Peines de frecuencia láser en cascada cuántica:la próxima revolución en velocidad WiFi

• Los científicos desarrollaron una técnica para generar frecuencias de terahercios a través de un peine de frecuencia infrarroja 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. 
• Esta es la primera vez que alguien demuestra que un láser es capaz de actuar como modulador de cuadratura. 

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

El próximo sistema inalámbrico de quinta generación es una solución temporal que se implementará en 2018 y posteriormente. 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 ello, los científicos se han centrado en la banda submilimétrica del espectro electromagnético, llamada frecuencias de terahercios. Las longitudes de onda en la banda de terahercios varían de 1 milímetro a 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 infrarroja en una cascada cuántica

En 2017, investigadores de la Universidad de Harvard desarrollaron una técnica para generar frecuencias de terahercios a través de un peine de frecuencia [infrarrojos] en un láser de cascada cuántica. Ahora han desarrollado un nuevo mecanismo de peines de frecuencia láser en cascada cuántica que permite que el equipo actúe como un receptor o transmisor integrado para codificar datos de manera efectiva.

Esta técnica convierte equipos que funcionan en longitudes de onda ópticas en moduladores avanzados en longitudes de onda de microondas. Esto permite que el dispositivo utilice el ancho de banda de la red de manera eficiente. Transforma completamente la forma en que se opera un láser.

¿Qué son los peines de frecuencia? 

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

Se le conoce como peine de frecuencia porque estas luces de múltiples frecuencias están espaciadas equidistantemente y se asemejan a los dientes de un peine. Actualmente, utilizamos estos peines de frecuencia óptica para casi todo, desde encontrar exoplanetas distantes hasta analizar huellas dactilares de determinadas moléculas.

Sin embargo, la investigación no se trata de la salida óptica del láser. Los científicos estaban interesados ​​en lo que sucede 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 la imagen:Jared Sisler / Universidad de Harvard

Las múltiples longitudes de onda de la luz láser se combinan para producir radiación de microondas. La luz presente en la cavidad del láser hace que los electrones oscilen en diferentes longitudes de onda de microondas. Estas longitudes de onda se encuentran dentro del mismo espectro que se utiliza para las comunicaciones. Para codificar datos en una señal portadora, se podrían modular externamente estas oscilaciones.

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

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

En la actualidad, las fuentes de radiación de terahercios 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.