Impulsado por micropeines, que es 90 veces más pequeño que los chips convencionales

Científicos japoneses han descubierto una forma de transmitir datos a una velocidad de 112 gigabits por segundo (Gbps) en una banda de espectro específica, vital para el desarrollo de las redes inalámbricas 6G de próxima generación.

Para lograr este avance, los investigadores desarrollaron un nuevo sistema de comunicación inalámbrica de terahercios basado en micropeines: dispositivos fotónicos especiales integrados en microchips que generan frecuencias ópticas para redes inalámbricas.

Al combinarse con técnicas de modulación de alto orden —métodos avanzados para lograr mayores velocidades de transferencia de datos en un ancho de banda limitado—, el equipo consiguió estas vertiginosas velocidades de comunicación inalámbrica en la banda de 560 gigahercios.

Alcanzar tales velocidades —por primera vez a una frecuencia superior a 420 GHz— demostró cómo este sistema puede superar las limitaciones de potencia de señal y ruido que afectan a la electrónica convencional a estas frecuencias ultra altas, lo que limita su velocidad de transmisión de datos a niveles mucho más bajos.

"Este resultado representa un paso importante hacia los sistemas inalámbricos 6G prácticos y el backhaul móvil de ultra alta velocidad", dijo en un comunicado Takeshi Yasui, profesor del Instituto de Fotónica Post-LED de la Universidad de Tokushima y coautor del estudio.

Imagen: Unos diminutos micropeines con fibras ópticas podrían ser la solución para lograr redes inalámbricas 6G rápidas y estables. Crédito de la imagen: Universidad de Tokushima

Hágase la luz

Si bien las velocidades inalámbricas 5G son notablemente rápidas, con velocidades promedio de aproximadamente 300 megabits por segundo (Mbps), ya se está trabajando en el diseño e implementación de redes 6G en todo el mundo. En el futuro, los científicos predicen que las velocidades alcanzarán un máximo teórico de 1 terabit por segundo, más de 3.000 veces más rápido que las velocidades promedio actuales de 5G y 50 veces más rápido que el límite teórico de 5G.

Se prevé que las redes comerciales 6G se lancen en 2030 o más adelante, pero aún queda mucho trabajo por hacer para desarrollarlas. Para que la implementación de 6G sea posible, se necesita una red inalámbrica de enlace rápido que aproveche las ondas de terahercios de altísima frecuencia.

Estas se encuentran en la banda del espectro que supera los 350 GHz. Por debajo de esa frecuencia, el espectro electrónico ya está saturado con señales 5G y carece de la frecuencia necesaria para transmitir grandes cantidades de datos a velocidades de última generación.

Cuando se utilizan dispositivos electrónicos convencionales para operar en el espectro de terahercios, sus señales electrónicas se ven afectadas por la falta de potencia o el "ruido de fase" —esencialmente, fluctuaciones en la señal—, lo que dificulta la separación de las señales deseadas de las no deseadas. Esto conlleva limitaciones en la estabilidad de la señal y en la cantidad de datos que las señales electrónicas pueden transmitir a frecuencias superiores a 350 GHz.

La fotónica —el uso de la luz para transmitir datos— se considera, por lo tanto, una vía para allanar el camino hacia las redes 6G. Sin embargo, los sistemas fotónicos convencionales han requerido voluminosos sistemas láser que necesitan una alineación óptica precisa para funcionar correctamente, y aún se ven afectados por el ruido de fase.

Para abordar estos desafíos, los científicos están explorando los micropeines ópticos como una forma de generar una serie de líneas de luz precisas. Su estabilidad óptica minimiza el ruido de fase. Sin embargo, requieren una alineación óptica precisa; en una implementación de red real, las vibraciones podrían alterar dicha alineación e interferir así con las conexiones establecidas.

En el nuevo estudio, los investigadores señalaron que estos micropeines no lograban "simultáneamente una generación de señal estable y una modulación de alto orden para la transmisión de datos a alta velocidad".

Construyendo vínculos

El avance se logra mediante la unión directa de una fibra óptica a un microresonador de nitruro de silicio, una estructura fotónica de micropeine que convierte la luz láser en millones de líneas láser precisas. La combinación de fibra óptica con micropeines evita el desafío de la alineación óptica precisa, mientras que en los sistemas fotónicos más convencionales, la luz láser debe alinearse cuidadosamente en múltiples ejes y etapas mediante el uso de microscopios ópticos para poder dirigirla hacia los microchips.

Imagen: Acoplamiento directo de fibra a chip frente a acoplamiento convencional en espacio libre. Crédito de la imagen: Universidad de Tokushima

Para transmitir datos mediante el sistema de micropeine, los investigadores generaron dos portadoras de señal óptica —con alta estabilidad y una elevada relación señal-ruido— mediante la sincronización por inyección del micropeine con láseres. Codificaron los datos en estas señales utilizando los formatos de modulación de alto orden QPSK y 16QAM, lo que permite transmitir la mayor cantidad de datos posible en una sola onda. Posteriormente, convirtieron las señales ópticas a la onda de terahercios de 560 GHz mediante una técnica denominada fotomezcla, antes de transmitirlas a un receptor.

En los experimentos, lograron velocidades de 84 Gbps con QPSK y de 112 Gbps con 16QAM. Estos resultados demuestran que el equipo de investigadores creó una fuente de señal de terahercios compacta y estable, capaz de transmitir datos a velocidades superiores a 100 Gbps mediante un transmisor de tan solo 5 milímetros de diámetro. En comparación, un sistema de micropeine convencional mide 450 milímetros.

También integraron una función de control de temperatura en el microresonador para que pudiera soportar las fluctuaciones de temperatura y, por lo tanto, reproducir de forma más fiable las características de resonancia óptica requeridas.

Los investigadores planean encontrar maneras de reducir aún más el ruido de fase y aumentar la potencia de salida de sus sistemas para lograr velocidades de transferencia de datos aún mayores.

Este estudio abre la puerta a la creación de una base tecnológica para una red de enlace troncal inalámbrica de ultra alta velocidad. Dicha red podría prescindir del cableado subterráneo de fibra óptica como infraestructura principal para redes de alta velocidad y allanar el camino para implementaciones prácticas de 6G.

Los investigadores presentaron sus hallazgos el 18 de mayo en la revista Communications Engineering: Beyond 350 GHz: Single-channel 112 Gbps photonic wireless transmission at 560 GHz using soliton microcombs