por un extremo de la fibra óptica. Estos fotones pueden viajar bastantes kilómetros a lo largo de la fibra óptica hasta que es necesario reforzar la señal. A principios de los 90 se descubrió que ello podía realizarse sin amplificadores electrónicos, introduciendo cada determinado trayecto un segmento de fibra dopado con el elemento químico erbio. Una misma fibra puede encauzar multitud de longitudes de onda luminosas diferentes y cada longitud de onda se puede convertir en portadora de un gran volumen de datos. En ello consiste la técnica conocida como DWDM (multiplexación densa por división de longitudes de onda), que es aplicable a tendidos previamente existentes. Actualmente se pueden enviar más de 160 frecuencias simultáneas, lo que se traduce en una gran anchura de banda por fibra, unos 0,4 terabits que es muy superior a la de las transmisiones por microondas o a la de los enlaces vía satélite, sus competidores en las comunicaciones a larga distancia.

Los avances en la tecnología de las fibras ópticas son tan veloces que para responder a las demandas previsibles en cuatro años se necesitarán anchuras de banda cien veces superiores a las actuales.

FUTURO. Imaginemos unos datos iniciales procedentes de un teléfono, de un ordenador o de una emisión de televisión. Para que llegue la información correspondiente a su destinatario, actualmente, a lo largo del trayecto varias veces ha de hacerse la conmutación de la señal electrónica a señal fotónica luminosa y viceversa. Conforme aumentan las velocidades de transmisión el coste de los sistemas electrónicos necesarios se incrementa exponencialmente y existe el peligro real de que se sobrecarguen los sistemas de procesamiento y de memoria necesarios para realizar esas conmutaciones.

Por ello, se piensa que las soluciones futuras serán redes de ondas lumínicas, exentas de conmutaciones electrónicas. Serán capaces de combinar, amplificar, conmutar o restaurar las señales ópticas. Volviendo a los ejemplos anteriores, las señales del teléfono, ordenador o vídeo serían tratadas por un multiplexor denso por división de longitudes de onda (DWDM), que las introduciría en una única fibra óptica. Cuando fuese necesario, a lo largo del camino hacia el destino final, amplificadores ópticos amplificarían las señales. Un conmutador óptico se encargaría de encaminar las diversas longitudes de onda, que tras ser amplificadas, también ópticamente, llegarían al desmultiplexor final que separaría cada longitud de onda y la encaminaría a sus destinos concretos.

En todo caso son muchos e importantes los interrogantes que habrían de resolverse antes de la puesta a punto de esta nueva tecnología.

PRESENTE. Como ejemplo de que el camino está iniciado nos puede servir el desarrollo, por parte de un equipo investigador de la Universidad inglesa de Surrey, de un prototipo de LED de silicio, que convierte la electricidad en luz, tan eficazmente como los LED tradicionales de semiconductores. Hasta ahora la Optoelectrónica había sido incapaz de integrar los LED en los chips de silicio. Por ello, la separación física de los LED y de la circuitería electrónica era un verdadero cuello de botella para la miniaturización y eficacia de los sistemas.

Para lograr el éxito el silicio ha tenido que dividirse en partículas nanométricas (millonésimas de milímetros) dispuestas de un modo "esponjosos" sobre una superficie, que para ser preparada adecuadamente se bombardea con átomos de boro y se calienta a 1.000ºC, adquiriendo sus propiedades semiconductoras y fotoemisoras