El experimento de óptica adaptativa alpina allana el camino para el terabit

Investigadores suizos han transmitido y recibido datos ópticos a velocidades de más de 10 Tbit/s entre un pico alpino y un observatorio de la Universidad de Berna, a una distancia de 53 kilómetros. Esto es más de cinco veces más de lo que se necesitaría para establecer un enlace de comunicación satélite-tierra, y el equipo dice que el método podría usarse para crear conexiones a Internet más rápidas y rentables para constelaciones de satélites en órbita cercana a la Tierra. .

Los sistemas de constelaciones de satélites como Starlink de SpaceX (una red de más de 2.000 satélites que orbitan cerca de la Tierra) prometen llevar el acceso a Internet al mundo a través de comunicaciones láser basadas en el espacio. El principio es que las zonas que no tienen acceso a la tecnología de cable de fibra óptica, que constituye la columna vertebral de la Internet moderna, podrían conectarse a la red óptica a través de satélites.

Actualmente, la transmisión de datos entre satélites y estaciones terrestres se basa principalmente en tecnologías de radiofrecuencia, que operan en el rango de microondas del espectro electromagnético y tienen longitudes de onda de centímetros. Los sistemas ópticos láser, por el contrario, funcionan en el rango del infrarrojo cercano y sus longitudes de onda a escala micrométrica son aproximadamente 10.000 veces más cortas que las ondas de radio. Esto les permite transportar más datos en la misma cantidad de tiempo. De hecho, varios experimentos anteriores han demostrado que las tecnologías de comunicación óptica en el espacio libre pueden transmitir datos a velocidades de 100 Gbits/s en distancias de hasta 10 km y 1 Tbits/s en distancias de hasta 3 m en un solo canal.

La desventaja es que estos sistemas dependen de formatos avanzados de modulación de alto orden y, por lo tanto, requieren altas relaciones señal-ruido, que sólo son posibles en distancias relativamente cortas. Los futuros enlaces por satélite también requerirán velocidades de datos aún mayores, del orden de 500 Gbits/s o más.

En el nuevo trabajo, los investigadores dirigidos por Juerg Leuthold, jefe del Departamento de Tecnología de la Información e Ingeniería Eléctrica (D-ITET) de ETH Zurich, establecieron un enlace de comunicaciones ópticas por satélite entre la Estación de Investigación de Gran Altitud en Jungfraujoch y el Observatorio Zimmerwald. cerca de Berna. Al hacerlo, demostraron que un rayo láser podría propagarse de manera eficiente a través de las turbulencias atmosféricas que normalmente afectarían negativamente al movimiento de las ondas de luz y, por tanto, a la transmisión de datos.

Los investigadores lograron esta hazaña modulando la onda de luz del láser de una manera que permitió al receptor detectar diferentes estados codificados en un solo "símbolo". Esto significa que cada símbolo puede transmitir más de un bit de información. Por ejemplo, un esquema que comprende 16 estados puede transmitir cuatro bits con cada oscilación de la onda luminosa, mientras que uno con 64 estados puede transmitir seis bits.

"Varios componentes clave permitieron este éxito", afirma el autor principal del estudio, Yannik Horst. En lo que respecta al transmisor, explica que el equipo codifica la información de una manera energéticamente eficiente mediante el uso de un formato de modulación coherente, como una modulación de amplitud de 64 cuadraturas multiplexada por polarización (64-QAM). Luego lo envían con muy alta precisión (unas pocas decenas de microradianes) en dirección al receptor del observatorio. Finalmente, después de que la luz atraviesa 53 kilómetros de atmósfera turbulenta, un sistema de óptica adaptativa en la estación receptora corrige el error del frente de fase de la onda electromagnética.

"La óptica adaptativa genera una señal ~300 veces más fuerte en la fibra óptica", dice Horst a Physics World. "La mejora también se debe al componente óptico, que tiene una alta sensibilidad del receptor: sólo se necesitan unos pocos fotones por bit para una transmisión de datos sin errores".

Con los pies en la tierra

Horst y sus colegas dicen que su nueva técnica debería acercarnos un paso más a los enlaces de comunicación satélite-Tierra y entre satélites basados ​​en tecnologías ópticas que pueden alcanzar velocidades de transmisión de datos por canal muy altas, mucho más altas de lo que es posible con las tecnologías de radiofrecuencia. Dichos enlaces podrían algún día actuar como columna vertebral de la red de fibra terrestre y, en última instancia, “conectar a los no conectados” en áreas donde el despliegue de tecnologías de comunicaciones convencionales, como la fibra óptica, no es factible.

Los investigadores, que informan sobre su trabajo en Science, ahora están investigando un nuevo formato de modulación conocido como 4D-BPSK. "Creemos que este formato también podría aplicarse a otras aplicaciones ópticas gracias a su altísima sensibilidad", afirma Horst.