Buscan innovadora forma de fabricar fibra óptica a través de impresión 3D
La candidata a doctora Ángeles Camacho Rosales busca desarrollar métodos de impresión 3D en vidrio que permitirían obtener fibra óptica de mayor capacidad para la transmisión de datos. Esta revolucionaria tarea es realizada como parte de su investigación de doctorado en Optoelectronics Research Centre de la University of Southampton, Inglaterra.
Se trata del desarrollo de un proceso de manufactura aditiva basado en tecnología láser, es decir, impresión 3D, para construir vidrio de calidad óptica utilizando como materia prima polvo de óxido de silicio. Este vidrio podría ser usado para la fabricación de fibras ópticas o algún otro tipo de componentes ópticos como guías de onda planar.
Esto es desarrollado por la mexicana en el Optoelectronics Research Centre, líder mundial en temas de fibras ópticas y láseres de alta potencia, centro que vio los orígenes de la fibra óptica como es conocida actualmente y que, además, fue la cuna del Internet. La intención de esta investigación es trabajar con tecnologías que serán utilizadas en 20 años, es decir, colaborar en la creación del futuro tecnológico de la transmisión de datos.
Todo esto es trabajado en laboratorios especializados y cuartos limpios mediante procesos químicos con el uso de impresoras 3D y láseres.
La manufactura aditiva o impresión 3D está basada en el concepto de construir de lo particular a lo general, en lugar de lo general a lo particular. "Por ejemplo, no es lo mismo que a partir de un tronco se fabrique un bat, es decir, ir de lo general a lo particular. En mi caso, partir de elementos pequeños construyendo poco a poco hasta obtener el objeto final, en este caso el bat, de lo particular a lo general", agregó.
Estas técnicas existen desde los 80 y se han ido desarrollando en mayor medida en la última década. Sin embargo, los materiales usados han sido mayoritariamente polímeros de diferentes propiedades, lo que representa en ciertos casos ventajas o desventajas, según la aplicación que se le otorgue.
Más recientemente nuevos materiales han sido estudiados para el uso de esta tecnología, como son metales, cerámicos y materiales compuestos. En la mayoría de los casos, esta tecnología es usada para prototipos industriales, aunque también ha tenido mucho auge para aplicaciones médicas debido a la versatilidad y capacidad de impresión de geometrías complejas que permiten fabricar estructuras base para implantes con materiales más amigables para el cuerpo humano. Pero en este caso, esta técnica será adaptada y aplicada al tema de las fibras ópticas, afirma la investigadora.
Siendo un proceso tecnológico complejo, este proyecto requiere de un desarrollo multidisciplinario en el conocimiento de tecnología de materiales, procesos de manufactura avanzada y física fundamental que sean usados para desarrollar una innovadora forma de fabricar fibra óptica.
La científica mexicana menciona que uno de los retos más grandes detrás de su labor es entender a la perfección la física que interactúa entre la luz y el material utilizado, debido a los fenómenos físicos existentes entre su interacción, como son absorción y reflexión del material, propagación de la luz en el material y la posible alteración de las propiedades ópticas del material al ser expuesto al haz del láser, la transferencia de calor del material al ser expuesto a los láseres, etcétera. "Se deben encontrar puntos óptimos de trabajo en los equipos, en este caso de los láseres, para lograr sintetizar el polvo de óxido de silicio que necesito para obtener las fibras", explicó la ingeniera.
Además, asegura que el óxido de silicio no es un material simple de usar para obtener el vidrio. Los métodos actuales para la fabricación de fibra óptica requieren de materiales de alta pureza, los cuales son fabricados in situ a través de procesos químicos de deposición de vapor. "No solo se debe fundir sino sintetizar en un proceso complejo. Entender el funcionamiento del material y su interacción con los elementos que utilizo para procesarlos es la parte difícil pero no imposible", añadió.
Polvo seco de dióxido de silicio expuesto a un láser de CO2 en un proceso de impresión 3D para la fabricación de preformas que serán usadas en la producción de fibra óptica.Durante su doctorado, Ángeles Camacho pretende diseñar un sistema de manufactura alternativo para la fabricación de fibras ópticas. En el caso de los componentes ópticos como guías de onda planar, que también son objetivo de este proyecto, podría representar un gran avance en la fabricación de procesadores ópticos, los cuales en los últimos años buscan dar paso a la nueva generación en el procesamiento de datos, migrando de sistemas electrónicos a sistemas basados en fotónica.
¿Por qué usar la manufactura aditiva para términos ópticos?
Las nuevas tecnologías de transmisión de datos requieren diseños de fibras ópticas muy complejas en su producción y geometrías o en la composición de múltiples dopantes, por lo que lograrlo con procesos convencionales es muy difícil o en algunos casos prácticamente imposible. "Por esta razón, propongo que la impresión 3D podría ser la solución", afirmó.
La tecnología de la fibra óptica es un tema mucho más complejo de lo que se piensa. Una fibra óptica convencional consta de dos partes fundamentales: el núcleo y el recubrimiento. El núcleo está formado con un vidrio base y a través de este la luz se propaga, es decir, la información que se quiere transmitir viaja a través de este núcleo.
El recubrimiento está compuesto generalmente de sílica, la cual tiene un índice de refracción diferente al núcleo, lo que permite que la luz sea contenida en el núcleo. La eficiencia de la transmisión de datos depende de varios factores inherentes a las propiedades del material con que es fabricada la fibra y a la señal —longitud de onda y modos de propagación— con que se envían los datos.
Actualmente la información se transmite en dos ventanas de longitud de onda, o sea el tamaño con el que viaja la onda de luz. "Se transmiten en dos longitudes porque los materiales que usamos transmiten en esas longitudes, pero si queremos transmitir en otra, por ejemplo, en dos micras que permiten mandar mucha más información, entonces tendríamos que modificar la estructura y material, modificar el diseño de la fibra como tal", agregó.
Los beneficios de imprimir fibras con diseños complejos de forma simple, utilizando manufactura aditiva, permitirá inicialmente experimentar y comprobar qué diseños novedosos funcionan o no en la transmisión de información. "Actualmente cuando se diseña una fibra óptica, esta queda solo en prototipo de computadora o simulación porque en ciertos casos es muy difícil o imposible producir esos diseños. Con este nuevo método, se podrían llevar a cabo estos diseños excepcionales que podrían transformar las telecomunicaciones como las conocemos", aseveró.
La investigación de la mexicana podría inicialmente comprobar si los prototipos de diseños de fibras funcionan basados en pruebas físicas que describan las pérdidas, transmisión de datos o modos de propagación y así permitir mover a nuevas tecnologías y descartar o aplicar los nuevos diseños.
Algunos de los ejemplos en los que la ingeniera está interesada en imprimir para probar son las photonic cristal fibers que, como característica especial, permiten usar el aire como medio de transmisión de la luz. "Esos diseños son muy complejos de fabricar porque se realizan con capilares, es decir, tubos diminutos de vidrio. Ese tipo de diseños es mi objetivo a imprimir, además de otros diseños de fibra que tienen múltiples núcleos", compartió la investigadora.
Para cumplir con sus objetivos, Ángeles Camacho está desarrollando el proceso de impresión 3D para preformas basadas en materiales con calidad óptica. Para concluir este grado, deberá continuar por poco más de dos años en los que espera obtener no solo los parámetros de fabricación y diseño del equipo que deben ser usados para imprimir vidrio con calidad óptica, sino también producir fibras de geometría compleja.
"La siguiente etapa será poder imprimir fibras de materiales múltiples, lo que busco realizar durante un posdoctorado, pues implica más tiempo. Finalmente, se tratará de desarrollar o perfeccionar el proceso para ya imprimir las preformas que después se convertirán en fibras ópticas de gran calidad", concluyó la mexicana.
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