Cuando envías un mensaje por internet a un amigo que se encuentra en otro país, ¿has pensado por dónde y cómo viaja para llegar a su destino? Viaja a través de la fibra óptica, este delgado hilo de vidrio que transporta la información en forma de luz. En efecto, la fibra óptica es un medio idóneo para transmitir la información. 
Comparado con los cables eléctricos, la fibra tiene propiedades extraordinarias, en particular: pérdidas muy pequeñas y un ancho de banda muy amplio, que permiten transmitir cantidades de información muy grandes sobre distancias muy largas. Sin embargo, la fibra también tiene propiedades que pueden limitar la transmisión. 
Así que, si hoy en día podemos ver de forma fluida nuestras series favoritas con alta resolución o comunicarnos por videoconferencia con el otro lado del mundo desde la comodidad de nuestro hogar, es porque científicos analizaron estos fenómenos y buscaron (y encontraron) la forma de mitigar sus efectos.
Entre tales efectos, los más importantes son: la dispersión y el efecto no lineal Kerr. Este pequeño artículo pretende explicar de forma muy sencilla la física básica detrás de esos dos efectos, así como una forma ingeniosa de eliminarlos. Para este fin, se usará una comparación con una actividad familiar para los aficionados del deporte: una carrera de bicicletas.
Primero, recordemos que, en el marco de las transmisiones modernas, la información se presenta de forma digital (consiste de “unos” y “ceros”), y la señal óptica en una fibra se propaga en forma de pulsos, o destellos de luz extremadamente breves (un pulso corresponde a 1, y la ausencia de un pulso, a 0, por ejemplo). Pulsos tan breves, llamados: “ultracortos”, con duración del orden de picosegundos (10-12 s, es decir, imagina dividir un segundo de tiempo en un millón de millones de partes, imposible para nuestra percepción humana del tiempo) siempre contienen diversos componentes espectrales, o colores. 
Se podría decir que el pulso es una mezcla de colores, al igual que la luz blanca, la cual está compuesta de los diversos colores del arcoíris, desde el rojo (longitud de onda más larga) hasta el violeta (más corta), pero revueltos. Imaginemos este pulso inicial como un grupo de ciclistas con bicicletas de diversos colores, alineados en la salida, listos para el arranque, y… ¡bum! Se da inicio a la carrera (Fig. 1).

 

Ahora ocurre que, en una fibra óptica, los diversos colores viajan a velocidades ligeramente distintas. Este fenómeno se conoce como dispersión cromática (del griego croma: color); en particular, en la fibra más común instalada en el mundo (conocida como fibra “estándar”), el violeta viaja más rápido que el rojo. 
Así que, en nuestra carrera, las bicicletas no son iguales: de la violeta a la roja, van de la más liviana (y por lo tanto, más veloz) a la más pesada (y lenta). Por lo tanto, la violeta y la azul se adelantan, la roja, la naranja se van atrasando, y los colores intermedios se quedan en el centro. 
Es fácil entender que, debido a estas diferencias de velocidad, el pelotón se va “dispersando” durante la carrera, es decir, los corredores se van separando en los diversos colores del arco iris, distribuyéndose en un intervalo de carretera cada vez mayor. Esto es exactamente lo que pasa con nuestro pulso: debido a la dispersión, se va ensanchando y sus colores constitutivos se separan, ocupando un espacio (y un intervalo de tiempo) cada vez mayor.
La dispersión es problemática para las transmisiones ópticas: cuando este ensanchamiento se hace muy grande, los bits adyacentes en la secuencia de datos empiezan a traslaparse, ya no son claramente distinguibles entre sí y se pierde información. Por este motivo, la dispersión es un tema importante a tomar mucho en cuenta al momento de diseñar un sistema de transmisión por fibra óptica.
Por otro lado, el efecto Kerr (del nombre del científico escocés del siglo XIX quien lo descubrió) es uno de los efectos llamados “no lineales” más comunes que se presentan en fibras; el cual se refiere a que, cuando se alcanza una potencia suficientemente alta, la luz no se comporta exactamente de la misma manera que a potencias bajas. En el caso del efecto Kerr, el índice de refracción del material se eleva muy ligeramente (la velocidad de la luz en la fibra disminuye) con la potencia. 
Esto significa que, en un mismo pulso, la porción del pico (potencia alta) viaja un poco más lento que los flancos del mismo pulso, de potencia menor. A primera vista, esto suena un poco extraño y difícil de imaginar; sin embargo, es bastante sencillo entender de forma básica el efecto Kerr, como se expone a continuación.
Dejemos de lado un momento a nuestros ciclistas y observemos de forma un poco más realista el pulso, como una oscilación muy rápida del campo electromagnético, con un periodo uniforme dentro de su envolvente, similar a un resorte (Fig. 2): el efecto Kerr actúa como si las oscilaciones en el pico, más lentas, se estuvieran recorriendo ligeramente hacia atrás respecto a los flancos, más rápidos (como un resorte, cuya parte central se recorre hacia la izquierda, ver flechas). Como resultado, la oscilación a la izquierda del pico se comprime (longitud de onda más corta, azul-violeta) y a la derecha se expande (rojo-naranja). Es importante notar que, a diferencia de la dispersión, la cual simplemente reacomoda los diversos colores constituyentes del pulso inicial, el efecto Kerr deforma, o distorsiona la onda, comprimiéndola y estirándola en diferentes regiones del pulso, y de este modo altera los colores (inclusive, suelen aparecer colores que no existían del todo en el pulso inicial). En general, el efecto Kerr, al igual que la dispersión, es nefasto para las transmisiones ópticas; en particular porque tiende a producir un ensanchamiento del espectro.

 

 

En resumen, tenemos un efecto, la dispersión, que tiende a ensanchar el pulso en el tiempo, y otro, el efecto Kerr, que lo distorsiona y ensancha su espectro (produciendo más colores de los originalmente presentes). Ahora que entendimos cada uno de estos dos efectos por separado, ¿qué pasa en una fibra óptica, donde coexisten los dos? Pues resulta que, en general, la combinación de la dispersión con el efecto Kerr puede resultar aún más nefasta para las transmisiones que la suma de los dos efectos separados, causando distorsiones importantes en la información; pero afortunadamente, no siempre es así.
Para ilustrarlo, retomemos nuestros ciclistas donde los dejamos, es decir, “dispersados,” e imaginemos que, llegando a la mitad del recorrido, pasan a revisar sus bicicletas en un taller (Fig. 1), en el que se les hacen unas modificaciones: se altera su color (y su peso), de forma que las delanteras, o primeras en pasar por el taller, inicialmente más livianas, se vuelven más pesadas (se podría imaginar que se les agregan accesorios, por ejemplo), y por lo tanto, más lentas. En cambio, las bicicletas de cola del pelotón, las últimas en llegar al taller, se ven aligeradas (se les quitan accesorios). De esta manera, tenemos en salida del taller de nuevo los ciclistas ocupando las mismas posiciones, con colores esparcidos, pero esta vez con el azul-violeta hacia la izquierda y el rojo-naranja a la derecha, de acuerdo con la distorsión que produce el efecto Kerr según la Fig. 2. Finalmente, nuestros ciclistas se lanzan en el último tramo del recorrido, similar al primero (Fig. 1).
Se podría pensar que este nuevo recorrido causará una dispersión aún mayor del grupo de ciclistas. Sin embargo, lo que ocurre es lo opuesto: en efecto, si notamos que, desde la salida del taller, los ciclistas delanteros (rojo, naranja) ahora son los más lentos, durante el último recorrido tenderán a ser alcanzados por la parte central del pelotón; por otro lado, los últimos en salir del taller (azul, morado), ahora más veloces, pronto alcanzarán el centro del pelotón. Como resultado, lejos de seguir esparciéndose, el pelotón tiende a reagruparse; inclusive, si todos los parámetros están muy finamente ajustados, se podrá observar algo extraordinario: ¡todos los corredores llegan a la meta al mismo tiempo!
Una sincronización tan perfecta difícilmente se podría observar en una carrera real; sin embargo, en una fibra óptica, sí es posible obtener una compensación exacta entre la dispersión y el efecto Kerr, de forma que el pulso se propaga sin deformarse, y salga de la fibra exactamente como entró.
En otras palabras, se logra hacer que dos efectos, individualmente dañinos, se compensen hasta cancelarse mutuamente. Este efecto se llama el “efecto solitón”, y en la práctica sólo es posible lograr esta compensación de forma perfecta y exacta con un tipo particular de pulso, conocido como solitón, que tiene una forma matemática bien específica (la de una función secante hiperbólica). Gracias a esta compensación, el solitón óptico idealmente es capaz de propagarse por distancias muy largas, sin ensancharse ni deformarse, a lo largo de una fibra óptica; por este motivo, se desarrollaron algunos sistemas de transmisión transoceánicos basados en el efecto solitón. 
Así que, la próxima vez que envíes un mensaje al otro lado del mundo, te invito, estimado lector, a que reflexiones sobre esta fantástica carrera de los pulsos de luz y sus colores constitutivos en la fibra, así como sobre los múltiples fenómenos involucrados y los desarrollos tecnológicos que fueron necesarios para alcanzar la meta, la cual consiste en lograr una comunicación eficiente con tu destinatario.