El colector de luz con forma de bombilla, que absorbe luz verde y emite luz azul.
Las redes de comunicación de alta velocidad por cable utilizan láseres para transmitir información a través de fibras ópticas, pero las redes inalámbricas están basadas en radiofrecuencias o microondas.
En un avance que algún día podría hacer que las comunicaciones inalámbricas basadas en la luz sean de uso común, investigadores del Laboratorio de Conectividad de Facebook han demostrado un enfoque conceptualmente nuevo para la detección de señales de comunicaciones ópticas que viajan a través del aire.
El equipo describe la nueva tecnología, que podría allanar el camino para las redes inalámbricas ópticas rápidas capaces de suministrar servicios de Internet a lugares lejanos, en Optica, la revista de la Sociedad Óptica estadounidense (OSA) para la investigación de alto impacto.
El Laboratorio de Conectividad de Facebook desarrolla tecnologías orientadas a la prestación de servicios de Internet asequibles para los aproximadamente 4 mil millones de personas en el mundo que no tienen acceso actualmente.
"Una gran parte de las personas no se conectan a Internet debido a que la infraestructura de comunicaciones inalámbrica no está disponible donde viven, sobre todo en zonas muy rurales del mundo," dice Tobias Tiecke, que lidera el equipo de investigación. "Estamos desarrollando tecnologías de la comunicación que están optimizadas para las áreas donde las personas viven muy separadas unas de otras."
La comunicación inalámbrica basada en la luz, también llamada comunicación óptica por el espacio libre, es una vía prometedora para llevar internet a zonas en las que desplegar de manera rentable fibras ópticas y torres de telefonía móvil puede ser un reto.
En telecomunicaciones, la óptica de espacio libre es una tecnología de comunicación óptica que utiliza la propagación de la luz (visible o infrarroja) en la atmósfera para transmitir información entre dos puntos. Al igual que las redes de fibra óptica, esta tecnología utiliza un diodo emisor de luz o un láser como fuente de transmisión, aunque no necesita que el haz de luz sea guiado a través de cables ópticos.
Para recibir la señal, los haces de luz se centran en un lente de recepción conectada a un receptor de alta sensibilidad a través de un cable de fibra óptica.
El uso de luz láser para llevar información a través de la atmósfera puede ofrecer potencialmente anchos de banda y capacidad de datos muy altos, pero uno de los principales retos ha sido hasta ahora cómo apuntar con precisión un pequeño rayo láser que transporte los datos a un pequeño detector de luz que está a cierta distancia.
En el nuevo estudio, los investigadores demuestran un método que usa materiales fluorescentes en lugar de la óptica tradicional para recoger la luz y concentrarla en una pequeña célula fotoeléctrica. Combinaron este colector de luz, que cuenta con 126 centímetros cuadrados de superficie que pueden captar la luz desde cualquier dirección, con la tecnología de telecomunicaciones existente para alcanzar velocidades de datos de más de 2 gigabits por segundo (Gbps).
"Hemos demostrado el uso de fibras ópticas fluorescentes que absorben un color de la luz y emiten otro color", dice Tiecke en la nota de prensa de OSA. "Las fibras ópticas absorben la luz procedente de cualquier dirección a lo largo de un área grande, y la luz emitida viaja dentro de la fibra óptica, que canaliza la luz a una pequeña célula fotoeléctrica, muy rápido."
Detectores rápidos
Una red óptica de alta velocidad en el espacio libre requiere detectores muy rápidos para recibir la luz láser que lleva información. Pero la velocidad debe equilibrarse con el tamaño; aunque detectores más grandes hacen el objetivo más fácil de golpear con un haz de luz láser que viaja por el aire, el aumento del tamaño de un detector hace que sea más lento.
Se puede utilizar una combinación de óptica y sistemas mecánicos para realizar un seguimiento de la posición del detector y apuntarlo hacia el láser, pero estos enfoques añaden un poco de complejidad.
El nuevo colector de luz utiliza fibras ópticas de plástico que contienen moléculas de colorante orgánicas que absorben la luz azul y emiten luz verde. Esta configuración reemplaza la óptica clásica y la plataforma de movimiento que normalmente se necesita para apuntar la luz a la zona de recogida.
"El hecho de que estas fibras ópticas fluorescentes emitan un color diferente del que absorben hace que sea posible aumentar el brillo de la luz que entra en el sistema", dice Tiecke. "Este enfoque ha sido utilizado en concentradores luminiscentes para la recolección de luz solar, donde la velocidad de la conversión del color no importa. Demostramos que el mismo concepto puede ser utilizado para la comunicación y así eludir los problemas al apuntar y de seguimiento al tiempo que se consiguen velocidades muy altas ".
En un avance que algún día podría hacer que las comunicaciones inalámbricas basadas en la luz sean de uso común, investigadores del Laboratorio de Conectividad de Facebook han demostrado un enfoque conceptualmente nuevo para la detección de señales de comunicaciones ópticas que viajan a través del aire.
El equipo describe la nueva tecnología, que podría allanar el camino para las redes inalámbricas ópticas rápidas capaces de suministrar servicios de Internet a lugares lejanos, en Optica, la revista de la Sociedad Óptica estadounidense (OSA) para la investigación de alto impacto.
El Laboratorio de Conectividad de Facebook desarrolla tecnologías orientadas a la prestación de servicios de Internet asequibles para los aproximadamente 4 mil millones de personas en el mundo que no tienen acceso actualmente.
"Una gran parte de las personas no se conectan a Internet debido a que la infraestructura de comunicaciones inalámbrica no está disponible donde viven, sobre todo en zonas muy rurales del mundo," dice Tobias Tiecke, que lidera el equipo de investigación. "Estamos desarrollando tecnologías de la comunicación que están optimizadas para las áreas donde las personas viven muy separadas unas de otras."
La comunicación inalámbrica basada en la luz, también llamada comunicación óptica por el espacio libre, es una vía prometedora para llevar internet a zonas en las que desplegar de manera rentable fibras ópticas y torres de telefonía móvil puede ser un reto.
En telecomunicaciones, la óptica de espacio libre es una tecnología de comunicación óptica que utiliza la propagación de la luz (visible o infrarroja) en la atmósfera para transmitir información entre dos puntos. Al igual que las redes de fibra óptica, esta tecnología utiliza un diodo emisor de luz o un láser como fuente de transmisión, aunque no necesita que el haz de luz sea guiado a través de cables ópticos.
Para recibir la señal, los haces de luz se centran en un lente de recepción conectada a un receptor de alta sensibilidad a través de un cable de fibra óptica.
El uso de luz láser para llevar información a través de la atmósfera puede ofrecer potencialmente anchos de banda y capacidad de datos muy altos, pero uno de los principales retos ha sido hasta ahora cómo apuntar con precisión un pequeño rayo láser que transporte los datos a un pequeño detector de luz que está a cierta distancia.
En el nuevo estudio, los investigadores demuestran un método que usa materiales fluorescentes en lugar de la óptica tradicional para recoger la luz y concentrarla en una pequeña célula fotoeléctrica. Combinaron este colector de luz, que cuenta con 126 centímetros cuadrados de superficie que pueden captar la luz desde cualquier dirección, con la tecnología de telecomunicaciones existente para alcanzar velocidades de datos de más de 2 gigabits por segundo (Gbps).
"Hemos demostrado el uso de fibras ópticas fluorescentes que absorben un color de la luz y emiten otro color", dice Tiecke en la nota de prensa de OSA. "Las fibras ópticas absorben la luz procedente de cualquier dirección a lo largo de un área grande, y la luz emitida viaja dentro de la fibra óptica, que canaliza la luz a una pequeña célula fotoeléctrica, muy rápido."
Detectores rápidos
Una red óptica de alta velocidad en el espacio libre requiere detectores muy rápidos para recibir la luz láser que lleva información. Pero la velocidad debe equilibrarse con el tamaño; aunque detectores más grandes hacen el objetivo más fácil de golpear con un haz de luz láser que viaja por el aire, el aumento del tamaño de un detector hace que sea más lento.
Se puede utilizar una combinación de óptica y sistemas mecánicos para realizar un seguimiento de la posición del detector y apuntarlo hacia el láser, pero estos enfoques añaden un poco de complejidad.
El nuevo colector de luz utiliza fibras ópticas de plástico que contienen moléculas de colorante orgánicas que absorben la luz azul y emiten luz verde. Esta configuración reemplaza la óptica clásica y la plataforma de movimiento que normalmente se necesita para apuntar la luz a la zona de recogida.
"El hecho de que estas fibras ópticas fluorescentes emitan un color diferente del que absorben hace que sea posible aumentar el brillo de la luz que entra en el sistema", dice Tiecke. "Este enfoque ha sido utilizado en concentradores luminiscentes para la recolección de luz solar, donde la velocidad de la conversión del color no importa. Demostramos que el mismo concepto puede ser utilizado para la comunicación y así eludir los problemas al apuntar y de seguimiento al tiempo que se consiguen velocidades muy altas ".
Lapso
Las altas velocidades son posibles porque hay un lapso de menos de 2 nanosegundos entre la absorción de la luz azul y la emisión de luz verde. Además, incorporando un método de modulación de la señal llamado multiplexado por división de frecuencia ortogonal, OFDM, los investigadores transmiten más de 2 Gbps a pesar de que el ancho de banda del sistema es de 100 MHz.
OFDM es un método de codificación de datos digitales que sirve para que múltiples flujos de datos se puedan transmitir a la vez. A pesar de que se utiliza comúnmente para la comunicación por cable e inalámbrica, no se suele utilizar con la comunicación por láser.
"Hemos alcanzado tasas tan altas de datos utilizando materiales disponibles en el mercado que no están diseñadas para aplicaciones de comunicaciones", dice Tiecke. "Queremos que otros grupos se interesen en desarrollar materiales que se adapten a aplicaciones de comunicaciones".
Si se desarrollaran materiales que operaran en la parte infrarroja del espectro, que fueran invisibles para la gente, y fueran incluso más rápidos que el sistema de luz azul / verde, el nuevo enfoque podría permitir teóricamente velocidades de datos ópticos en el espacio libre de más de 10 Gbps, dice el investigador.
Todas las direcciones
En el artículo de Optica, los investigadores muestran un colector de luz en forma de bombilla hecho a partir de un haz de fibras ópticas fluorescentes. Aunque muchas formas son posibles, la forma de bombilla ofrece un ancho de banda muy grande y sensitividad omnidireccional, lo que significa que funcionaría con dispositivos móviles que se desplazaran con respecto al transmisor.
Los investigadores también demostraron que esta geometría puede recoger la luz de un área tan grande como 126 centímetros cuadrados, por lo que es menos sensible a que la fuente esté alineada.
"Nuestro detector absorbe la misma cantidad de energía y obtiene la misma señal de comunicación con independencia de la alineación", dice Tiecke.
Además de trabajar con socios para el desarrollo de nuevos materiales, el equipo también tiene previsto el traslado de esta tecnología fuera del laboratorio mediante el desarrollo de un prototipo que podría probarse en una situación del mundo real. "Estamos investigando la viabilidad de un producto comercial", dice Tiecke. "Este es un sistema muy nuevo, y hay un montón de margen para el desarrollo futuro".
Comunicaciones en el espacio
La óptica de espacio libre se utiliza también para permitir las comunicaciones de las naves espaciales. Los enlaces ópticos pueden ser implementados utilizando láseres de luz infrarroja, aunque también para enviar datos a bajas velocidades, y para distancias cortas se utilizan LEDs.
El rango máximo de enlaces terrestres es del orden de 2.3 km, pero la estabilidad y la calidad del enlace es altamente dependiente de los factores atmosféricos como lluvia, niebla, polvo y calor. En el espacio exterior, el alcance de las comunicaciones ópticas de espacio libre en la actualidad es del orden de varios miles de kilómetros, pero tiene el potencial de alcanzar distancias interplanetarias de millones de kilómetros, utilizando telescopios ópticos como expansores de haz.
La comunicación infrarroja IrDA, utilizada por algunos dispositivos como los teléfonos celulares, es también una forma muy simple de comunicación óptica de espacio libre.
Las altas velocidades son posibles porque hay un lapso de menos de 2 nanosegundos entre la absorción de la luz azul y la emisión de luz verde. Además, incorporando un método de modulación de la señal llamado multiplexado por división de frecuencia ortogonal, OFDM, los investigadores transmiten más de 2 Gbps a pesar de que el ancho de banda del sistema es de 100 MHz.
OFDM es un método de codificación de datos digitales que sirve para que múltiples flujos de datos se puedan transmitir a la vez. A pesar de que se utiliza comúnmente para la comunicación por cable e inalámbrica, no se suele utilizar con la comunicación por láser.
"Hemos alcanzado tasas tan altas de datos utilizando materiales disponibles en el mercado que no están diseñadas para aplicaciones de comunicaciones", dice Tiecke. "Queremos que otros grupos se interesen en desarrollar materiales que se adapten a aplicaciones de comunicaciones".
Si se desarrollaran materiales que operaran en la parte infrarroja del espectro, que fueran invisibles para la gente, y fueran incluso más rápidos que el sistema de luz azul / verde, el nuevo enfoque podría permitir teóricamente velocidades de datos ópticos en el espacio libre de más de 10 Gbps, dice el investigador.
Todas las direcciones
En el artículo de Optica, los investigadores muestran un colector de luz en forma de bombilla hecho a partir de un haz de fibras ópticas fluorescentes. Aunque muchas formas son posibles, la forma de bombilla ofrece un ancho de banda muy grande y sensitividad omnidireccional, lo que significa que funcionaría con dispositivos móviles que se desplazaran con respecto al transmisor.
Los investigadores también demostraron que esta geometría puede recoger la luz de un área tan grande como 126 centímetros cuadrados, por lo que es menos sensible a que la fuente esté alineada.
"Nuestro detector absorbe la misma cantidad de energía y obtiene la misma señal de comunicación con independencia de la alineación", dice Tiecke.
Además de trabajar con socios para el desarrollo de nuevos materiales, el equipo también tiene previsto el traslado de esta tecnología fuera del laboratorio mediante el desarrollo de un prototipo que podría probarse en una situación del mundo real. "Estamos investigando la viabilidad de un producto comercial", dice Tiecke. "Este es un sistema muy nuevo, y hay un montón de margen para el desarrollo futuro".
Comunicaciones en el espacio
La óptica de espacio libre se utiliza también para permitir las comunicaciones de las naves espaciales. Los enlaces ópticos pueden ser implementados utilizando láseres de luz infrarroja, aunque también para enviar datos a bajas velocidades, y para distancias cortas se utilizan LEDs.
El rango máximo de enlaces terrestres es del orden de 2.3 km, pero la estabilidad y la calidad del enlace es altamente dependiente de los factores atmosféricos como lluvia, niebla, polvo y calor. En el espacio exterior, el alcance de las comunicaciones ópticas de espacio libre en la actualidad es del orden de varios miles de kilómetros, pero tiene el potencial de alcanzar distancias interplanetarias de millones de kilómetros, utilizando telescopios ópticos como expansores de haz.
La comunicación infrarroja IrDA, utilizada por algunos dispositivos como los teléfonos celulares, es también una forma muy simple de comunicación óptica de espacio libre.
Referencia bibliográfica:
T. Peyronel, K. J. Quirk, S. C. Wang, T. G. Tiecke: Luminescent detector for free-space optical communication. Optica (2016). DOI: 10.1364/optica.3.000787
T. Peyronel, K. J. Quirk, S. C. Wang, T. G. Tiecke: Luminescent detector for free-space optical communication. Optica (2016). DOI: 10.1364/optica.3.000787