La unidad de recepción (izquierda) recibe la señal de radio, que es registrada en el osciloscopio. Fuente: KIT.
La ampliación de las redes de telecomunicaciones por cable requiere grandes inversiones, tanto en zonas urbanas como en zonas rurales. La transmisión por banda ancha de datos a través de radioenlace puede ayudar a cruzar ríos, autopistas o áreas naturales protegidas y hacer que la extensión de la red sea económicamente viable. En el último número de la revista Nature Photonics, los investigadores presentan un método para la transmisión inalámbrica de datos a una velocidad récord mundial de 100 gigabits por segundo.
Los 100 gigabits de datos por segundo se transmitieron a una frecuencia de 237,5 gigaherzios, a una distancia de 20 metros en el laboratorio. En experimentos previos realizados en el marco del proyecto Millilink, financiado por el Ministerio de Educación e Investigación alemán, se alcanzaron tasas de 40 gigabits por segundo y distancias de transmisión de más de 1 kilómetro. Para su último récord mundial, los científicos aplicaron un método fotónico para generar las señales de radio en el transmisor. En el receptor se utilizaron circuitos electrónicos totalmente integrados.
"Nuestro proyecto se centró en la integración de un enlace de retransmisión de radio de banda ancha en sistemas de fibra óptica", explica el profesor Ingmar Kallfass, en una nota de prensa del Instituto Karlsrhuhe de Tecnología (KIT, Alemania). Kallfass coordinó el proyecto Millilink, financiado por el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido (IAF) y el KIT.
Desde principios de 2013 Kallfass está investigando en la Universidad de Stuttgart. "En las zonas rurales, en particular, esta tecnología representa una alternativa económica y flexible para redes de fibra óptica, cuya extensión a menudo puede no estar justificada desde el punto de vista económico". Kallfass también ve aplicaciones para viviendas particulares: "A una velocidad de datos de 100 gigabits por segundo, sería posible transmitir el contenido de un disco blue-ray o de cinco DVD entre dos dispositivos por radio en sólo dos segundos."
En los experimentos se combinaron las últimas tecnologías fotónicas y electrónicas: En primer lugar, las señales de radio se generan mediante un método óptico. Varios bits se combinan y se transmiten al mismo tiempo. Tras la transmisión, las señales de radio se reciben por circuitos electrónicos integrados activos.
El transmisor genera las señales de radio por medio de un "mezclador de fotones" de ultra-banda ancha desarrollado por la empresa japonesa NTT-NEL. Para ello, dos señales ópticas de láser de diferentes frecuencias se superponen en un fotodiodo. Se produce una señal eléctrica, la frecuencia de la cual es igual a la diferencia de frecuencia de las dos señales ópticas, que en este caso es 237,5 GHz. La señal eléctrica de ondas milimétricas es entonces irradiaba a través de una antena.
"Se trata de una ventaja importante del método fotónico que los flujos de datos procedentes de los sistemas de fibra óptica se pueden convertir directamente en señales de radio de alta frecuencia", explica el profesor Jürg Leuthold. Él propuso la extensión fotónica que se llevó a cabo en este proyecto. Ex director del Instituto KIT de Fotónica y Electrónica Cuántica, trabaja ahora en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich.
"Esta ventaja hace que la integración de los enlaces de retransmisión de radio de altas velocidades de bits en redes de fibra óptica sea más fácil y más flexible", añade. En contraste con un transmisor puramente electrónico, no se necesita ningún circuito electrónico intermedio. "Debido al gran ancho de banda y la buena linealidad del mezclador de fotones, el método es muy adecuado para la transmisión de formatos de modulación avanzados con múltiples estados de fase y amplitud. Eso será una necesidad en los futuros sistemas de fibra óptica", continúa Leuthold.
Los 100 gigabits de datos por segundo se transmitieron a una frecuencia de 237,5 gigaherzios, a una distancia de 20 metros en el laboratorio. En experimentos previos realizados en el marco del proyecto Millilink, financiado por el Ministerio de Educación e Investigación alemán, se alcanzaron tasas de 40 gigabits por segundo y distancias de transmisión de más de 1 kilómetro. Para su último récord mundial, los científicos aplicaron un método fotónico para generar las señales de radio en el transmisor. En el receptor se utilizaron circuitos electrónicos totalmente integrados.
"Nuestro proyecto se centró en la integración de un enlace de retransmisión de radio de banda ancha en sistemas de fibra óptica", explica el profesor Ingmar Kallfass, en una nota de prensa del Instituto Karlsrhuhe de Tecnología (KIT, Alemania). Kallfass coordinó el proyecto Millilink, financiado por el Instituto Fraunhofer de Física Aplicada del Estado Sólido (IAF) y el KIT.
Desde principios de 2013 Kallfass está investigando en la Universidad de Stuttgart. "En las zonas rurales, en particular, esta tecnología representa una alternativa económica y flexible para redes de fibra óptica, cuya extensión a menudo puede no estar justificada desde el punto de vista económico". Kallfass también ve aplicaciones para viviendas particulares: "A una velocidad de datos de 100 gigabits por segundo, sería posible transmitir el contenido de un disco blue-ray o de cinco DVD entre dos dispositivos por radio en sólo dos segundos."
En los experimentos se combinaron las últimas tecnologías fotónicas y electrónicas: En primer lugar, las señales de radio se generan mediante un método óptico. Varios bits se combinan y se transmiten al mismo tiempo. Tras la transmisión, las señales de radio se reciben por circuitos electrónicos integrados activos.
El transmisor genera las señales de radio por medio de un "mezclador de fotones" de ultra-banda ancha desarrollado por la empresa japonesa NTT-NEL. Para ello, dos señales ópticas de láser de diferentes frecuencias se superponen en un fotodiodo. Se produce una señal eléctrica, la frecuencia de la cual es igual a la diferencia de frecuencia de las dos señales ópticas, que en este caso es 237,5 GHz. La señal eléctrica de ondas milimétricas es entonces irradiaba a través de una antena.
"Se trata de una ventaja importante del método fotónico que los flujos de datos procedentes de los sistemas de fibra óptica se pueden convertir directamente en señales de radio de alta frecuencia", explica el profesor Jürg Leuthold. Él propuso la extensión fotónica que se llevó a cabo en este proyecto. Ex director del Instituto KIT de Fotónica y Electrónica Cuántica, trabaja ahora en la Escuela Politécnica Federal de Zúrich.
"Esta ventaja hace que la integración de los enlaces de retransmisión de radio de altas velocidades de bits en redes de fibra óptica sea más fácil y más flexible", añade. En contraste con un transmisor puramente electrónico, no se necesita ningún circuito electrónico intermedio. "Debido al gran ancho de banda y la buena linealidad del mezclador de fotones, el método es muy adecuado para la transmisión de formatos de modulación avanzados con múltiples estados de fase y amplitud. Eso será una necesidad en los futuros sistemas de fibra óptica", continúa Leuthold.
Señales de radio
La recepción de señales de radio se basa en circuitos electrónicos. En el experimento, se utilizó un chip semiconductor que fue producido en el IAF en el marco del proyecto Millilink. La tecnología de los semiconductores se basa en transistores de alta movilidad de electrones que permiten la fabricación de receptores de banda ancha activos para la gama de frecuencias entre 200 y 280 GHz.
Los circuitos integrados tienen un tamaño de chip de sólo unos pocos milímetros cuadrados. El chip receptor también puede dar soporte a formatos de modulación avanzados. De ese modo, el enlace de radio se puede integrar en redes de fibra óptica modernas.
Ya en mayo de este año, el equipo realizó con éxito en la transmisión a una velocidad de 40 gigabits por segundo a larga distancia, en el laboratorio, utilizando un sistema puramente electrónico. Además , los datos se transmitieron correctamente a una distancia de un kilómetro, en la ciudad de Karlsruhe.
"Las largas distancias de transmisión en Millilink se alcanzaron con antenas convencionales que pueden ser sustituidas por antenas en miniatura completamente integradas en los futuros sistemas compactos para su uso en interiores", explica el profesor Thomas Zwick , director del Instituto de Tecnología de Alta Frecuencia y Electrónica del KIT.
La velocidad de datos conseguida actualmente puede ser aún mayor. "Mediante el empleo de técnicas de multiplexación óptica y eléctrica, es decir, mediante la transmisión simultánea de múltiples flujos de datos, y mediante el uso de múltiples antenas de transmisión y recepción, la velocidad de datos podría multiplicarse," señala Swen König, del Instituto KIT de Fotónica y Electrónica Cuántica, quien concibió y llevó a cabo el experimento del reciente récord mundial. "Por lo tanto, parecen factibles sistemas de radio que tengan una velocidad de datos de 1 terabit por segundo".
El proyecto Millilink (marzo de 2010-mayo de 2013) se centró en la integración de enlaces inalámbricos o de radio en las redes de comunicación óptica de banda ancha para el acceso rápido a Internet, especialmente en zonas rurales. Otras posibles aplicaciones son las redes de área local inalámbricas (WLAN) y las redes inalámbricas de área personal (WPAN), entre otras. El experimento presentado ahora añade un transmisor fotónico al sistema de Millilink.
Frecuencias
Usar la gama de altas frecuencias entre 200 y 280 gigaherzios no sólo permite la transmisión rápida de grandes volúmenes de datos, sino que también da lugar a técnicas de montaje muy compacto. La tecnología de semiconductores desarrollada en el Instituto Fraunhofer, sobre la base de transistores de alta movilidad hace que sea posible el uso de las frecuencias entre 200 y 280 GHz con transmisores y receptores activos en la forma de circuitos integrados y compactos.
La atmósfera muestra una baja atenuación en este rango de frecuencias, lo que permite enlaces de radio direccionales de banda ancha. "Esto hace que nuestro enlace de radio sea más fácil de instalar en comparación con sistemas ópticos en el espacio libre para la transmisión de datos. También muestra una mejor robustez en condiciones meteorológicas malas, como la niebla o la lluvia ", explicaba hace unos meses Jochen Antes, del Instituto de Karlsruhe, al hilo del récord anterior, de 40 gigabits por segundo, conseguido al aire libre.
La recepción de señales de radio se basa en circuitos electrónicos. En el experimento, se utilizó un chip semiconductor que fue producido en el IAF en el marco del proyecto Millilink. La tecnología de los semiconductores se basa en transistores de alta movilidad de electrones que permiten la fabricación de receptores de banda ancha activos para la gama de frecuencias entre 200 y 280 GHz.
Los circuitos integrados tienen un tamaño de chip de sólo unos pocos milímetros cuadrados. El chip receptor también puede dar soporte a formatos de modulación avanzados. De ese modo, el enlace de radio se puede integrar en redes de fibra óptica modernas.
Ya en mayo de este año, el equipo realizó con éxito en la transmisión a una velocidad de 40 gigabits por segundo a larga distancia, en el laboratorio, utilizando un sistema puramente electrónico. Además , los datos se transmitieron correctamente a una distancia de un kilómetro, en la ciudad de Karlsruhe.
"Las largas distancias de transmisión en Millilink se alcanzaron con antenas convencionales que pueden ser sustituidas por antenas en miniatura completamente integradas en los futuros sistemas compactos para su uso en interiores", explica el profesor Thomas Zwick , director del Instituto de Tecnología de Alta Frecuencia y Electrónica del KIT.
La velocidad de datos conseguida actualmente puede ser aún mayor. "Mediante el empleo de técnicas de multiplexación óptica y eléctrica, es decir, mediante la transmisión simultánea de múltiples flujos de datos, y mediante el uso de múltiples antenas de transmisión y recepción, la velocidad de datos podría multiplicarse," señala Swen König, del Instituto KIT de Fotónica y Electrónica Cuántica, quien concibió y llevó a cabo el experimento del reciente récord mundial. "Por lo tanto, parecen factibles sistemas de radio que tengan una velocidad de datos de 1 terabit por segundo".
El proyecto Millilink (marzo de 2010-mayo de 2013) se centró en la integración de enlaces inalámbricos o de radio en las redes de comunicación óptica de banda ancha para el acceso rápido a Internet, especialmente en zonas rurales. Otras posibles aplicaciones son las redes de área local inalámbricas (WLAN) y las redes inalámbricas de área personal (WPAN), entre otras. El experimento presentado ahora añade un transmisor fotónico al sistema de Millilink.
Frecuencias
Usar la gama de altas frecuencias entre 200 y 280 gigaherzios no sólo permite la transmisión rápida de grandes volúmenes de datos, sino que también da lugar a técnicas de montaje muy compacto. La tecnología de semiconductores desarrollada en el Instituto Fraunhofer, sobre la base de transistores de alta movilidad hace que sea posible el uso de las frecuencias entre 200 y 280 GHz con transmisores y receptores activos en la forma de circuitos integrados y compactos.
La atmósfera muestra una baja atenuación en este rango de frecuencias, lo que permite enlaces de radio direccionales de banda ancha. "Esto hace que nuestro enlace de radio sea más fácil de instalar en comparación con sistemas ópticos en el espacio libre para la transmisión de datos. También muestra una mejor robustez en condiciones meteorológicas malas, como la niebla o la lluvia ", explicaba hace unos meses Jochen Antes, del Instituto de Karlsruhe, al hilo del récord anterior, de 40 gigabits por segundo, conseguido al aire libre.
Referencia bibliográfica:
S. Koenig, D. Lopez-Diaz, J. Antes, F. Boes, R. Henneberger, A. Leuther, A. Tessmann, R. Schmogrow, D. Hillerkuss, R. Palmer, T. Zwick, C. Koos, W. Freude, O. Ambacher, J. Leuthold, y I. Kallfass. Wireless sub-THz communication system with high data rate. Nature Photonics (2013). DOI: 10.1038/nphoton.2013.275.
S. Koenig, D. Lopez-Diaz, J. Antes, F. Boes, R. Henneberger, A. Leuther, A. Tessmann, R. Schmogrow, D. Hillerkuss, R. Palmer, T. Zwick, C. Koos, W. Freude, O. Ambacher, J. Leuthold, y I. Kallfass. Wireless sub-THz communication system with high data rate. Nature Photonics (2013). DOI: 10.1038/nphoton.2013.275.