Revolucionando la transmisión de datos: Antenas ópticas multiplexadas para comunicación ultra-rápida

Investigadores han descubierto una forma de aprovechar propiedades de ondas de luz que pueden aumentar radicalmente la cantidad de datos que transportan. Demostraron la emisión de haces láser discretos y retorcidos desde antenas compuestas por anillos concéntricos aproximadamente iguales al diámetro de un cabello humano —lo suficientemente pequeñas para colocarse en chips de computadora.

El trabajo aumentará significativamente la cantidad de información que puede multiplexarse, o transmitirse simultáneamente, por una fuente de luz coherente. Un ejemplo común de multiplexación es la transmisión de múltiples llamadas telefónicas sobre un solo cable, pero había límites fundamentales al número de ondas de luz coherentes retorcidas que podían multiplexarse directamente.

La tecnología supera los límites actuales de capacidad de datos a través de una característica de la luz llamada momento angular orbital. Tiene aplicaciones en imagen biológica, comunicaciones de alta capacidad y sensores.

Los métodos actuales de transmisión de señales a través de ondas electromagnéticas están alcanzando su límite. La frecuencia, por ejemplo, se ha saturado, por eso solo hay tantas estaciones de radio que se pueden sintonizar. La polarización, donde las ondas de luz se separan en dos valores —horizontal o vertical— puede duplicar la cantidad de información transmitida. Los cineastas aprovechan esto al crear películas 3D, permitiendo a los espectadores con gafas especializadas recibir dos conjuntos de señales —uno para cada ojo— para crear un efecto estereoscópico y la ilusión de profundidad.

Más allá de la frecuencia y la polarización está el momento angular orbital (OAM), una propiedad de la luz que ha llamado la atención de los científicos porque ofrece una capacidad exponencialmente mayor para la transmisión de datos. Una forma de pensar en OAM es compararlo con el vórtice de un tornado. El vórtice en la luz, con sus infinitos grados de libertad, puede en principio soportar una cantidad ilimitada de datos. El desafío ha sido encontrar una forma de producir de manera fiable el número infinito de haces OAM.

Los investigadores comenzaron con una antena, uno de los componentes más importantes en electromagnetismo y central para las tecnologías 5G actuales y las futuras 6G. Las antenas en este estudio son topológicas —sus propiedades esenciales se mantienen incluso cuando el dispositivo se tuerce o dobla.

Para hacer la antena topológica, los investigadores usaron litografía de haz de electrones para grabar un patrón de cuadrícula en fosfuro de arseniuro de indio y galio (un material semiconductor) y luego unieron la estructura a una superficie hecha de granate de hierro de itrio. Diseñaron la cuadrícula para formar pozos cuánticos en un patrón de tres círculos concéntricos —el más grande de unos 50 micrómetros de diámetro— para atrapar fotones. El diseño creó condiciones para soportar un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico fotónico, que describe el movimiento de fotones cuando se aplica un campo magnético, forzando a la luz a viajar en una sola dirección en los anillos.

Aplicando un campo magnético perpendicular a la microestructura bidimensional, los investigadores generaron con éxito tres haces láser OAM viajando en órbitas circulares sobre la superficie. El estudio mostró además que los haces láser tenían números cuánticos tan grandes como 276, refiriéndose al número de veces que la luz se retuerce alrededor de su eje en una longitud de onda.