Láseres de alto rendimiento de próxima generación impulsan la navegación en espacio profundo

La Red de Espacio Profundo (DSN) de NASA, una especie de sistema GPS para el espacio, depende de relojes atómicos para extrema precisión. Cualquier sistema de navegación moderno debe cronometrar señales de radio con precisión para triangular una ubicación. Pero la necesidad de precisión es aún mayor en el espacio, donde grandes distancias pueden magnificar incluso errores minúsculos.

Los avances hechos por Lute Maleki, ex investigador en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) de NASA en Pasadena, CA, y sus colegas de JPL para el espacio han llevado ahora a algunos de los láseres y osciladores más refinados del mundo para aplicaciones como comunicaciones, telémetros para coches autónomos, y campos emergentes como computación cuántica.

En los años 80, mientras trabajaba para mejorar tecnología de reloj atómico para la DSN, Maleki estableció lo que se conoció como el grupo de Ciencias y Tecnologías Cuánticas de JPL para desarrollar nuevas capacidades usando la física cuántica que gobierna las partículas más elementales, como fotones o los átomos vibrantes en un reloj. El equipo desarrolló un tipo de reloj atómico mejor y más asequible y también, por primera vez, envió señales de reloj atómico a través de cables de fibra óptica a antenas a casi 20 millas de distancia.

A principios de los 90, Maleki y otro miembro de su lab terminaron inventando un nuevo tipo de oscilador. «Él tenía un problema de estabilidad que no podía resolver, y le dije que lo convirtiera en un oscilador para resolverlo, y inventamos el oscilador optoelectrónico», dijo Maleki.

Los osciladores son cruciales no solo para cronometraje sino también para comunicaciones, donde dejan que dos o más dispositivos acuerden una frecuencia precisa en la que enviar y recibir información. Mientras todos los osciladores previos usaban corriente eléctrica para generar su vibración, este usaba luz láser. El oscilador optoelectrónico se ha vuelto crítico para varias aplicaciones, como radar, ingeniería espacial y comunicaciones inalámbricas.

Para asegurar una frecuencia constante, sin embargo, el oscilador necesita un resonador. En ese momento, esto usualmente era una fibra óptica que podía llevar una señal de salida por una buena distancia — idealmente una milla o más — y circularla de vuelta, permitiendo al sistema rastrear su propia frecuencia de salida y cancelar ruido, explicó Maleki. Hacía un sistema voluminoso.

Esto llevó a su segunda invención fundacional: el uso de un resonador óptico de modo galería susurrante (whispering gallery mode). En ese momento, NASA tenía poco uso para ello, pero Maleki confió en que había mercado.

Fundó OEwaves (OE = optoelectrónico) en 1999 con unas 30 patentes del trabajo de su equipo en NASA, licenciadas a través del California Institute of Technology, que gestiona JPL.

La compañía tardó en encontrar su sitio en un panorama tecnológico cambiante, pero sus productos, que incluyen los láseres semiconductores de menor ruido disponibles, han encontrado nuevos mercados abriéndose en años recientes. Uno es en «estructuras inteligentes», un concepto que existe desde décadas pero empieza a ponerse en práctica, especialmente en Asia. Sensores de fibra óptica embebidos en edificios, puentes, ferrocarriles y otras estructuras pueden detectar estrés o deformación, pero esto requiere láseres de bajo ruido para revelar diminutas variaciones en longitud de onda.

Maleki dijo que también espera mayor demanda en mercados de móviles y comunicaciones, a medida que se mueven hacia frecuencias más altas, que transportan información más eficientemente pero requieren fidelidad extremadamente alta.

Y en 2014, OEwaves escindió una compañía llamada Strobe Inc. para desarrollar tecnología LiDAR para coches autónomos. Un sistema LiDAR usa señales láser reflejadas para construir un mapa tridimensional de su entorno, que muchas compañías de vehículos autónomos consideran tecnología habilitadora. La subsidiaria de GM, Cruise Automation, compró Strobe en 2017.

Maleki dijo que la misma tecnología que comenzó en JPL permitió a Strobe desarrollar sistemas LiDAR pequeños, eficientes, capaces de cambiar frecuencia rápidamente — una técnica llamada «chirping» — usando solo el resonador. Chirping ayuda a medir tanto la distancia como la velocidad de objetos circundantes. Y todo el sistema pudo ponerse en un circuito integrado fotónico, reduciendo costes aún más.

Varias universidades y compañías también están comprando los componentes láser para investigar futuros dispositivos cuánticos para comunicaciones, computación y otras aplicaciones.

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