Tecnología de fibra óptica para detectar terremotos en La Palma

El Grupo de Ingeniería Fotónica de la Universidad de Alcalá de Henares (UAH) y el Instituto de Óptica del CSIC (IO-CSIC) han desarrollado un sistema que permite la monitorización de la actividad sísmica generada por el volcán de Cumbre Vieja en La Palma.

Eso es posible gracias a la instalación de un interrogador DAS (del inglés Distributed Acoustic Sensing) sobre el cableado de fibra óptica que usa el Observatorio del Roque de los Muchachos (ORM) del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) para conectarse a la Red Académica y de Investigación Española (RedIRIS). Una instalación que ha coordinado un grupo de investigadoras e investigadores del Institut de Ciències del Mar (ICM) de Barcelona.

Uno de los cables de fibra óptica de la isla, de unos ocho kilómetros de largo, se ha transformado así en una red con miles de sensores que detectan el movimiento en el terreno.

¿Cómo se produce el proceso? Los dispositivos DAS como el que ha desarrollado la UAH emiten pulsos de luz láser a través de la fibra óptica y miden las pequeñas fracciones de señal reflejadas en las imperfecciones microscópicas del interior del cable. Estas se convierten en puntos de referencia que varían de posición como consecuencia de factores externos como, por ejemplo, las vibraciones del suelo.

Este es tan solo un ejemplo de las aplicaciones posibles de una tecnología emergente vinculada al láser y a la fibra óptica que llegan a campos tan diversos como la química, la medicina, la industria o las telecomunicaciones.

El láser, un invento del siglo XX muy presente hoy en nuestra vida cotidiana

El láser es una amplificación de luz por emisión estimulada de radiación (la palabra ‘Laser’, de hecho, es el acrónimo de esa frase en inglés). “Esto es imposible encontrarlo en la naturaleza y solo se consigue de forma artificial y con un sistema de bombeo de energía”, explica el investigador de la Universidad de Alcalá (UAH), Miguel González Herráez.

Aunque la transmisión de señales a través de la luz data del siglo XIX, el uso del láser es posterior: de finales de los años 60 del siglo XX. “Entonces se creó el primer láser de rubí. Al principio los láseres eran de gas, o rubí, o de materiales un poco raros. Después se desarrollaron los láseres de semiconductor hasta llegar al actual láser de fibra óptica, a finales de los años 80”.

El uso de los láseres permitió dar un salto cualitativo, por ejemplo, en las comunicaciones. “A finales de los años 60 cada conversación telefónica requería un par de hilos. Los cables en las ciudades eran gigantescos con miles de hilos conductores, muy pesados… Eran armatostes impresionantes que hoy se pueden ver en los museos”.

La alternativa llegó cuando los científicos se inspiraron en una idea del siglo XIX, la ‘Fuente de Tyndall’ (1861). “John Tyndall vio que un chorro de agua en el aire podía guiar un rayo de luz. Eso inspiró la creación de las primeras guías de luz hasta llegar a la actual fibra óptica. Con un simple pelo de vidrio se podían guiar muchos más datos que con los conductores de cobre, mucho más caros y pesados”. Hoy, la fibra óptica forma parte de muchos de los experimentos de Física que se realizan en las aulas y de la realidad cotidiana que nos rodea.

La luz del láser es muy diferente a la luz solar o a la de las bombillas porque “nos permite focalizarla en puntos muy pequeños y estudiar interacciones muy rápidas para desvelar propiedades de la materia”, explica Miguel González.

Sus aplicaciones son numerosas y en la actualidad forman parte de la vida cotidiana de cualquier persona: desde el ticket de la compra en el supermercado, los discos Blu-ray, distintos procedimientos médicos (diagnóstico y tratamiento), en estudios químicos sobre la composición de la materia (el comportamiento de las moléculas por ejemplo para saber si determinadas terapias médicas son eficaces), en la industria de precisión (cortes con láser) …

Y, sobre todo, “el 99,9% del tráfico mundial de internet va por cables de fibra óptica. Es la aplicación más masiva de la tecnología láser y fibra óptica”.

Otra innovación científica ligada a la fibra y al láser: el láser ultralargo

El grupo de investigación de Ingeniería Fotónica (GRIFO) de la Universidad de Alcalá, en colaboración con el CSIC y con Eva Monroy, investigadora de la Universidad de Grenoble ha creado además un láser ultralargo que ofrece grandes posibilidades en esos campos y en la metrología de frecuencias.

¿Y qué es un láser ultralargo? Miguel González Herráez, miembro de GRIFO e investigador principal explica que “el láser básicamente es un medio que amplifica la señal y que está metido en un resonador”.

La diferencia entre los láseres normales y los ultralargos estriba en el tamaño de las cavidades que los albergan. En los primeros, su tamaño puede ir desde micras a centímetros. En los segundos, “como la fibra óptica nos permite tener muy pocas pérdidas de señal, nos permite un recorrido de kilómetros ocupando un espacio mínimo (una caja) gracias a las bobinas de fibra”, señala.

Y resulta que cuanto más grande es la cavidad, más energía produce. En este caso se trata de un láser pulsado (emite luz en forma de pulsos o flashes) y permite la acumulación de energía en un solo pico de luz muy corto, que llega a superar potencias de pico del megavatio. “Eso sí, son pulsos que duran una billonésima de segundo. Es muy potente pero muy corto. Lo que conseguimos es acumular mucha energía en un periodo de tiempo extremadamente corto”.

Se trata, en definitiva, de una tecnología “más barata y sostenible” para determinadas aplicaciones que puede evitar, por ejemplo, el gasto de millones de litros de agua o no tener que utilizar los láseres de titanio-zafiro “cuyo gasto energético es mucho mayor porque sus pérdidas de señal son mayores y el bombeo es más complicado”.

La tecnología de láser ultralargo, que se ha empezado a investigar hace relativamente poco, ya ha interesado a la industria, en concreto a la textil. Una empresa ha mostrado ya su intención de comercializar la tecnología generada por estos investigadores.