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Veamos en primer lugar qué hace la luz dentro de una fibra óptica. Una fibra óptica es como un pelo, pero de vidrio puro. Al igual que nuestros cabellos están formado por varias capas, la fibra también tiene fundamentalmente tres capas. Un Núcleo,que es el centro por donde viaja la luz, un Revestimiento, que se realiza con un material óptico y cuya función principal es que la luz vuelva al núcleo, la refleja para que no se escape. Por último una Cubierta Externa de plástico, cuya función principal es la de protección.

Imagínate que quieres iluminar con una linterna un pasillo largo y recto…en principio no habría ningún problema, apuntas al final del pasillo y la luz viaja en línea recta. Tu puedes ver el pasillo al completo. Pero si el pasillo tiene alguna esquina, ya no lo verías. Si quieres ver esa zona, deberías poner un espejo en la esquina, de manera que refleje el rayo de luz y la ilumine. Si en lugar de un pasillo tienes un laberinto, ya tendrías que hacer un estudio detallado de cuántos espejos necesitarías poner y dónde, para tener iluminado todo el laberinto. Pues eso exactamente es lo que ocurre en la fibra óptica. El núcleo sería el pasillo, y la luz iría rebotando continuamente por el revestimiento, que serían los espejos en las paredes. Es decir, los fotones avanzan a cabezazos. Si el revestimiento es perfecto, no absorbe nada de luz, por lo que se pueden alcanzar grandes distancias. Pero como nada es perfecto, tanto el revestimiento como el núcleo presentan impurezas que irán degradando la señal. En una fibra monomodo, que son las que se utilizan para transmitir la información a largas distancias, la luz puede tomar un único camino a través del núcleo

La luz es una onda electromagnética, y como tal presenta lo que se llama modo transversal, asociado al frente de onda, es el perfil del campo electromagnético en un plano perpendicular (transversal) a la dirección de propagación de la onda, en este caso, de la luz. Se producen por las condiciones de frontera impuestas, en este,  por la fibra óptica. Los modos son cuantizados y pueden hallarse mediante la solución de las ecuaciones de Maxwell para las condiciones de frontera adecuadas, que en el caso de una fibra son condiciones de contorno cilíndricas. Por lo tanto la luz que entra en la fibra óptica se propaga a través del núcleo en modos, que representan a los diferentes caminos posibles de las ondas luminosas. En concreto en la fibra tenemos lo que se conoce como modo híbrido, ya que existe componente tanto de campo eléctrico como de campo magnético en la dirección de propagación. En concreto  los modos TE01 (Transversal Eléctrico)y TM01 (Transversal Magnético), que serían las soluciones de las ecuaciones de Maxwell para contorno cilíndrico. Créetelo. Esto lo que significa es que la luz dentro de una fibra avanza en zig-zag, cambiando de trayectoria cada vez que choca con la frontera entre el núcleo y el revestimiento.

Un equipo investigador del Institute of Ultrafast Spectroscopy and Lasers, en Nueva York, ha desarrollado una nueva forma de controlar el movimiento de la luz. De esta manera podrán multiplicar los caminos por los que ésta viaja, aumentando considerablemente el ancho de banda que soportan los cables de fibra óptica. Es decir, podrías transmitir más información por el mismo cable. Te vas a hartar de Banda Ancha…

Lo que han planteado estos investigadores, es que cuanto más camino tenga la luz que recorrer, más cantidad de información podrá llevar consigo. Y ya sabemos que la línea recta es el camino más corto, por lo menos en algunas geometrías. De manera que lo que proponen es que la luz en lugar de ir en zig-zag lo haga dibujando una espiral.

La polarización es la manera de imponer una determinada dirección a la luz, al contrario de lo que sucede por ejemplo con una bombilla, cuando la enciendes, la luz emana en todas las direcciones. Lo que queremos nosotros es que la luz vaya por donde le digamos, tal y como sucede en un láser o dentro de la fibra óptica.

Hasta ahora, la forma más simple de luz, en estado fundamental, podía ser mapeada y controlada porque iba por un único camino. La cuestión es que podrían ser ocupados  múltiples caminos en una fibra óptica, los cuales ahora están vacantes, si usáramos una luz más compleja.

La Esfera de Poincaré es un modelo para representar los diferentes estados de polarización de la luz en una esfera. Sirve para estudiar los efectos que producen los medios materiales sobre la polarización de la luz, que interacciona con ellos. Este modelo se ha usado durante mucho tiempo para modelar la luz simple. Esta luz presenta picos y valles, como las olas del mar, y se mueve o vibra en los planos de las ondas. Esos planos de onda cortan a la esfera y se establecen puntos de referencia. Sería algo parecido a cómo se identifica una ubicación en La Tierra, con latitud y longitud.

Pero la luz compleja se mueve tanto con spin como con momento angular orbital, más o menos como el movimiento de nuestra luna, que gira sobre su eje y orbita sobre nuestro planeta.

Este tipo de luz se retuerce como un tornado mientras se desplaza a través del espacio, generando vórtices. Para mapear esos vórtices, los investigadores han extendido la esfera existente y han desarrollado una Esfera de Poincaré de mayor orden. El modelo que han inventado utiliza su Esfera de Poincaré de mayor orden para reducir lo que podrian ser páginas plagadas de compleja matemáticas a ecuaciones simples. La nueva esfera organiza la relación entre los vórtices de la luz, facilitando la comprensión de muchos fenómenos.

¿Para que podría valer esto? Para todo: computación cuántica, transiciones ópticas, incrementar la sensibilidad de la espectroscopía, aumentar la complejidad de la criptografía computacional…y sobre todo, podría empujar los límites de lo que podemos ver…ahí es nada.

Las Redes de Transporte suelen ser las grandes desconocidas para los que no están directamente relacionados con el negocio de las Redes de Telecomunicación. Y sin embargo, son imprescindibles para que la comunicación fluya de un lugar a otro.

Seguro que has escuchado hablar de Redes IP, de Redes Ethernet, del ADSL, de la Fibra….pero esto del transporte te suena a coche, tren, y similares. Bueno no vas desencaminad@, porque el concepto es exactamente el mismo. Cada una de las tecnologías que intervienen en un sistema de comunicación tiene su función. La función de la Red de Transporte, o de Transmisión, es llevar, físicamente, la información de un lugar a otro, normalmente de manera transparente. Es decir, da igual que se trate de una llamada de teléfono, de un acceso a tu correo electrónico o de una película que estás viendo en tu televisor. La información al final son 1 y 0 que van de un sitio a otro. Y lo hacen mediante estas redes.

La Red de Transporte, por lo tanto, une los POP o Puntos de Presencia, de los Operadores de Telecomunicación. Y para ello se utiliza fibra óptica principalmente, ya que es el portador que mayor ancho de banda permite. También se pueden utilizar cables de cobre o coaxial, pero están tendiendo a desaparecer, por alcance y por ancho de banda. Otra alternativa interesante en zonas aisladas o de difícil acceso es utilizar las conexiones radioeléctricas. Cuando veais una torre de antenas, las que son planas y rectangulares son de servicios móviles, pero las que son como panderetas grandes o como parabólicas pequeñas pertenecen a la red de transporte.

  La arquitectura de este tipo de redes es diversa, y cada operador despliega las que mas le conviene según el tipo de zona que quiera cubrir y según el tráfico que quiera transportar. Por ejemplo se pueden utilizar topologías en forma de anillo, es decir, todos los nodos estarían conectados formando un anillo. Tiene la ventaja de que es una forma barata y fácil de desplegar una red, además presenta cierto tipo de seguridad ante la caida de un enlace, ya que siempre se puede dar la vuelta al anillo por el otro lado para llegar al destino. Las arquitecturas en forma de malla, es decir, nodos unidos unos con otros en mayor o menor grado son mucho más flexibles y versátiles, pero son más caros de desplegar, hay más enlaces entre los nodos. Y precisamente gracias a esto, una arquitectura en malla puede tener varios caminos alternativos para llegar de un punto a otro.

Las tecnologías que se utilizan en este tipo de redes suelen clasificarse en dos grandes tipos:

  • Sistemas Síncronos, se trata de equipos eléctricos, que manejan electrones para hacer los 1 y 0. La tecnología por excelencia en Europa es  SDH (Jerarquía Digital Síncrona), que podría equipararse a un tren que consta de la locomotora, y los vagones.  El tren tiene un horario que cumplir, siempre llega y sale de la estación puntualmente. En los vagones es donde se almacena la información de los distintos tipos de tráfico, desde la voz, hasta los datos, pasando por vídeo y lo que quieras.
  • Sistemas Ópticos, es decir, que manejan fotones. Aquí la tecnología estrella es el WDM, Multiplexación por División en Longitud de Onda. Cuando llueve y hace sol, la luz que emite el sol al atravesar las gotas de agua se desparraman en los colores del arcoiris. Eso es lo que hace esta tecnología. Lo que se consigue es tener una autopista de muchos carriles para ir de un lugar a otro, en lugar de una carretera de un solo sentido. Sobre una fibra óptica se transmiten muchos colores y cada color es un canal de comunicación independiente

Las Redes de Transporte, hasta ahora, han sido redes independientes y transparentes, es decir, les daba igual transportar un paquete IP, o una trama Ethernet, porque no los tocaban, solo cogían la información y la envíaban de un punto a otro. La evolución de las redes hacia el concepto de NGN, Redes de Nueva Generación está cambiando la visión y el papel de la red de transporte. Las nuevas soluciones pasarían por integrar funcionalidades de transporte en los diferentes tipos de redes, o bien, implementar nuevas tecnologías que permitan transportar los paquetes de forma eficiente. Estas tecnologías podrían ser MPLS-TP, PBB…demasiado para incluirlo aquí.

Últimamente se habla mucho del grafeno. Los avances que está habiendo al respecto están levantando muchas expectativas en diferentes campos y es un material de moda en el mundo científico. En concreto, de lo que yo os voy a hablar es de las noticias que hace unos dias inundaron los medios y que hablaban básicamente de que el grafeno incrementará las velocidades de conexión a internet prácticamente hasta el infinito y más allá…Ya será menos.

Bueno, en primer lugar, esto del grafeno…¿qué es lo que es?. El grafeno es Carbono, igual que un diamante, igual que la mina de un lápiz,  igual que el componente fundamental de todos los seres vivos. Pocos elementos de la tabla periódica son más versátiles que el Carbono. Obviamente un lápiz no es un diamante. Lo que diferencia a todos estos elementos compuestos de Carbono es la estructura interna que adopta dicho elemento, es decir, cómo se colocan los átomos. En el caso del grafeno, los átomos de Carbono se colocan como las celdas hexagonales de una colmena, formando una estructura plana y bidimensional. Si cogemos el plano formado por el grafeno y lo convertimos en un cilindro…voilà! obtenemos nanotubos de Carbono, en concreto de pared única. Los nanotubos de Carbono son el primer material conocido que es capaz de soportar indefinidamente su propio peso suspendido sobre nuestro planeta…imprescindible para el ascensor espacial. Pero esa es otra historia que ha sido y será contada en otro momento y en otros contextos.

Aquí hemos venido a hablar de grafeno, del panal de abejas hecho de Carbono que al colocarse de esa manera, se obtienen unas propiedades sorprendentes. El grafeno es más resistente que el acero, unas 200 veces, además de ser flexible y un conductor excelente de la electricidad y el calor. Como se trata de un material que podemos fabricar de manera relativamente fácil y con unas propiedades tan estupendas, está generando grandes expectativas…sobre todo porque nuestro planeta está petao de Carbono, así que la materia prima no es nada complicada de encontrar, y los procesos de fabricación se van mejorando día a día, y eso significa que se va abaratando la fabricación en masa.

Pero lo interesante desde el punto de vista de la electrónica en general y de las telecomunicaciones en particular, y es que presenta unas propiedades óptimas para la fabricación de circuitos integrados gracias a cómo se mueven los electrones en el grafeno. Los electrones que se trasladan sobre el grafeno se comportan como fermiones de Dirac, que se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía, como ocurre con la luz. Los electrones del grafeno se mueven libremente por toda la lámina y no se quedan atrancados en zonas de las que no pueden salir, que es lo que suele pasar en los materiales bidimensionales cuando hay impurezas, es decir, los que se utilizan actualmente.

Al tener tan alta movilidad de portadores, y además un bajo nivel de ruido, lo podemos utiizar como canal en transistores de efecto de campo que pueden operar a frecuencias realmente altas, superando los 300 GHz. Tiene toda la pinta que el grafeno podría sustituir al Silicio en los dispositivos electrónicos, aunque no todos están de acuerdo, porque al no tener una banda de resistividad, no puede parar de conducir la electricidad, es decir, no se puede apagar. El Silicio sí.

La base de la electrónica actual son los transistores, que para el mundo mundial pueden asemejarse a grifos, que dejan pasar o no la corriente eléctrica en función de si están abiertos o cerrados, y ese abrir y cerrar se realiza mediante cambios de potencial y corriente. Normalmente, un transistor se basa en Silicio. Imaginatelo como una pastilla de Silicio sobre la que se pone tres trocitos de materiales dopados, es decir, a los que se les añade algún elemento químico diferente a su composición, lo que decíamos antes de las impurezas. La gracia de todo esto es que las impurezas son las que facilitan la generación de electrones y huecos, que es en lo que consiste la electricidad.  Un circuito integrado es básicamente un montón de transistores interconectados de manera que realicen las funciones para las que ha sido diseñado dicho circuito. De manera que el grafeno lo que haría sería sustituir a la pastilla de Silicio, el resto del diseño también cambiaría claro.

¿Cómo puede aplicarse este material al campo de las telecomunicaciones? Se puede generar energía eléctrica colocando dos alambres de metal encima del grafeno y proyectando una luz brillante sobre el dispositivo….peeeeero el grafeno absorbe muy poca luz, con lo que la eficiencia del sistema es terriblemente baja. Para resolver este inconveniente usamos a nuestros amigos, los plasmones, que pondremos encima del grafeno y que mejorarán considerablemente las prestaciones, hasta 20 veces. Los plasmones son nanoestructuras metálicas. Igual que un fotón es una cuantización de la oscilación de un campo electromagnético, y un fonón es una cuantización de la oscilación de un campo mecánico, un plasmón es una cuantización de las oscilaciones de un plasma, gas ionizado para los amigos. Esto quiere decir, que puedo usar el grafeno como fotodetector en las comunicaciones de alta velocidad, ya que puedo obtener dispositivos increiblemente rápidos, gracias a cómo se comportan los electrones en el grafeno, a cómo se mueven y a cuanta velocidad lo hacen. La fibra óptica será la misma, pero los dispositivos que generan y modulan la señal que luego se transporta por la fibra, si se hicieran con grafeno, alcanzarían mayores velocidades que las actuales. Pero para ello debería inventarse el equivalente al transistor de Silicio, alma mater de la electrónica actual, basándonos en Grafeno y Plasmones. En un futuro no muy lejano podríamos disfrutar de una tremenda orgía fotónica y optoelectrónica gracias a la combinación de Plasmones y Grafeno. ¿Te pone, ein?

Actualmente, la mayoría de internautas acceden a internet por su par de cobre de toda la vida, gracias a la modulación multiportadora DMT que configura la señal XDSL. En España en concreto usamos la A, A2+ y la V como representantes de la familia. El XDSL ha ido aumentando la velocidad de bajada generación tras generación, pero de donde no hay no se pué sacá, de manera que es el momento de saltar del electrón al fotón.

Algunos privilegiados o aventureros, no sabría muy bien como clasificarlos, disponen ya de una tecnología de fibra que llega hasta su casa. Lo que se conoce como FTTX, Fiber to The X…X pueden ser varias cosas, el edificio, la acera, el nodo…tu casa FTTH Fiber to the Home. Ojo, no confundir con lo que algunos llaman la fibra es mejor y lo que realmente te conecta al mundo es un cable coaxial…sí, sí…el de la tele que viene de la antena.

Bien, FTTH hace referencia estricta a lo que es la arquitectura del portador físico, o sea la fibra óptica. Pero en realidad, igual que en el cobre se utilizaba la tecnología XDSL, en la fibra lo que se está usando es la tecnología GPON, G de gigabit y PON de Passive Optical Network, es decir, redes ópticas pasivas, FTTH vaya.

La tecnología GPON tiene una longitud de onda, que es como el carril de una carretera, siendo la carretera la fibra,y el sentido desde el mundo a tu casa, que llega a todos los clientes con una velocidad de 2.5 Gbps. No está mal. La longitud de onda de subida, es decir, de la central al mundo es de 1.25 Gbps. No es exactamente simétrico, pero vaya tampoco tiene la asimetría exagerada de la familia XDSL. Dispone de una tercera longitud de onda del mundo a tu casa, que por ahora es como carril cerrado que no se usa, pero en otros lados sí que se usa, para la distribución de TV en particular y contenidos multimedia en General.

Esta tecnología evolucionará a medio plazo incrementándose la velocidad desde los 2.5 Gbps a los 10 Gbps, puede que hasta 40 Gbps cambiando un poco la arquitectura. Pero como siempre, los gurús tecnológicos hablan hace tiempo de la tecnología WDMPON, WDM significa Multiplexación por División en Longitud de Onda, es como la luz blanca cuando pasa por un prisma y se desparrama en los colores del arcoiris. La idea es que en vez de haber una única carretera donde vamos todos en fila, en el caso del WDM PON cada uno tendría su propia carretera, su propio color. Estamos hablando ya de cuando llegue a nuestra casa 1 Gbps y subiendo.

La tecnología WDM está mas que consolidada en los backbone de red. Pero la electrónica es todavía muy cara para trasladar esta tecnología a millones de clientes. El futuro está aquí hace tiempo, sólo que todavía es demasiado caro.

El salto en lo que se llaman redes de acceso, o sea las que nos conectan al mundo es incierto, pero lo único que está claro es que será una tecnología PINYPON.