In 2012, a team of Japanese and Danish researchers set a world record, transmitting 1 petabit of data— that’s 10,000 hours of high-def video— over a fifty-kilometer cable, in a second. This wasn’t just any cable. It was a souped-up version of fiber optics— the hidden network that links our planet and makes the internet possible.
En 2012, un equipo de japoneses y daneses estableció un nuevo récord mundial: la transmisión de un petabit de datos, es decir, lo que equivale a 10 000 horas de video en alta definición, mediante un cable de 50 km en un segundo. No se trataba de un cable cualquiera, sino de una versión de fibra óptica con alimentación, la red oculta que conecta todo el planeta y posibilita internet. Por décadas,
For decades, long-distance communications between cities and countries were carried by electrical signals, in wires made of copper. This was slow and inefficient, with metal wires limiting data rates and power lost as wasted heat. But in the late 20th century, engineers mastered a far superior method of transmission. Instead of metal, glass can be carefully melted and drawn into flexible fiber strands, hundreds of kilometers long and no thicker than human hair. And instead of electricity, these strands carry pulses of light, representing digital data.
las comunicaciones a larga distancia entre ciudades y países se realizaron por medio de señales eléctricas a través de cables de cobre. Esto resultaba lento e ineficiente, ya que los cables metálicos limitaban la velocidad y se desperdiciaba energía. Pero a finales del siglo XX, los ingenieros idearon un método de transmisión superior. A diferencia del metal, el vidrio puede derretirse meticulosamente y fundirse en flexibles hebras de fibra de cientos de kilómetros y tan finas como hebras de cabello. Y en lugar de electricidad, estas hebras transportan pulsos de luz que representan información digital.
But how does light travel within glass, rather than just pass through it? The trick lies in a phenomenon known as total internal reflection. Since Isaac Newton’s time, lensmakers and scientists have known that light bends when it passes between air and materials like water or glass. When a ray of light inside glass hits its surface at a steep angle, it refracts, or bends as it exits into air. But if the ray travels at a shallow angle, it’ll bend so far that it stays trapped, bouncing along inside the glass. Under the right condition, something normally transparent to light can instead hide it from the world.
Pero ¿cómo hace la luz para viajar dentro del vidrio y no a través de él? El truco consiste en un fenómeno conocido como reflexión interna total. Desde la época de Newton, fabricantes de lentes y científicos saben que la luz dobla al pasar del aire a materiales como el agua o el vidrio. Cuando un rayo de luz dentro del vidrio golpea su superficie en un ángulo pronunciado, se refracta o dobla al salir al aire. Pero si el rayo produce un ángulo menos pronunciado, se doblará tan rápido que permanecerá atrapado rebotando dentro del vidrio. Bajo las condiciones apropiadas, lo normalmente transparente a la luz puede permanecer invisible a la vista.
Compared to electricity or radio, fiber optic signals barely degrade over great distances— a little power does scatter away, and fibers can’t bend too sharply, otherwise the light leaks out. Today, a single optical fiber carries many wavelengths of light, each a different channel of data. And a fiber optic cable contains hundreds of these fiber strands. Over a million kilometers of cable crisscross our ocean floors to link the continents— that’s enough to wind around the Equator nearly thirty times.
En comparación con la electricidad o la radio, las señales de fibra óptica apenas si se degradan en largas distancias, aunque sí se pierde algo de energía. Y las fibras no deben doblarse demasiado para que la luz no se escape. Hoy día, una única fibra óptica transporta muchas longitudes de onda de luz, cada una es un canal diferente de información. Y un cable de fibra óptica contiene cientos de estas hebras de fibra. Más de un millón de km de cable atraviesan el fondo de los océanos y enlazan a los continentes. Esto equivale a rodear la Tierra casi 30 veces.
With fiber optics, distance hardly limits data, which has allowed the internet to evolve into a planetary computer. Increasingly, our mobile work and play rely on legions of overworked computer servers, warehoused in gigantic data centers flung across the world. This is called cloud computing, and it leads to two big problems: heat waste and bandwidth demand. The vast majority of internet traffic shuttles around inside data centers, where thousands of servers are connected by traditional electrical cables. Half of their running power is wasted as heat. Meanwhile, wireless bandwidth demand steadily marches on, and the gigahertz signals used in our mobile devices are reaching their data delivery limits.
Gracias a la fibra óptica, la distancia casi no limita la información. Esto permitió que internet evolucionara a una computadora planetaria. Cada vez más, nuestro trabajo móvil y pasatiempos dependen de legiones de servidores sobrecargados, almacenados en enormes centros de procesamiento de datos por todo el mundo. Esto se denomina "computación en la nube" y conlleva dos grandes problemas: calor residual y demanda de ancho de banda. La mayor parte del tráfico de internet viaja dentro de centros de procesamiento de datos, donde hay miles de servidores conectados con cables eléctricos tradicionales. La mitad de la energía que consumen se desperdicia como calor. Mientras tanto, la demanda de ancho de banda es cada vez mayor y los gigahercios que emplean nuestros dispositivos móviles alcanzan su límite de envío de datos.
It seems fiber optics has been too good for its own good, fueling overly-ambitious cloud and mobile computing expectations. But a related technology, integrated photonics, has come to the rescue.
Al parecer, la fibra óptica ha sido demasiado buena para ser verdad, al alimentar nubes y expectativas de computación móvil demasiado ambiciosas. Pero una tecnología similar, la fotónica integrada, llegó al rescate.
Light can be guided not only in optical fibers, but also in ultrathin silicon wires. Silicon wires don’t guide light as well as fiber. But they do enable engineers to shrink all the devices in a hundred kilometer fiber optic network down to tiny photonic chips that plug into servers and convert their electrical signals to optical and back. These electricity-to-light chips allow for wasteful electrical cables in data centers to be swapped out for power-efficient fiber.
La luz puede desplazarse no únicamente a través de la fibra óptica, sino también por medio de cables de silicona ultradelgados. Los cables de silicona no transportan la luz tan bien como la fibra, pero sí permiten que los ingenieros reduzcan todos los dispositivos en una red de fibra óptica de cientos de km a diminutos chips fotónicos que se conectan a los servidores y convierten las señales eléctricas en señales ópticas y viceversa. Estos chips que convierten la electricidad en luz permiten cambiar los cables eléctricos en los centros de datos por fibras de menor consumo.
Photonic chips can help break open wireless bandwidth limitations, too. Researchers are working to replace mobile gigahertz signals with terahertz frequencies, to carry data thousands of times faster. But these are short-range signals: they get absorbed by moisture in the air, or blocked by tall buildings. With tiny wireless-to-fiber photonic transmitter chips distributed throughout cities, terahertz signals can be relayed over long-range distances. They can do so via a stable middleman, optical fiber, and make hyperfast wireless connectivity a reality.
Los chips fotónicos pueden también contribuir a resolver las limitaciones de banda ancha. Los investigadores intentan reemplazar los gigahercios móviles por frecuencias de terahercios para así transportar datos miles de veces más rápido. Pero se trata de señales de corto alcance que son absorbidas por la humedad del aire o bloqueadas por edificios altos. Contando con diminutos chips fotónicos distribuidos por varias ciudades, las señales de terahercios pueden transmitirse a larga distancia. Pueden hacerlo gracias a un intermediario, la fibra óptica, y hacer de esta forma que la conectividad inalámbrica hiperrápida sea una realidad.
For all of human history, light has gifted us with sight and heat, serving as a steady companion while we explored and settled the physical world. Now, we’ve saddled light with information and redirected it to run along a fiber optic superhighway— with many different integrated photonic exits— to build an even more expansive, virtual world.
A lo largo de la historia, la luz nos ha brindado visibilidad y calor, y ha sido una compañera fiel durante nuestra exploración y descubrimiento del mundo físico. Hoy día, unimos la luz a la información y la redirigimos para que se traslade por una gran avenida de fibra óptica con numerosas salidas fotónicas integradas. Construimos así un mundo virtual cada vez más extenso.