Pentes de Frecuencia de Láser de Cascada Cuántica: La Próxima Revolución en Velocidad WiFi

• Científicos desarrollan una técnica para generar frecuencias terahercio a través de un peine de frecuencia infrarrojo en un láser de cascada cuántica.
• Los datos que viajan en esta banda pueden moverse más de cien veces más rápido que las redes inalámbricas existentes.
• Es la primera vez que alguien demuestra que un láser es capaz de actuar como modulador en cuadratura.

Los datos móviles y el tráfico WiFi están aumentando a una enorme tasa. Para 2020, habrá más de 50 mil millones de dispositivos conectados a WiFi en todo el mundo. Pero su velocidad estará limitada por la capacidad de las redes inalámbricas, y el tráfico generado por estos dispositivos puede llevar a cuellos de botella intolerables.

El próximo sistema inalámbrico de 5ª generación es una solución temporal que se implementará en 2018 y después. Sus bandas de ondas milimétricas pueden manejar hasta 20 gigabits de datos por segundo (Gbit/s). Sin embargo, esto no parece una solución a largo plazo.

Por lo tanto, los científicos se han centrado en la banda submilimétrica del espectro electromagnético, llamada frecuencias terahercio. Las longitudes de onda en la banda terahercio van desde 1 milímetro hasta 0.1 milímetro; los datos que viajan en esta banda pueden moverse más de cien veces más rápido que las redes inalámbricas existentes.

Peine de Frecuencia Infrarrojo en una Cascada Cuántica

En 2017, investigadores de la Universidad de Harvard desarrollaron una técnica para generar frecuencias terahercio a través de un peine de frecuencia [infrarrojo] en un láser de cascada cuántica. Ahora han desarrollado un nuevo mecanismo de pentes de frecuencia de láser de cascada cuántica que permite a los equipos actuar como receptor o transmisor integrado, para codificar datos efectivamente.

Esta técnica convierte equipos que funcionan en longitud de onda óptica en moduladores avanzados en longitudes de onda de microondas. Esto permite al dispositivo usar el ancho de banda de red eficientemente. Transforma completamente la forma en que se opera un láser.

¿Qué son los pentes de frecuencia?

Un peine de frecuencia óptico es una fuente de láser cuyo espectro contiene una serie de líneas de frecuencia discretas [uniformemente espaciadas]. Se usa ampliamente para medir y detectar con precisión diferentes frecuencias de luz. A diferencia del láser tradicional — que emite luz de una sola longitud de onda — este emite luz en múltiples longitudes de onda, concurrentemente.

Se conoce como peine de frecuencia porque estas luces de múltiples frecuencias están igualmente espaciadas y se asemejan a los dientes de un peine. Actualmente, usamos estos pentes de frecuencia ópticos para casi todo, desde encontrar exoplanetas distantes hasta analizar huellas dactilares de ciertas moléculas.

Sin embargo, la investigación no se trata de la salida óptica del láser. Los científicos estaban interesados en lo que ocurre dentro de la estructura electrónica del láser. Han demostrado que un láser óptico puede funcionar como un instrumento de microondas.

Referencia: OSAPublishing | doi:10.1364/OPTICA.5.000475 | Harvard

¿Cómo Funciona?

Crédito de imagen: Jared Sisler / Universidad de Harvard

Las múltiples longitudes de onda de la luz láser baten juntas para producir radiación de microondas. La luz presente en la cavidad del láser desencadena que los electrones oscilen en diferentes longitudes de onda de microondas. Estas longitudes de onda caen bajo el mismo espectro que se usa para comunicaciones. Para codificar datos en una señal portadora, se podría modular externamente estas oscilaciones.

Según los investigadores, nadie ha hecho esto antes. Es la primera vez que alguien demuestra que un láser es capaz de actuar como modulador en cuadratura, lo que permite transferir 2 datos diferentes al mismo tiempo usando un canal de frecuencia.

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Además, la señal inalámbrica podría desacoplarse al espacio libre integrando antenas en el láser. Esto haría un láser de cascada cuántica un modulador y transmisor unibody.

Actualmente, las fuentes de radiación terahercio tienen limitaciones críticas debido al ancho de banda limitado. Esta investigación abre una ruta potencial para un nuevo tipo de mezcladores en cuadratura, que podrían integrarse fácilmente en arquitecturas de comunicación inalámbrica de próxima generación.