Antena óptica revolucionaria para un aumento drástico del flujo de datos

Un nuevo avance tecnológico ampliará de manera espectacular la cantidad de información que puede ser multiplexada (transmitida simultáneamente) por una fuente de luz coherente. Un ejemplo común de multiplexación es la transmisión de múltiples llamadas telefónicas por un solo cable.

El equipo de Boubacar Kanté, de la Universidad de California en Berkeley, Estados Unidos, ha encontrado una nueva forma de aprovechar las propiedades de las ondas de luz que puede aumentar radicalmente la cantidad de datos transportable por ella.

Los métodos actuales de transmisión de señales mediante ondas electromagnéticas están llegando a su límite.

La frecuencia, por ejemplo, ha sido explotada tanto que ahora hay numerosas limitaciones legales para el uso del espacio radioeléctrico y no puede haber, por ejemplo, una cantidad ilimitada de emisoras de radio.

La polarización, en la que las ondas de luz se separan en dos valores (horizontal o vertical) puede duplicar la cantidad de información transmitida, pero nada más.

Más allá de la frecuencia y de la polarización está el momento angular orbital de la luz, una propiedad de la luz que ha despertado mucho interés en la comunidad científica porque ofrece una capacidad exponencialmente mayor para la transmisión de datos. Podemos hacernos una idea aproximada de qué es el momento angular orbital de la luz si lo imaginamos como con el vórtice generado por un tornado.

Un vórtice de luz, con sus infinitos grados de libertad, puede, en principio, soportar una cantidad ilimitada de datos. El reto ha sido encontrar la manera de producir de forma fiable los haces de luz necesarios.

Antes del avance logrado por el equipo de Kanté, nunca se había conseguido generar haces de luz de esta clase con cargas tan altas en dispositivos tan compactos.

El diseño revolucionario de la nueva antena cuenta, entre otras cosas, con pozos cuánticos en un patrón de tres círculos concéntricos (el mayor, de unos 50 micrones de diámetro) para atrapar fotones. El peculiar diseño crea las condiciones necesarias para permitir un fenómeno conocido como el efecto Hall cuántico fotónico, que describe el movimiento de los fotones cuando se aplica un campo magnético, obligando a la luz a viajar en una sola dirección en los anillos.

Recreación artística de la nueva antena y del concepto en que se basa su funcionamiento. (Ilustración: cortesía de Boubacar Kanté)

"Se pensaba que el efecto Hall cuántico con un campo magnético solo podía utilizarse en la electrónica, pero no en la óptica debido al débil magnetismo de los materiales usados a frecuencias ópticas", explica Kanté. "Somos los primeros en demostrar que el efecto Hall cuántico sí funciona para la luz".

Aplicando un campo magnético perpendicular a la microestructura 2D que diseñaron, los investigadores generaron con éxito tres rayos láser que viajaban en órbitas circulares sobre la superficie. El estudio demostró además que los rayos láser tenían números cuánticos tan grandes como 276, en referencia al número de veces que la luz gira alrededor de su eje en una longitud de onda.

"Tener un número cuántico mayor es como tener más letras para usar en el alfabeto", explica Kanté. "Estamos permitiendo que la luz amplíe su vocabulario. En nuestro estudio, demostramos esta capacidad en las longitudes de onda de las telecomunicaciones, pero en principio puede adaptarse a otras bandas de frecuencia. Aunque hemos usado tres láseres, multiplicando la velocidad de datos por tres, no hay límite para la cantidad posible de haces ni para la capacidad de datos".

Kanté y sus colegas exponen los detalles técnicos de su avance en la revista académica Nature Physics. (Fuente: NCYT de Amazings)