La multiplexación, la capacidad de enviar múltiples señales a través de un solo canal, es una característica fundamental de cualquier sistema de comunicación de voz o datos. Un equipo de investigación internacional ha demostrado por primera vez un método para multiplexar datos transmitidos por ondas de terahertz, radiación de alta frecuencia que puede permitir la próxima generación de redes inalámbricas de ancho de banda ultra-alto.
En la revista Nature Communications, los investigadores informan de la transmisión de dos señales de video en tiempo real a través de un multiplexor terahertz a una velocidad de datos agregada de 50 gigabits por segundo, aproximadamente 100 veces la velocidad óptima de datos de la red celular más rápida de hoy.
"Demostramos que podemos transmitir flujos de datos separados en ondas terahertz a velocidades muy altas y con tasas de errores muy bajas", dijo Daniel Mittleman, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown y autor correspondiente del documento. "Esta es la primera vez que alguien ha caracterizado un sistema de multiplexación terahertz utilizando datos reales, y nuestros resultados muestran que nuestro enfoque podría ser viable en futuras redes inalámbricas terahertz".
Las redes actuales de voz y datos utilizan microondas para llevar señales inalámbricas. Pero la demanda de transmisión de datos se está convirtiendo rápidamente en algo más de lo que las redes de microondas pueden manejar. Las ondas de Terahertz tienen frecuencias más altas que las microondas y por lo tanto una capacidad mucho mayor para transportar datos. Sin embargo, los científicos apenas han comenzado a experimentar con frecuencias de terahertz, y muchos de los componentes básicos necesarios para la comunicación terahertz todavía no existen.
Un sistema para multiplexar y demultiplexar (también conocido como mux / demux) es uno de esos componentes básicos. Es la tecnología que permite a un cable llevar múltiples canales de televisión o cientos de usuarios a acceder a una red Wi-Fi inalámbrica.
El enfoque mux / demux Mittleman y sus colegas desarrollaron dos placas de metal colocadas paralelas entre sí para formar una guía de ondas. Una de las placas tiene un corte en ella. Cuando las ondas terahertz viajan a través de la guía de ondas, parte de la radiación se escapa de la ranura. El ángulo en el que los haces de radiación escapan depende de la frecuencia de la onda.
"Podemos poner varias ondas en varias frecuencias diferentes-cada una de las cuales llevan una corriente de datos- en la guía de ondas, y no interferirá entre sí porque son frecuencias diferentes, eso es multiplexar", dijo Mittleman. "Cada una de esas frecuencias se escapa de la hendidura en un ángulo diferente, separando los flujos de datos, eso es demultiplexar".
Debido a la naturaleza de las ondas de terahertz, las señales en las redes de comunicaciones terahertz se propagan como haces direccionales, no transmisiones omnidireccionales como en los sistemas inalámbricos existentes. Esta relación direccional entre el ángulo de propagación y la frecuencia es la clave para habilitar mux / demux en sistemas terahercios. Un usuario en una ubicación particular (y por lo tanto en un ángulo particular desde el sistema de multiplexación) se comunicará en una frecuencia particular.
En 2015, el laboratorio de Mittleman publicó por primera vez un artículo describiendo su concepto de guía de ondas. Para ese trabajo inicial, el equipo utilizó una fuente de luz terahertz de banda ancha para confirmar que diferentes frecuencias surgieron del dispositivo en diferentes ángulos.
Si bien esa fue una prueba efectiva de concepto, Mittleman dijo, este último trabajo tomó el paso crítico de probar el dispositivo con datos reales.
Trabajando con Guillaume Ducournau en el Instituto de Electrónica de Microelectrónica y de Nanotecnología, CNRS / Universidad de Lille, en Francia, los investigadores codificaron dos emisiones de televisión de alta definición en ondas terahertz de dos frecuencias diferentes: 264,7 GHz y 322,5 GHz. Entonces transmitieron ambas frecuencias juntas en el sistema del multiplexor, con un receptor de televisión fijado para detectar las señales como emergieron del dispositivo. Cuando los investigadores alinearon su receptor al ángulo desde el cual se emitieron las ondas de 264,7 GHz, vieron el primer canal. Cuando se alinearon con 322,5 GHz, vieron el segundo.
Otros experimentos mostraron que las transmisiones estaban libres de errores hasta 10 gigabits por segundo, lo cual es mucho más rápido que las velocidades Wi-Fi estándar actuales. Las tasas de error aumentaron algo cuando la velocidad aumentó a 50 gigabits por segundo (25 gigabits por canal), pero todavía estaban dentro del rango que se puede corregir mediante la corrección de errores forward, que se utiliza comúnmente en las redes de comunicaciones actuales.
Además de demostrar que el dispositivo funcionó, Mittleman dice que la investigación reveló algunos detalles sorprendentes sobre la transmisión de datos sobre las ondas terahertz. Cuando una onda terahertz se modula para codificar el significado de los datos, activado y desactivado para hacer ceros y unos, la onda principal está acompañada por frecuencias de banda lateral que también debe ser detectada por un receptor para transmitir todos los datos. La investigación mostró que el ángulo del detector con respecto a las bandas laterales es importante para mantener la tasa de error baja.
"Si el ángulo es un poco apagado, podríamos estar detectando toda la potencia de la señal, pero estamos recibiendo una banda lateral un poco mejor que la otra, lo que aumenta la tasa de error". Mittleman explicó. "Así que es importante tener el ángulo correcto."
Detalles fundamentales como ese serán críticos, dijo Mittleman, cuando llegue el momento de comenzar a diseñar la arquitectura para sistemas de datos terahertz completos. "Es algo que no esperábamos, y muestra lo importante que es caracterizar estos sistemas usando datos en lugar de una fuente de radiación no modulada".
Los investigadores planean continuar desarrollando este y otros componentes terahercios. Mittleman recientemente recibió una licencia de la FCC para realizar pruebas al aire libre en frecuencias terahertz en el campus de la Universidad de Brown.
"Creemos que tenemos la licencia de mayor frecuencia emitida actualmente por la FCC, y esperamos que sea una señal de que la agencia está empezando a pensar seriamente acerca de la comunicación terahertz", dijo Mittleman.
"Las compañías van a ser renuentes a desarrollar tecnologías terahertz hasta que haya un esfuerzo serio por los reguladores para asignar bandas de frecuencia para usos específicos, por lo que este es un paso en la dirección correcta".
