En febrero de 1880, en su laboratorio de Washington, el inventor estadounidense Alexander Graham Bell desarrolló un dispositivo que él mismo llamó su mayor logro, incluso superior al teléfono: el «fotófono». La idea de Bell de transmitir palabras habladas a grandes distancias mediante la luz fue el antecedente de una tecnología sin la cual el internet moderno sería impensable.
Hoy en día, enormes cantidades de datos se envían a una velocidad increíble a través de cables de fibra óptica en forma de pulsos de luz. Para ello, primero deben convertirse de señales eléctricas, que utilizan los ordenadores y los teléfonos, en señales ópticas. En los tiempos de Bell, bastaba con un espejo sencillo y muy delgado que transformaba las ondas sonoras en luz modulada. Los moduladores electroópticos actuales son más complejos, pero tienen una cosa en común con su lejano antecesor: miden varios centímetros, lo que sigue siendo bastante grande, sobre todo si se compara con los dispositivos electrónicos, que pueden medir apenas unos pocos micrómetros.
En un artículo fundamental publicado en la revista científica «Nature Photonics», Juerg Leuthold, catedrático de fotónica y comunicaciones de ETH Zurich, y sus colegas presentan ahora un novedoso modulador que es cien veces más pequeño y que, por ello, puede integrarse fácilmente en circuitos electrónicos. Además, el nuevo modulador es considerablemente más barato y rápido que los modelos habituales, y consume mucha menos energía.
El truco del plasmón
Para este juego de manos, los investigadores dirigidos por Leuthold y su doctorando Christian Haffner, que contribuyó al desarrollo del modulador, recurren a un truco técnico. Para construir el modulador más pequeño posible, primero deben enfocar un haz de luz cuya intensidad quieren modular en un volumen muy pequeño. Sin embargo, las leyes de la óptica dictan que dicho volumen no puede ser menor que la longitud de onda de la propia luz. Las telecomunicaciones modernas utilizan luz láser con una longitud de onda de un micrómetro y medio, que, en consecuencia, constituye el límite inferior del tamaño de un modulador.
Para superar ese límite y hacer el dispositivo aún más pequeño, la luz se convierte primero en los llamados polaritones de plasmón superficial. Los polaritones de plasmón son una combinación de campos electromagnéticos y electrones que se propagan a lo largo de la superficie de una tira metálica. Al final de la tira, se convierten de nuevo en luz. La ventaja de este rodeo es que los polaritones de plasmón pueden confinarse en un espacio mucho menor que la luz de la que proceden.
El índice de refracción modificado desde el exterior
Para controlar la potencia de la luz que sale del dispositivo y, así, crear los pulsos necesarios para la transferencia de datos, los investigadores utilizan el principio de funcionamiento de un interferómetro. Por ejemplo, un haz láser puede dividirse en dos brazos mediante un divisor de haz y recombinarse con un combinador de haz. Las ondas luminosas se superponen entonces («interfieren») y se refuerzan o debilitan mutuamente, según cuál sea su estado de fase relativo en los dos brazos del interferómetro. Un cambio de fase puede resultar de una diferencia en el índice de refracción, que determina la velocidad de las ondas. Si un brazo contiene un material cuyo índice de refracción puede modificarse desde el exterior, la fase relativa de las dos ondas puede controlarse y, por tanto, el interferómetro puede utilizarse como modulador de luz.
En el modulador desarrollado por los investigadores de ETH Zurich no son haces de luz, sino polaritones de plasmón, los que se envían a través de un interferómetro de solo medio micrómetro de ancho. Al aplicar un voltaje, puede variarse el índice de refracción y, por tanto, la velocidad de los plasmones en uno de los brazos del interferómetro, lo que a su vez modifica su amplitud de oscilación a la salida. Después, los plasmones se vuelven a convertir en luz, que se introduce en un cable de fibra óptica para su transmisión posterior.
Comunicación más rápida con menos energía
El modulador construido por Leuthold y sus colegas reúne varias ventajas a la vez. «Es increíblemente pequeño y sencillo, y además es el modulador más barato que se ha construido jamás», explica Leuthold. Y sencillo lo es, ya que está compuesto por una capa de oro de solo 150 nanómetros de grosor sobre vidrio y por un material orgánico cuyo índice de refracción cambia al aplicar una tensión eléctrica, modulando así los plasmones dentro del interferómetro. Al ser un modulador mucho más pequeño que los dispositivos convencionales, consume muy poca energía: unas pocas milésimas de vatio a una velocidad de transmisión de datos de 70 gigabits por segundo. Esto equivale apenas a una centésima parte del consumo de los modelos comerciales.
En este sentido, contribuye a la protección del medio ambiente, dado que la cantidad de energía utilizada en todo el mundo para la transmisión de datos es considerable; al fin y al cabo, hay moduladores en cada una de las líneas de fibra óptica. Cada año se necesita transmitir cantidades crecientes de datos a velocidades cada vez mayores, lo que conlleva un consumo energético creciente. Un ahorro de energía cien veces mayor sería, por tanto, más que bienvenido. «Nuestro modulador ofrece más comunicación con menos energía», resume el catedrático de ETH Zurich. Actualmente, la fiabilidad del modulador se está comprobando en ensayos a largo plazo, un paso crucial para hacerlo apto para su uso comercial.
Este artículo se publica en colaboración con Zurich. La publicación no implica el respaldo de las opiniones por parte del Foro Económico Mundial.
Para estar al día con la Agenda, suscríbase a nuestro boletín semanal.
Autor: Oliver Morsch es redactor colaborador de ETH Zurich.
Imagen: Una oblea de 12 pulgadas se muestra en la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) en Xinchu, el 9 de enero de 2007. REUTERS/Richard Chung.
