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Los límites de datos pueden desaparecer con nuevas antenas ópticas

Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, han encontrado una nueva forma de aprovechar propiedades de las ondas de luz para aumentar radicalmente la cantidad de datos que transportan.

Demostraron la emisión de rayos láser de torsión desde antenas formadas por anillos concéntricos aproximadamente iguales al diámetro de un cabello humano, lo suficientemente pequeños como para colocarlos en chips de computadora.

El nuevo trabajo, publicado en Nature Physics, revela la cantidad de información que puede ser multiplexada, o transmitida simultáneamente, por una fuente de luz coherente. Un ejemplo común de multiplexación es la transmisión de múltiples llamadas telefónicas a través de un solo cable, pero había límites fundamentales para el número de ondas de luz retorcidas coherentes que podían multiplexarse directamente.

«Es la primera vez que los láseres que producen luz torcida se han multiplexado directamente», explica el investigador principal del estudio, Boubacar Kanté, profesor asociado de Chenming Hu en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación de la UC Berkeley.

«Hemos estado experimentando una explosión de datos en nuestro mundo, y los canales de comunicación que tenemos ahora pronto serán insuficientes para lo que necesitamos. La tecnología que estamos reportando supera los límites actuales de capacidad de datos a través de una característica de la luz llamada momento angular orbital. Es un cambio de juego con aplicaciones en imágenes biológicas, criptografía cuántica, comunicaciones de alta capacidad y sensores», agregó.

Los métodos actuales de transmisión de señales a través de ondas electromagnéticas están llegando a su límite. La frecuencia, por ejemplo, se ha saturado, por lo que hay un número limitado de emisoras que se pueden sintonizar en la radio. 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 en 3D, lo que permite a los espectadores con gafas especiales recibir dos conjuntos de señales, uno para cada ojo, para crear un efecto estereoscópico y la ilusión de profundidad.

Pero más allá de la frecuencia y la polarización está el momento angular orbital, o OAM, una propiedad de la luz que ha atraído 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 luz, con sus infinitos grados de libertad, puede, en principio, soportar una cantidad ilimitada de datos», dijo Kanté. «El desafío ha sido encontrar una manera de producir de manera confiable el número infinito de haces OAM. Nadie había producido nunca haces OAM de cargas tan altas en un dispositivo tan compacto».

Los investigadores comenzaron con una antena, uno de los componentes más importantes del electromagnetismo y, señalaron, fundamental para las tecnologías 5G en curso y las próximas 6G. Las antenas de este estudio son topológicas, lo que significa que sus propiedades esenciales se conservan incluso cuando el dispositivo está torcido o doblado.

Para hacer la antena topológica, los investigadores utilizaron litografía por haz de electrones para grabar un patrón de cuadrícula en fosfuro de arseniuro de galio indio, un material semiconductor, y luego unieron la estructura a una superficie hecha de granate de hierro ytrio.

Los investigadores diseñaron la cuadrícula para formar pozos cuánticos en un patrón de tres círculos concéntricos, el más grande de aproximadamente 50 micrones de diámetro, para atrapar fotones. El diseño creó las condiciones para soportar un fenómeno conocido como efecto Hall cuántico fotónico, que describe el movimiento de los fotones cuando se aplica un campo magnético, lo que obliga a la luz a viajar en una sola dirección en los anillos.

«La gente pensó que el efecto Hall cuántico con un campo magnético podría usarse en electrónica pero no en óptica debido al débil magnetismo de los materiales existentes en las frecuencias ópticas», dijo Kanté. «Somos los primeros en demostrar que el efecto Hall cuántico funciona con la luz».

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

«Tener un número cuántico más grande es como tener más letras para usar en el alfabeto», dijo Kanté. «Estamos permitiendo que la luz amplíe su vocabulario. En nuestro estudio, demostramos esta capacidad en longitudes de onda de telecomunicaciones, pero en principio, se puede adaptar a otras bandas de frecuencia. Aunque creamos tres láseres, multiplicando la velocidad de datos por tres, no hay límite para el número posible de haces y la capacidad de datos».