Internet más rápido usando tecnología laser.
Científicos del Instituto de Tecnología de California (Caltech), EE.UU., dirigidos por el investigador postdoctoral Christos Santis, PhD, y el estudiante postdoctoral Scott Steger, han culminado el trabajo de cinco años en el Laboratorio de Electrónica y Óptica Cuántica del Prof. Amnón Yariv, Ph.D., catedrático de Física Aplicada y de Ingeniería Eléctrica, Caltech, con el desarrollo de un nuevo láser que tiene el potencial de aumentar en varios órdenes de magnitud la velocidad de transmisión de datos en la red de fibra óptica, que es la ‘columna vertebral’ de Internet.
La luz es capaz de transportar grandes cantidades de información, aproximadamente 10.000 veces más de ancho de banda que las microondas, anterior transportador de datos para comunicaciones de larga distancia. Sin embargo, para utilizar este potencial, la luz láser debe ser lo más espectralmente pura, lo más cercana a una sola frecuencia, como sea posible. Cuanto más puro es el tono, más información se puede transportar. Durante décadas los investigadores han estado tratando de desarrollar un láser que se acerque lo más posible a la emisión de una sola frecuencia.
Nuevo láser: más información, a más distancia y más rápido
Hoy en día en todo el mundo la red de fibra óptica está siendo alimentada por un láser conocido como láser semiconductor con realimentación distribuida (S-DFB), desarrollado a mediados de la década de 1970 por el grupo de investigación del Prof. Amnón Yariv.
La excepcional longevidad del láser S-DFB en las comunicaciones ópticas se ha debido a su, en ese momento, sin igual pureza espectral, que es el grado en que la luz emitida corresponde a una sola frecuencia. El incremento de la pureza espectral del láser se traduce directamente en un ancho de banda de información más grande del haz de láser, y la posibilidad de transmisión a distancias más grandes en la fibra óptica, con el resultado de que se puede llevar como nunca antes más información a más distancia y más rápido.
La necesidad de satisfacer la demanda de ancho de banda
La pureza espectral sin precedentes del antiguo láser S-DFB fue una consecuencia directa de la incorporación de una corrugación a nano escala dentro de la estructura de múltiples capas del láser. La superficie actúa semejante a un tallador como una suerte de filtro interno, discriminando por contraste a las falsas ondas “ruidosas” que contaminan la frecuencia ideal de onda.
Aunque el antiguo láser S-DFB tuvo una exitosa carrera de 40 años en las comunicaciones ópticas y su desarrollo fue la principal razón por la que el Prof. Amnon Yariv recibiera la Medalla Nacional de la Ciencia el 2010, sin embargo actualmente la pureza espectral o la coherencia del láser S-DFB no puede ya satisfacer más el incremento en la demanda de ancho de banda.
“La principal motivación para nuestro proyecto se debió a que los diseños de láser de hoy en día, inclusive el de nuestro láser S-DFB, tienen una arquitectura interna que es desfavorable para la operación de alta pureza espectral. Esto debido a que teóricamente permiten un inevitable gran ruido óptico, mezclándose con la coherencia del láser, degradando así su pureza espectral”, dice él.
Científicos del Instituto de Tecnología de California (Caltech), EE.UU., dirigidos por el investigador postdoctoral Christos Santis, PhD, y el estudiante postdoctoral Scott Steger, han culminado el trabajo de cinco años en el Laboratorio de Electrónica y Óptica Cuántica del Prof. Amnón Yariv, Ph.D., catedrático de Física Aplicada y de Ingeniería Eléctrica, Caltech, con el desarrollo de un nuevo láser que tiene el potencial de aumentar en varios órdenes de magnitud la velocidad de transmisión de datos en la red de fibra óptica, que es la ‘columna vertebral’ de Internet.
La luz es capaz de transportar grandes cantidades de información, aproximadamente 10.000 veces más de ancho de banda que las microondas, anterior transportador de datos para comunicaciones de larga distancia. Sin embargo, para utilizar este potencial, la luz láser debe ser lo más espectralmente pura, lo más cercana a una sola frecuencia, como sea posible. Cuanto más puro es el tono, más información se puede transportar. Durante décadas los investigadores han estado tratando de desarrollar un láser que se acerque lo más posible a la emisión de una sola frecuencia.
Nuevo láser: más información, a más distancia y más rápido
Hoy en día en todo el mundo la red de fibra óptica está siendo alimentada por un láser conocido como láser semiconductor con realimentación distribuida (S-DFB), desarrollado a mediados de la década de 1970 por el grupo de investigación del Prof. Amnón Yariv.
La excepcional longevidad del láser S-DFB en las comunicaciones ópticas se ha debido a su, en ese momento, sin igual pureza espectral, que es el grado en que la luz emitida corresponde a una sola frecuencia. El incremento de la pureza espectral del láser se traduce directamente en un ancho de banda de información más grande del haz de láser, y la posibilidad de transmisión a distancias más grandes en la fibra óptica, con el resultado de que se puede llevar como nunca antes más información a más distancia y más rápido.
La necesidad de satisfacer la demanda de ancho de banda
La pureza espectral sin precedentes del antiguo láser S-DFB fue una consecuencia directa de la incorporación de una corrugación a nano escala dentro de la estructura de múltiples capas del láser. La superficie actúa semejante a un tallador como una suerte de filtro interno, discriminando por contraste a las falsas ondas “ruidosas” que contaminan la frecuencia ideal de onda.
Aunque el antiguo láser S-DFB tuvo una exitosa carrera de 40 años en las comunicaciones ópticas y su desarrollo fue la principal razón por la que el Prof. Amnon Yariv recibiera la Medalla Nacional de la Ciencia el 2010, sin embargo actualmente la pureza espectral o la coherencia del láser S-DFB no puede ya satisfacer más el incremento en la demanda de ancho de banda.
“La principal motivación para nuestro proyecto se debió a que los diseños de láser de hoy en día, inclusive el de nuestro láser S-DFB, tienen una arquitectura interna que es desfavorable para la operación de alta pureza espectral. Esto debido a que teóricamente permiten un inevitable gran ruido óptico, mezclándose con la coherencia del láser, degradando así su pureza espectral”, dice él.
El nuevo láser desarrollado en el laboratorio del Prof. Amnón Yariv incluye una capa de silicio, que no absorbe la luz, una cualidad importante para la pureza del láser. El antiguo laser S-DFB consiste en capas cristalinas continuas de materiales llamados semiconductores III-V, típicamente de arseniuro de galio y fosfuro de indio, que convierten en luz la corriente eléctrica aplicada que fluye a través de la estructura. Una vez generada, la luz se almacena en el mismo material. Puesto que los semiconductores III-V también son fuertes absorbentes de luz y esta absorción conduce a una degradación de la pureza espectral, los científicos buscaron en la investigación una solución diferente para el nuevo láser.
Tecnología del nuevo láser: alta pureza espectral
El nuevo láser de alta coherencia también convierte la corriente eléctrica en luz utilizando el material III-V, pero tiene una diferencia fundamental del láser S-DFB, almacena la luz en una capa de silicio que no absorbe la luz. El patrón espacial de esta capa de silicio es una variante de la superficie corrugada del láser S-DFB, que hace que el silicio actúe como un concentrador de luz, fraccionando la luz recién generada lejos del material absorbente de luz III-V y acercándola al silicio de libre absorción.
Esta recién lograda alta pureza espectral, es unas 20 veces más reducida en rango de frecuencias que el láser S-DFB, y podría ser especialmente importante para el futuro de las comunicaciones de fibra óptica. Originalmente, los haces de láser en fibras ópticas llevan la información en pulsos de luz, las señales de datos quedan impresas en el haz para girar rápidamente el láser en el encendido y apagado (“on-off”), llevando los pulsos de luz resultantes a través de las fibras ópticas.
Sin embargo, para satisfacer la creciente demanda de ancho de banda, los ingenieros de sistemas de comunicaciones están adoptando un nuevo método para imprimir los datos sobre los rayos láser: ya no requieren de la técnica “on-off”. Este nuevo método se llama comunicación de fase coherente.
En las comunicaciones de fase coherente, los datos residen en pequeños retrasos en el tiempo de llegada de las ondas, el retraso es una fracción de tiempo extremadamente pequeña, una diez mil billonésima de segundo de duración, entonces se puede transmitir la información con precisión, incluso a través de miles de kilómetros.
Los bits electrónicos digitales que transportan vídeo, datos u otra información son convertidos en el láser en estos pequeños retrasos en otra onda de luz muy estable. Pero el número de posibles retrasos, y por lo tanto la capacidad de transportar datos del canal, están fundamentalmente limitados por el grado de pureza espectral del haz de láser. Esta pureza nunca puede ser absoluta, por una limitación de las leyes de la física, pero con el nuevo láser, el Prof. Amnón Yariv y su equipo han conseguido llegar lo más cerca posible a la pureza absoluta.
El trabajo fue financiado por la Oficina de Investigación del Ejército, la Fundación Nacional para la Ciencia y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa. Los láseres se fabricaron en el Instituto Kavli de Nano ciencia en Caltech.
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