El vidrio es un material clave en la óptica y, en particular, en las fibras ópticas, ya que estas suelen estar hechas de sílice (dióxido de silicio, SiO2), el mineral más abundante que se encuentra en la superficie de la Tierra, comúnmente en forma de cuarzo y suele emplearse para fabricar vidrio, cerámica, abrasivos y fibras ópticas. En cuanto a las fibras ópticas, el cladding suele estar hecho de sílice fundida (sílice pura, sin ningún otro material) mientras que el núcleo tiene un índice de refracción más alto ya que está hecho de sílice dopada con otros materiales, como el germanio. Explicaremos el proceso de fabricación de fibra óptica en nuestro próximo post. La diferencia en el índice de refracción entre el núcleo y el cladding conduce a la propagación de la luz a través de la reflexión total interna, lo que permite el uso de fibras ópticas como guías de ondas. En este post nos vamos a centrar en el material que constituye la fibra óptica, el vidrio, y sus propiedades.
La primera pregunta que surge con respecto al vidrio es, ¿a qué fase de la materia corresponde? La respuesta más tentadora es que se trata de un sólido ya que, por ejemplo, el vidrio tiene una forma fija, una propiedad que claramente asociamos a los sólidos. Sin embargo, los sólidos son estructuras altamente organizadas a nivel atómico, incluidos los cristales (los átomos se organizan periódicamente) y las estructuras policristalinas (compuestas por varios cristales). El vidrio, en cambio, no presenta este orden rígido. Por lo tanto, si el vidrio no es sólido, debería ser un líquido, ¿no? El vidrio es incluso capaz de “fluir” (mover sus átomos), aunque muy lentamente. Por ejemplo, esto está respaldado por el hecho de que algunas vidrieras de las catedrales góticas son más gruesas en la parte inferior que en la parte superior. Sin embargo, la respuesta sigue sin ser correcta.
El vidrio es un sólido amorfo, que puede considerarse una fase intermedia entre los sólidos y los líquidos. El vidrio tiene una estructura más organizada a nivel atómico que un líquido, pero carece del orden de largo alcance que es característico de los sólidos. El proceso de fabricación del vidrio es el siguiente. Cuando un líquido a alta temperatura se enfría por debajo de su temperatura de fusión (Tm) sin solidificarse, se convierte en un líquido sobreenfriado. Si el material se enfría aún más, por debajo de la temperatura de transición vítrea (Tg), el movimiento de los átomos se reduce considerablemente y ahora tenemos vidrio.
Hay líquidos que pueden cristalizar y formar un sólido a Tm o convertirse en un líquido sobreenfriado y luego formar un vidrio a Tg (ver Figura 1). En estos casos, para evitar la solidificación a Tm, se deben emplear velocidades de enfriamiento rápidas. Por otro lado, Tg no es un valor de temperatura, sino un rango de temperaturas en el que tiene lugar la transición vítrea (el proceso en el que el líquido sobreenfriado se convierte en vidrio). Además, este rango de temperaturas no es fijo, sino que depende de la velocidad de enfriamiento, aunque no varía excesivamente.
Regresando a las fibras ópticas, la sílice es el vidrio más empleado, sobre todo para aplicaciones de comunicaciones. Algunas de las propiedades de la sílice que justifican su empleo en fibras ópticas incluyen las siguientes: amplio rango de longitudes de onda con buena transparencia óptica en el infrarrojo cercano (bajas pérdidas por absorción y dispersión), alta resistencia mecánica, estabilidad química y fácil corte y empalme.
Respecto a las fibras de sílice que se emplean en el ultravioleta – visible, en esta región del espectro se logra una mejor transmisión (menores pérdidas) con una alta concentración de grupos hidroxilo (OH), mientras que al contrario, una baja concentración de OH, es mejor cuando se trabaja en el infrarrojo cercano. Esto también se mencionó en uno de nuestros primeros posts. También vale la pena mencionar que la sílice se puede dopar con diferentes materiales para aumentar (dióxido de germanio, GeO2, alúmina, Al2O3) o disminuir (flúor) el índice de refracción.
No obstante, también existen otras fibras de vidrio que no son de sílice: las fibras a base de fosfatos y las fibras fluoradas (también existen fibras poliméricas, pero estamos hablando de fibras que emplean vidrio). Las fibras fluoradas, que se basan en vidrios fluorados, son particularmente interesantes porque poseen una alta transparencia óptica en el infrarrojo medio, mientras que las fibras de sílice no se pueden utilizar en este rango debido a su alta absorción (ver Figura 2). Sin embargo, las fibras fluoradas son caras porque son difíciles de fabricar y su uso supone un desafío debido a su fragilidad.
Como conclusión, en este post hemos explicado la naturaleza del vidrio como sólido amorfo y cómo se puede obtener, así como las principales propiedades de las fibras de sílice y del resto de fibras de vidrio (fibras fluoradas) que se pueden utilizar. Por cierto, si todavía tienes la duda, se ha demostrado que el movimiento de los átomos en los cristales de las vidrieras es demasiado lento para justificar que sean más gruesas en la parte inferior. La verdadera explicación, mucho menos interesante, parece estar relacionada con el proceso de fabricación empleado en la Edad Media.
Escrito por J.J. Imas
Bibliografía
[1] Part I: The Truth about Glass. Clarus Glass boards
[2] Part II: The Truth about Glass. Clarus Glass boards
[3] Fact or Fiction?: Glass Is a (Supercooled) Liquid. Ciara Curtin. Scientific American.
[4] Glass transition. Wikipedia.
[6] Silica fibers. RP Photonics Encyclopedia.
[7] Fluoride fibers. RP Photonics Encyclopedia.