Además del despliegue de la red 5G, la mayoría de las grandes ciudades tienen redes basadas en fibra óptica que distribuyen Internet de alta velocidad. Ahora, los dispositivos optoelectrónicos cuánticos unipolares muestran potencial para enlaces ópticos más rápidos y de largo alcance, basados en láser infrarrojo, que también son resistentes a condiciones climáticas adversas.
Llevar la máxima velocidad de red a cualquier lugar con Óptica de Espacio Libre
Uno de los facilitadores más importantes de la llamada Transformación Digital ha sido la adopción y mejora de las tecnologías de banda ancha, que acumulan enormes cantidades de datos en bandas de frecuencia amplias para lograr velocidades de transferencia sin precedentes. Desafortunadamente, no siempre es factible implementar enlaces de fibra óptica en ubicaciones remotas y áreas rurales, debido a los costos asociados y al trabajo de ingeniería civil requerido. Dichos lugares podrían beneficiarse de un enfoque diferente para las comunicaciones de banda ancha óptica: la óptica de espacio libre.
La idea principal en las comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO) es configurar pares transmisor-receptor alineados donde sea necesario y utilizar el aire como medio para transportar las señales.
Si bien todavía hay muchos desafíos que abordar en los sistemas FSO (como la baja eficiencia energética, el impacto del clima y el alto ruido de fondo), los científicos de todo el mundo están continuamente probando nuevas formas de resolver estos problemas y lograr velocidades de datos más altas.
En este contexto, un equipo de investigación del Institut Polytechnique de Paris, junto con investigadores de la École Normale Supérieure de Francia, logró recientemente un progreso sustancial en las comunicaciones FSO utilizando dispositivos optoelectrónicos cuánticos unipolares (UQO). Como se informó en Advanced Photonics, el equipo creó con éxito enlaces FSO de largo alcance utilizando un modulador externo basado en el efecto Stark asociado con dos tipos de detectores UQO en el receptor.
Lograron velocidades de datos sin precedentes con este tipo de tecnología, mostrando su potencial sin explotar.
Diagrama representativo de la configuración experimental utilizada en el estudio. La salida de un láser de cascada cuántica (QCL) fue modulada por un modulador externo de efecto Stark y transmitida a través de una celda Herriott para simular una trayectoria de luz con una longitud efectiva de más de 30 m. En el lado del receptor se probaron dos detectores diferentes, a saber, un fotodetector infrarrojo de pozo cuántico (QWIP) y un detector de cascada cuántica (QCD). Gracias a técnicas como la formación de pulsos y el procesamiento previo y posterior, este sistema de comunicación de óptica de espacio libre logró velocidades de datos récord. Figura cortesía de Pierre Didier, LTCI, Telecom Paris, Institut Polytechnique de Paris.
Comunicaciones ultrarrápidas en el rango infrarrojo medio
El transmisor y los dos detectores que los investigadores usaron en su sistema operan en el rango infrarrojo medio, es decir, usan longitudes de onda entre 8 y 12 µm. En este rango de frecuencia, la señal sufre una absorción, dispersión y distorsión muy bajas durante su propagación en la atmósfera. El lado del transmisor utilizó un láser de cascada cuántica comercial que funcionaba a temperatura ambiente combinado con un novedoso modulador externo. El lado del detector (que debe detectar e interpretar correctamente las señales pequeñas y ruidosas) utilizó un detector de cascada cuántica (QCD) o un fotodetector infrarrojo de pozo cuántico (QWIP). Este último es más complejo y generalmente funciona mejor, pero debe enfriarse con nitrógeno, mientras que el QCD puede dejarse sin enfriar y usarse a temperatura ambiente. En otras palabras, existe un equilibrio entre el rendimiento y la complejidad,
Primero, el equipo evaluó la velocidad máxima de datos de su enlace FSO en una «configuración consecutiva», lo que significa enviar directamente la salida del transmisor a la entrada del detector. Luego, introdujeron una celda Herriott comercial entre los dos. Este dispositivo hermético contiene espejos cuidadosamente diseñados para hacer que una señal óptica de entrada rebote varias veces antes de salir, simulando así una distancia más larga para que viaje la señal. En este caso, la longitud efectiva de la trayectoria de la luz fue de 31 m.
Para mejorar el rendimiento de su sistema de comunicación en términos de velocidad y resistencia a errores, los investigadores emplearon varias técnicas independientes, a saber, dar forma al pulso de la señal transmitida combinada con algunos métodos de procesamiento previo y posterior.
«Logramos una tasa de bits récord de 30 Gbit/s para esquemas de modulación de 2 niveles (OOK) y 4 niveles (PAM-4) en un enlace de propagación de 31 metros», comenta el autor correspondiente Pierre Didier, estudiante de doctorado, en el grupo del Prof. Frédéric Grillot en Télécom Paris.
“Además, las tasas de error de bits observadas fueron compatibles con los algoritmos de corrección de errores establecidos que se pueden implementar en el extremo del receptor”, agrega.
Vale la pena señalar que esta es la primera vez que un sistema de transmisión FSO logra altas velocidades de datos en el dominio de longitud de onda de 8-12 µm a una distancia tan larga. Por lo tanto, este trabajo marca un paso clave hacia la realización de enlaces de telecomunicaciones FSO de alta velocidad que sean resistentes a las condiciones climáticas mediante la adopción de dispositivos UQO. Los desarrollos adicionales en la integración de dispositivos UQO, así como las mejoras en la óptica y la electrónica de soporte, pueden ayudar a llevar Internet de alta velocidad a lugares desafiantes.
Lea el artículo Gold Open Access de Didier, Dely, et al., “High-capacity free-space optical link in the midinfrared thermal atmospheric windows using unipolar quantum devices,
Enlace óptico de espacio libre de alta capacidad en las ventanas atmosféricas térmicas del infrarrojo medio usando dispositivos cuánticos unipolares ), Adv. fotón _ 4 (5), 056004 (2022), doi 10.1117/1.AP.4.5.056004 .
Fuente: SPIE
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