Los láseres habilitan la columna vertebral de Internet vía satélite y pronto podrían eliminar la necesidad de cables de aguas profundas

Los láseres de transmisión de datos ópticos pueden transmitir decenas de terabits por segundo, a pesar de la enorme cantidad de turbulencia destructiva del aire. Los investigadores de ETH Zurich y sus socios europeos demostraron esta capacidad utilizando 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 transmite 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 que es un gasto enorme: un solo cable a través del Atlántico requiere una inversión de cientos de millones de dólares. TeleGeography, una consultora especializada, anunció que actualmente hay 530 cables submarinos en operación y ese número va en aumento.

Pronto, sin embargo, este gasto puede caer significativamente. Científicos de ETH Zúrich, en colaboración con socios de la industria espacial, han demostrado la transmisión de datos ópticos de terabits en el aire como parte del proyecto europeo Horizonte 2020. En el futuro, esto permitirá conexiones troncales mucho más baratas y rápidas a través de constelaciones de satélites cercanos. Satélites terrestres. Sus trabajos se publican en la revista Luz: ciencia y aplicaciones.

Condiciones difíciles entre Jungfraujoch y Berna

Para alcanzar este hito, los socios del proyecto dieron un importante paso adelante al establecer un enlace de comunicación óptica por satélite con una prueba exitosa 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 53 km (33 millas) en el espacio libre.

“En términos de transmisión óptica de datos, nuestra ruta de prueba entre la estación de investigación a gran altitud en Jungfraujoch y el Observatorio Zimmerwald en la Universidad de Berna es mucho más difícil que entre un satélite y una estación terrestre”, explica Yannik Horst, autor principal de el científico de estudio e investigación del Instituto de Campos Electromagnéticos ETH Zurich, dirigido por el profesor Jürg Leuthold.

El rayo láser atraviesa la densa atmósfera cercana a la tierra. En este proceso, muchos factores (varias turbulencias de aire sobre montañas altas cubiertas de nieve, la superficie del agua del lago Thun, la metrópolis densamente construida de Thun y el plano de Aare) afectan el movimiento de las ondas de luz y, en consecuencia, la transmisión de datos. El parpadeo del aire, causado por fenómenos térmicos, perturba el movimiento uniforme de la luz y puede verse 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 cercanos a la Tierra 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 mucho menos eficientes. Al igual que la 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 unos pocos centímetros.

Los sistemas ópticos láser, por otro lado, 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 garantizar una señal lo suficientemente fuerte antes de que llegue a un receptor distante, se envían ondas de luz láser paralelas a través de un telescopio con un diámetro de varias decenas de centímetros. 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 la tasa de datos más alta posible, la onda de luz láser se modula de tal manera que el receptor pueda detectar diferentes estados codificados en un símbolo. Esto significa que cada símbolo transmite más de un bit de información. En la práctica, esto significa diferentes amplitudes y ángulos de fase de la onda de luz. Cada combinación de ángulo de fase y amplitud crea un símbolo de información diferente que se puede codificar en el símbolo transmitido. Así, con un esquema de 16 estados (16QAM), cada oscilación puede transmitir 4 bits, y con un esquema de 64 estados (64QAM), 6 bits.

La turbulencia variable de las partículas de aire da como resultado diferentes velocidades de ondas de luz tanto dentro como en los bordes del cono de luz. Como resultado, cuando las ondas de luz alcanzan el detector de la estación receptora, las amplitudes y los ángulos de fase se suman o se anulan, dando valores falsos.

Refleja la fase correcta de la onda 1500 veces por segundo

Para evitar estos errores, el socio de París ONERA implementó un 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 intersección a lo largo del gradiente medido actualmente 1500 veces por segundo, mejorando finalmente las señales en un factor de aproximadamente 500.

Esta mejora era necesaria para lograr un rendimiento de 1 terabit por segundo en una distancia de 53 kilómetros, enfatiza Horst.

Se demostraron por primera vez nuevos formatos fiables de modulación de la 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 mediante la codificación inteligente de bits de información en las propiedades de la onda de luz, como la amplitud, la fase y la polarización. “Gracias a nuestra nueva codificación por desplazamiento de fase binaria 4D o formato de modulación BPSK, aún se puede detectar correctamente un poco de información en el receptor, incluso con un número muy pequeño, alrededor de cuatro, de partículas de luz”, explica Horst.

En general, las habilidades específicas de los tres socios eran necesarias para el éxito del proyecto. La empresa espacial francesa Thales Alenia Space es experta en el seguimiento de láseres con precisión centimétrica a lo largo de miles de kilómetros en el espacio. ONERA, también francés, es un instituto de investigación aeronáutica especializado en óptica adaptativa basada en MEMS, que ha eliminado en gran medida los efectos del parpadeo en el aire. El método más efectivo de modulación de señal, que es necesario para lograr altas tasas de transmisión de datos, es la especialidad del grupo de investigación Leuthold ETH Zurich.

Fácilmente ampliable a 40 terabits por segundo

Los resultados del experimento, presentados por primera vez en la Conferencia Europea de Comunicaciones Ópticas (ECOC) en Basilea, están causando sensación en todo el mundo. Leuthold dice: “Nuestro sistema es un gran avance. Hasta ahora, solo han sido posibles dos opciones: combinar largas distancias con bajos rendimientos de unos pocos gigabits, o distancias cortas de unos pocos metros con altos rendimientos utilizando láseres de espacio libre”.

Además, a una longitud de onda, se logró una eficiencia de 1 terabit por segundo. Para 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 con lo que Leuthold y su equipo se enfrenten; socios industriales llevarán a cabo la implementación práctica del concepto en un producto de mercado. Sin embargo, hay una parte del trabajo que los científicos de ETH Zurich continuarán: en el futuro, es probable que el nuevo formato de modulación que desarrollaron aumente el rendimiento en otros métodos de transmisión de datos donde la energía del haz puede convertirse en un factor limitante.