Cómo es el chip fotónico diseñado en el Balseiro que resuelve un problema fundamental de las telecomunicaciones modernas

SAN CARLOS DE BARILOCHE.- En materia de telecomunicaciones, uno de los mayores y más urgentes retos en todo el mundo es el de extender las capacidades actuales de los equipos para abastecer a la creciente demanda de conectividad que tiene la sociedad moderna. Entre otros proyectos en desarrollo, expertos argentinos trabajan en esta ciudad patagónica para dar con tecnologías que complementen a las ya en uso, que están alcanzando su techo. En ese camino, la fotónica se posiciona como la candidata ideal para complementar el uso de radiofrecuencias convencionales.

“El espectro electromagnético de comunicaciones está muy saturado, especialmente el satelital, porque el espacio libre se comparte- advierte el investigador del Conicet y la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) Pablo Costanzo Caso, en referencia a las frecuencias que se usan para transmitir información entre dispositivos en forma inalámbrica. “Eso lo diferencia de la fibra óptica, que es un medio confinado: si uno tiene un canal, puede poner al lado otra fibra óptica, que es otro canal que va en paralelo y no se interfiere con el primero, siendo posible, además, duplicar la capacidad de comunicación”, explica. Para entablar una comunicación entre la Tierra y los satélites (como los que se usan para dar un servicio de TV o internet satelital), “lo que se hace habitualmente es transmitir ondas electromagnéticas de radiofrecuencia, de microondas o incluso de frecuencias más altas, también conocidas como ondas milimétricas. Todo ese espectro, que es compartido y está regulado, es finito. Y está lleno -aclara-. Los satélites de comunicaciones encuentran una saturación del espectro electromagnético”.

Costanzo Caso, instalado en Bariloche hace diez años, dirige actualmente el Departamento de Ingeniería en Telecomunicaciones del Instituto Balseiro. Y advierte que hay muchas maneras de encontrar soluciones a la necesidad de transmitir cada vez más información entre la superficie terrestre y los satélites que están en órbita: una de ellas consiste en “ensanchar más la autopista y utilizar nuevos carriles”. A la transmisión de ondas de radio (en frecuencias de megahertz), le siguen las microondas (de algún gigahertz), luego las ondas milimétricas, que son frecuencias más altas, de decenas de gigahertz, y más allá están las frecuencias ópticas, en los terahertz o región del infrarrojo, que es radiación no ionizante.

“Lo que se está buscando ahora es usar una región del espectro que tiene frecuencias mucho más altas, vinculadas con la luz infrarroja, y que no está saturada. Eso nos da la posibilidad de transmitir más información y de manera más eficiente”, señala Costanzo Caso.

A partir de la experiencia con redes de fibra óptica que posee el Departamento de Ingeniería en Telecomunicaciones del Balseiro, empezaron a trabajar en colaboración con una empresa estadounidense, Skyloom (fundada por los argentinos Santiago Tempone y Marcos Franceschini), para el diseño de una red de satélites de órbita baja que se comunican entre ellos ópticamente codificando la intensidad de la luz transmitida.

“Esos satélites dan la vuelta a la Tierra muchas veces por día. Entonces, el tiempo de visibilidad que tenés en cada región geográfica es reducido, algo que dificulta un servicio continuo de datos -aclara Costanzo Caso, en referencia a los satélites que, vistos desde el suelo, surcan el cielo de un lado al otro del horizonte, a unos 500 km de altura-. Por eso es clave no solo que los satélites de órbita baja se comuniquen entre sí, sino que, a su vez, puedan comunicarse con un satélite geoestacionario, que tiene visibilidad durante las 24 horas con un determinado lugar de la Tierra. Se genera así una transmisión indirecta”, explica el ingeniero.

Y se entusiasma: “Estamos diseñando un enlace óptico que comunique el satélite de órbita baja de esa red –cualquiera de ellos o todos– con el satélite geoestacionario ubicado a 40 mil kilómetros de distancia. En general, las soluciones que tienen las empresas son enlaces no coherentes, el equivalente a prender y apagar un láser (transmisor). Lo cierto es que hay otras formas más eficientes de transmitir y codificar la información, que no solo se relacionan con la intensidad de la luz, sino también con la frecuencia de la luz, los cambios de fase y la polarización, es decir, cómo está orientado ese campo eléctrico, si es horizontal, vertical, circular, etcétera”.

En el laboratorio de Bariloche hicieron la emulación de un enlace entre dos satélites con un sistema de comunicación coherente que utiliza diversas dimensiones para codificar, como amplitud, frecuencia, fase y polarización. Eso aumenta notablemente la cantidad de información que se puede transmitir, ya que la información queda codificada en muchas partes de la señal.

“Esa tecnología la venimos desarrollando hace muchos años y hemos crecido en la confiabilidad, la complejidad y en la robustez del sistema implementado, que es de mejor calidad y tiene mayor capacidad de transmitir información”, suma Costanzo Caso.

Demanda inagotable de ancho de banda

Al referirse a los proyectos que llevan adelante en sistemas de comunicaciones ópticas y de microondas, el investigador afirma que, en todo el mundo, crece el interés por encontrar alternativas para transmitir la mayor cantidad de información posible por segundo: “En el laboratorio alcanzamos un hito, que es el de hacer estas comunicaciones ópticas (generar señales, transmitirlas y recibirlas libres de errores) a una velocidad de 128 gigabits por segundo, el equivalente a transmitir 128 mil millones de pulsos por segundo. El sistema óptico en nuestro laboratorio está funcionando, transmitimos sobre una fibra de unos 100 km, y trabajamos en solucionar muchos aspectos para que ese enlace pueda desarrollarse técnicamente”.

Gracias a la capacidad demostrada, aparecieron muchas empresas e instituciones interesadas en la electrónica que hace falta para procesar semejante cantidad de información. “Uno de los desafíos más grandes hoy en un mundo digital es que esa señal, que se transmite analógicamente por la fibra óptica, sea digitalizada para ser procesada o almacenada. Se necesitan transductores de datos, que convierten en ambos sentidos: de digital a analógico y de analógico a digital. Nosotros venimos trabajando con la Fundación Fulgor para demostrar una técnica que pueda convertir señales del mundo analógico al digital, y viceversa, en un ancho de banda de alrededor de 100 gigahertz”, agrega.

La idea es hacer un prototipo en el laboratorio que luego sirva como demostrador tecnológico para generar, por ejemplo, un chip que permita implementar este desarrollo en forma comercial. Asimismo, los cerca de 30 integrantes del Departamento de Ingeniería en Telecomunicaciones –entre investigadores, profesionales y becarios– buscan diseñar los nuevos dispositivos para estos sistemas de comunicación óptica.

“En un sistema de comunicación óptica, tanto en el transmisor como en el receptor, hay tecnología electrónica que procesa las señales y luego las convierte al dominio óptico para establecer el enlace con señales lumínicas. Por lo tanto, dentro del enlace óptico tengo luz y puedo utilizar tecnología fotónica para procesar esa luz transmitida. Trabajamos en el diseño de circuitos ópticos integrados y de fibra óptica: queremos hacer chips que procesen la luz directamente. Hoy es uno de los temas más “calientes” en el mundo de las telecomunicaciones, porque es la tecnología que va a dar soporte a lo que viene. La electrónica está saturada también, encontrando su límite en la velocidad de procesamiento, capacidad de almacenamiento y transmisión, por lo que se necesitan soluciones alternativas o híbridas, con componente fotónico y electrónico para sostener el crecimiento y la demanda”, asegura el investigador.

En el Conicet y la CNEA saben que el desarrollo de las telecomunicaciones impacta en otras áreas de la ciencia, la educación, la salud, la justicia y la seguridad, además de generar nuevas oportunidades de negocios y emprendimientos vinculados a la producción de bienes y servicios. En los últimos diez años se enfocaron en crear un espacio con laboratorios de punta a nivel nacional donde forman recursos humanos especializados.

“El mundo de hoy es un mundo esencialmente digital -reflexiona-. Lo que vemos, las herramientas que tenemos, las aplicaciones que usamos y lo que hacemos cotidianamente está fuertemente influenciado por las nuevas tecnologías y herramientas que aparecen, como la Inteligencia Artificial. Nosotros, los profesionales de las telecomunicaciones, nos enfocamos a partir de nuestro conocimiento en generar soluciones y dar soporte tecnológico a todas estas herramientas y aplicaciones que nos sorprenden día tras día”.