Los láseres habilitan la red troncal de Internet a través de satélite, pronto pueden eliminar la necesidad de cables de aguas profundas

Los láseres de comunicaciones de datos ópticos pueden transmitir varias decenas de terabits por segundo, a pesar de una gran cantidad de turbulencias de aire disruptivas. Los científicos de ETH Zurich y sus socios europeos demostraron esta capacidad con láseres entre el pico de la montaña, Jungfraujoch, y la ciudad de Berna en Suiza. Esto pronto eliminará la necesidad de costosos cables de aguas profundas.

La columna vertebral de Internet está formada por una densa red de cables de fibra óptica, cada uno de los cuales transporta hasta más de 100 terabits de datos por segundo (1 terabit = 10¹² señales digitales 1/0) entre los nodos de la red. Las conexiones entre continentes se realizan a través de redes de aguas profundas, lo cual es un gasto enorme: un solo cable a través del Atlántico requiere una inversión de cientos de millones de dólares. TeleGeography, una firma de consultoría especializada, anunció que actualmente hay 530 cables submarinos activos, y ese número va en aumento.

Pronto, sin embargo, este gasto puede caer sustancialmente. Los científicos de ETH Zurich, en colaboración con socios de la industria espacial, han demostrado la transmisión de datos ópticos de terabits a través del aire en un proyecto europeo Horizonte 2020. En el futuro, esto permitirá conexiones troncales mucho más rentables y mucho más rápidas a través de constelaciones de satélites cercanos a la Tierra. Su trabajo se publica en la revista Luz: ciencia y aplicaciones.

Condiciones desafiantes entre el Jungfraujoch y Berna

Para lograr este hito, los socios del proyecto dieron un gran paso adelante al establecer un enlace de comunicación óptica por satélite a través de una prueba exitosa realizada entre el pico de la montaña alpina, Jungfraujoch, y la ciudad suiza de Berna. Aunque el sistema láser no se probó directamente con un satélite en órbita, lograron una alta transmisión de datos en una distancia de espacio libre de 53 km (33 millas).

«Para la transmisión de datos ópticos, nuestra ruta de prueba entre la Estación de Investigación de Gran Altitud en el Jungfraujoch y el Observatorio Zimmerwald en la Universidad de Berna es mucho más desafiante que entre un satélite y una estación terrestre», explica Yannik Horst, autor principal del estudio y investigador del Instituto de Campos Electromagnéticos de ETH Zurich dirigido por el profesor Jürg Leuthold.

El rayo láser viaja a través de la densa atmósfera cerca del suelo. En el proceso, muchos factores (diversas turbulencias en el aire sobre las altas montañas cubiertas de nieve, la superficie del agua del lago Thun, el área metropolitana densamente poblada de Thun y el plano de Aare) influyen en el movimiento de las ondas de luz y, en consecuencia, también la transmisión de datos. El brillo del aire, provocado por fenómenos térmicos, perturba el movimiento uniforme de la luz y se puede ver a simple vista en los calurosos días de verano.

Internet satelital usa transmisión lenta de microondas

Las conexiones a Internet vía satélite no son nada nuevo. El ejemplo más conocido en la actualidad es Starlink de Elon Musk, una red de más de 2000 satélites que orbitan cerca de la Tierra y que brinda acceso a Internet a prácticamente todos los rincones del mundo. Sin embargo, la transmisión de datos entre satélites y estaciones terrestres utiliza tecnologías de radio, que son considerablemente menos potentes. Al igual que una red de área local inalámbrica (WLAN) o las comunicaciones móviles, estas tecnologías operan en el rango de microondas del espectro y, por lo tanto, tienen longitudes de onda que miden varios centímetros.

Los sistemas ópticos láser, por el contrario, operan en el rango del infrarrojo cercano con longitudes de onda de unos pocos micrómetros, que son unas 10.000 veces más cortas. Como resultado, pueden transportar más información por unidad de tiempo.

Para asegurar una señal lo suficientemente fuerte para cuando llegue a un receptor distante, las ondas de luz paralelas del láser se envían a través de un telescopio que puede medir varias decenas de centímetros de diámetro. Este amplio haz de luz debe dirigirse con precisión a un telescopio receptor con un diámetro del mismo orden de magnitud que el ancho del haz de luz transmitido al llegar.

La turbulencia cancela las señales moduladas

Para lograr las tasas de datos más altas posibles, la onda de luz del láser se modula de tal manera que un receptor puede detectar diferentes estados codificados en un solo símbolo. Esto significa que cada símbolo transmite más de un bit de información. En la práctica, esto implica diferentes amplitudes y ángulos de fase de la onda de luz. Cada combinación de ángulo de fase y amplitud forma entonces un símbolo de información diferente que puede codificarse en un símbolo transmitido. Así, con un esquema de 16 estados (16 QAM), cada oscilación puede transmitir 4 bits, y con un esquema de 64 estados (64 QAM), 6 bits.

La turbulencia fluctuante de las partículas de aire da como resultado velocidades variables de ondas de luz tanto dentro como en los bordes del cono de luz. Como resultado, cuando las ondas de luz llegan al detector de la estación receptora, las amplitudes y los ángulos de fase se suman o se anulan entre sí, produciendo valores falsos.

Los espejos corrigen la fase de onda 1500 veces por segundo

Para evitar estos errores, ONERA, socio del proyecto con sede en París, implementó un chip de sistema microelectromecánico (MEMS) con una matriz de 97 pequeños espejos ajustables. Las deformaciones de los espejos corrigen el cambio de fase del haz en su superficie de intersección a lo largo del gradiente medido actualmente 1.500 veces por segundo, mejorando finalmente las señales en un factor de aproximadamente 500.

Esta mejora fue fundamental para lograr un ancho de banda de 1 terabit por segundo en una distancia de 53 kilómetros, destaca Horst.

Por primera vez, se demostraron nuevos formatos robustos de modulación de luz. Esto permitió un gran aumento en la sensibilidad de detección y, por lo tanto, altas tasas de datos, incluso en las peores condiciones climáticas o con baja potencia de láser. Este aumento se logra codificando hábilmente los bits de información en propiedades de la onda de luz, como amplitud, fase y polarización. «Con nuestro nuevo formato de modulación de cambio de fase binaria 4D, o BPSK, un bit de información aún puede detectarse correctamente en el receptor incluso con un número muy pequeño, alrededor de cuatro, de partículas de luz», explica Horst.

En general, se necesitaban las habilidades específicas de tres socios para el éxito del proyecto. La compañía espacial francesa, Thales Alenia Space, es experta en apuntar láseres con precisión centimétrica en miles de kilómetros en el espacio. ONERA, también francés, es un instituto de investigación aeroespacial con experiencia en óptica adaptativa basada en MEMS, que ha eliminado en gran medida los efectos del brillo en el aire. El método más efectivo de modulación de señal, que es esencial para velocidades de datos altas, es una especialidad del grupo de investigación ETH Zurich de Leuthold.

Fácilmente ampliable a 40 terabits por segundo

Los resultados del experimento, presentados por primera vez en la Conferencia Europea sobre Comunicación Óptica (ECOC) en Basilea, están causando sensación en todo el mundo. Leuthold dice: «Nuestro sistema representa un gran avance. Hasta ahora, solo dos opciones han sido posibles: conectar grandes distancias con pequeños anchos de banda de unos pocos gigabits o distancias cortas de unos pocos metros con grandes anchos de banda utilizando láseres de espacio libre».

Además, el rendimiento de 1 terabit por segundo se logró con una sola longitud de onda. En futuras aplicaciones prácticas, el sistema se puede escalar fácilmente hasta 40 canales y, por lo tanto, hasta 40 terabits por segundo utilizando tecnologías estándar.

Sin embargo, la ampliación no es algo que le preocupe a Leuthold y su equipo; Los socios de la industria llevarán a cabo la implementación práctica del concepto en un producto comercializable. Sin embargo, hay una parte del trabajo que los científicos de ETH Zurich seguirán realizando: en el futuro, es probable que el nuevo formato de modulación que desarrollaron aumente los anchos de banda en otros métodos de transmisión de datos donde la energía del haz puede convertirse en un factor limitante. .