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May 31, 2023

El invento que permitió que la fibra óptica se extendiera por todo el mundo

Muchas grandes historias del año 1985 tuvieron su momento de gloria y ahora están casi olvidadas: New Coke, “We Are the World”, el auge de la autoedición. Pero un invento oscuro en ese momento

Muchas grandes historias del año 1985 tuvieron su momento de gloria y ahora están casi olvidadas: New Coke, “We Are the World”, el auge de la autoedición. Pero un invento de ese año, entonces oscuro, ha eclipsado durante mucho tiempo los titulares espumosos de su época, porque comprende una parte no pequeña de la infraestructura de comunicaciones que mantiene unida la Internet moderna. En 1985, el entonces estudiante de posgrado Robert Mears describió por primera vez el amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA), un dispositivo que utiliza la energía de un láser para amplificar señales que pasan a través de una fibra óptica modificada químicamente. El EDFA permite que las señales ópticas cubran distancias transcontinentales sin necesidad de decodificarlas en bits electrónicos. También permite a los operadores de telecomunicaciones empaquetar terabits por segundo de señales en fibras ópticas submarinas individuales. Sin él, las telecomunicaciones de larga distancia serían limitadas y costosas. Mears anunció el logro en un artículo de 1985 en la revista Electronics Letters del IEEE. (Hoy en día, Mears es director de tecnología y fundador de la empresa de mejora del rendimiento del silicio Atomera). En un intercambio con IEEE Spectrum, Mears analizó el impacto de su artículo de 1985 y cómo le llevó a su trabajo actual, un método para modificar químicamente el crecimiento de los cristales de silicio para mejorar la función y confiabilidad del transistor.

IEEE Spectrum: ¿De qué trata este artículo y por qué cree que ha sido tan influyente?

Robert Mears : El artículo describe la primera demostración de ganancia óptica en un amplificador de fibra óptica dopado con erbio. En el artículo, demostré que era posible una amplificación óptica de 30 decibelios en la entonces nueva longitud de onda de telecomunicaciones de 1,5 micrómetros con una potencia de bomba láser de entrada práctica en el rango de unos pocos milivatios. Hoy en día, el amplificador se conoce simplemente como amplificador de fibra dopada con erbio o EDFA.

"El [amplificador de fibra dopada con erbio] ha transformado la transmisión de fibra óptica, permitiendo Internet de banda ancha".—Robert Mears, director de tecnología de Atomera

Antes de la invención y demostración del EDFA, los cables de telecomunicaciones transatlánticos operaban a 140 megabits por segundo y requerían repetidores electrónicos submarinos (sistemas que convertían las señales ópticas en electrónicas y viceversa) cada pocas decenas de kilómetros. Al mantener la señal óptica, se pueden amplificar simultáneamente múltiples portadoras de longitud de onda, aumentando el ancho de banda en más de tres órdenes de magnitud. Además, las señales siguen siendo ópticas a distancias intercontinentales de miles de kilómetros.

Robert Mears era un estudiante de posgrado cuando publicó el artículo que se convertiría en un estándar global de comunicaciones troncales de Internet.Atomera

El EDFA fue la clave para la Internet óptica y permitió una amplificación óptica práctica para redes de distribución óptica de distancias más cortas y conmutadores de longitud de onda.

¿Puede describir los problemas importantes en el campo en el momento en que escribió este artículo y qué lo llevó a centrarse en esta investigación específica?

Medidas: En ese momento, hubo un impulso en la industria de las comunicaciones ópticas en general para aumentar la distancia a la que se podía transmitir una señal óptica antes de requerir un repetidor electrónico. Pasando a la transmisión por infrarrojos lejanos (la atenuación de fondo debida a las fluctuaciones de densidad es mucho menor en longitudes de onda más largas) y utilizando sofisticadas técnicas de comunicación coherente, se esperaba ampliar la separación de los repetidores a unos 200 kilómetros, lo que permitiría que los repetidores estuvieran basados ​​en tierra en islas en lugar de que submarino.

Sin embargo, dicha transmisión habría estado sujeta a la limitación de los repetidores electrónicos, probablemente de unos pocos gigahercios como máximo.

Por el contrario, hoy en día, gracias al EDFA, la señal sigue siendo óptica en vastas distancias intercontinentales de miles de kilómetros, y una sola fibra amplificada tiene un ancho de banda superior a 1 terahercio.

¿Tenías alguna idea en ese momento del impacto que tendría este trabajo en tu comunidad? ¿Cómo fue recibido inicialmente?

Medidas: Algunos investigadores estaban trabajando en otros enfoques de amplificación óptica utilizando amplificadores semiconductores u óptica no lineal, pero me di cuenta de las posibilidades prácticas del EDFA a partir de 1985. En el artículo, también destaqué las características de bajo ruido del amplificador, que eran clave para permitiendo el uso de múltiples amplificadores en distancias intercontinentales. La primera serie de mis artículos recibió el premio IEEE Electronics Letters (1986), por lo que se reconoció de inmediato el impacto potencial del trabajo. Pero, por supuesto, la gente fue cautelosa hasta que se desplegó en el campo.

¿Cuándo y cómo se reconoció finalmente la importancia de este artículo?

Medidas: Afortunadamente, debido al fallo de los repetidores electrónicos de próxima generación, empresas como Standard Telecommunications Laboratories en Europa hicieron el esfuerzo de solucionar cualquier problema potencial, y el EDFA se implementó con éxito en el sistema transatlántico TAT-12 en 1996, menos de 10 años después de mi artículo! En los Estados Unidos, se realizaron investigaciones clave en los Laboratorios Bell para desarrollar fuentes prácticas de bombas láser semiconductoras para proporcionar una fuente de energía para la amplificación óptica.

Siguieron múltiples premios para los distintos equipos que entonces participaban en el esfuerzo global para implementar el EDFA.

“Es importante seguir creyendo en los momentos oscuros, pero también mantener los ojos abiertos. Muy a menudo, un resultado que al principio parece insignificante puede dar una pista hacia un resultado mucho más importante, a menudo en un área ligeramente diferente”.—Robert Mears, director de tecnología de Atomera

¿Cómo afectó este trabajo a tu carrera, tanto a corto como a largo plazo?

Medidas: Bueno, me facilitó la redacción de mi doctorado. ¡muy claro! Gracias a los artículos y al reconocimiento, la invención del EDFA me ayudó a ganar una beca de investigación en Cambridge [Pembroke College] antes de terminar de escribir mi tesis, y luego una cátedra [cátedra asistente] al año siguiente.

Diez años más tarde, comencé a desarrollar ideas para la reingeniería del silicio y a buscar financiación para iniciar una empresa de licencias de tecnología y materiales semiconductores. Habiendo visto la forma en que EDFA transformó la industria de las comunicaciones ópticas, tenía confianza en que podría lograr un impacto similar en la industria de los semiconductores. Mi experiencia en la invención de EDFA me ayudó a recaudar el capital inicial para lo que se convirtió en Atomera.

Mirando retrospectivamente este trabajo, ¿cómo lo ve usted personalmente en el contexto actual del campo? ¿Qué es importante que los investigadores sepan al respecto que sea relevante para el campo actual?

Medidas: La EDFA ha transformado la transmisión de fibra óptica, permitiendo Internet de banda ancha. Igual de importante es que también facilitó la construcción de conmutadores de enrutamiento óptico al compensar las pérdidas ópticas que se producen al dividir la señal, algo que pude demostrar en Cambridge.

Pero mi viaje al EDFA comenzó como estudiante de física de semiconductores, y mi proyecto de investigación original era construir e investigar un resonador de anillo óptico [un dispositivo que actúa como filtro óptico] para detección no lineal. Por lo tanto, sería un error pensar que mi investigación fue un camino de rosas o que la idea del EDFA llegó sin pensarlo mucho y sin comienzos en falso. Es importante seguir creyendo en los momentos oscuros, pero también mantener los ojos abiertos. Muy a menudo, un resultado que al principio parece insignificante puede proporcionar una pista hacia un resultado mucho más importante, a menudo en un área ligeramente diferente. Para mí, eso es serendipia: el arte del descubrimiento feliz.

¿Cuáles cree que son las preguntas de investigación más importantes en su campo en este momento?

Medidas: Cuando dejé Cambridge para fundar Atomera, volví a centrarme en la industria de los semiconductores, donde comencé mi carrera académica. Durante muchos años, la industria de los semiconductores se benefició de las mejoras en la litografía, que permitieron el escalamiento de la longitud de la puerta. Pero, como todos sabemos, las otras dimensiones deben escalarse en conjunto, y la industria ha tenido que recurrir a nuevos materiales semiconductores y dieléctricos para permitir este escalamiento. Existe una analogía con la industria de las comunicaciones ópticas en mi época de estudiante, donde se investigaban materiales ópticos cada vez más complejos. Entonces, el objetivo era lograr una transmisión más larga, pero ahora es lograr rutas de portadora [de carga] más cortas y densidades de transistores más altas. ¡La introducción de nuevos sistemas de materiales hace que el campo de los semiconductores esté listo para nuevos inventos!

Para investigar más:

La invención se describe en las solicitudes de patente del Reino Unido 8520300/8520301 presentadas el 13 de agosto de 1985 y se cita como documentos prioritarios en la patente estadounidense 4.999.025 “Láseres y amplificadores de fibra óptica”. Los inventores figuran como RJ Mears, L. Reekie, SB Poole y DN Payne.

Un artículo clave fue “Low-Threshold Tunable and Q-Switched Fiber Laser Operating at 1,55μm”, en Electronics Letters, 22 (3), págs. 159-160, 1986, de RJ Mears, L. Reekie, SB Poole y DN Payne. Una mejora importante apareció al año siguiente en “Low-Noise Erbium-Doped Fiber Amplifier Operating at 1.54μm”, Electronics Letters, 23 (19), págs. 1026–1028, 1987 por RJ Mears, L. Reekie, IM Jauncey y DN Payne.