Un chip que genera un 'arcoíris' de luz podría revolucionar las redes 6G

Un microchip del tamaño de un grano de arroz tiene la capacidad de generar un "arcoíris" de luz altamente organizado, lo que podría facilitar comunicaciones 6G más rápidas y de mayor capacidad, así como un tiempo extremadamente preciso para tecnologías cuánticas.

Físicos de la Universidad de Loughborough, en colaboración con un equipo de investigación internacional, demostraron un sistema que produce una serie de frecuencias de luz espaciadas con precisión. Estas frecuencias ópticas pueden ser convertidas en múltiples señales electromagnéticas de alta frecuencia conocidas como ondas milimétricas.

Las ondas milimétricas están ganando interés por su capacidad de proporcionar un ancho de banda considerablemente mayor, lo que permite a las redes transmitir más datos. Sin embargo, un obstáculo importante ha sido producir estas señales con la precisión y estabilidad necesarias para aplicaciones avanzadas.

El Dr. Luke Peters, del Centro de Investigación en Fotónica Emergente de la Universidad de Loughborough, comentó: "El mundo se está volviendo cada vez más hambriento de datos. Queremos enviar y recibir más información, más rápido y con mayor resolución, y las ondas milimétricas podrían ayudar a proporcionar la capacidad para hacerlo".

"Podrían contribuir a redes 6G más rápidas y de mayor capacidad, pero el potencial va más allá de las comunicaciones. Estas frecuencias también podrían ser utilizadas en sistemas de radar, así como en espectroscopía e instrumentos astronómicos, ayudando a los científicos a estudiar materiales y realizar mediciones extremadamente precisas del universo".

Uno de los métodos para producir ondas milimétricas se basa en un dispositivo conocido como microcomb. Este dispositivo genera un conjunto de frecuencias de luz extremadamente precisas dispuestas de manera similar a los colores de un arcoíris, aunque la luz en sí es invisible al ojo humano. Una antena especializada puede convertir esas frecuencias ópticas en ondas milimétricas.

Investigaciones anteriores demostraron que los microcombs podían producir una única frecuencia de onda milimétrica precisa. Sin embargo, generar muchas frecuencias simultáneamente podría ser mucho más útil, ya que cada una podría servir como un canal separado para transmitir información al mismo tiempo. Sin embargo, lograr esto requiere un microcomb con una estabilidad y calidad de señal excepcionales.

En un nuevo artículo publicado en Nature Communications, los investigadores de Loughborough informaron sobre un sistema capaz de hacer exactamente eso. Su enfoque produce un microcomb estable y de alta calidad que puede ser convertido en varias frecuencias de onda milimétrica espaciadas con precisión de manera simultánea.

La diferencia radica en cómo se produce el microcomb. Los sistemas convencionales suelen iluminar un microresonador con luz láser, una pequeña estructura construida en un microchip que atrapa la luz y permite que circule. En cambio, el sistema de Loughborough conecta el microresonador basado en chip a un lazo mucho más grande de fibra óptica. La luz láser viaja continuamente a través de ambas partes del sistema, ayudando a que se formen y mantengan estables los estados ópticos deseados.

"Hemos creado un 'arcoíris en un chip' increíblemente preciso y estable, donde el lazo mantiene la luz regresando al chip, permitiendo que estos estados se acumulen de manera eficiente, comiencen por sí mismos y se mantengan estables incluso cuando el sistema es perturbado", explicó el Dr. Peters.

"Es notablemente robusto. Incluso hemos tenido personas saltando al lado del sistema y el microcomb se mantiene estable".

Los investigadores también demostraron que pueden manipular el "arcoíris" del microcomb aumentando o disminuyendo la intensidad de frecuencias individuales. Importante es que la precisión y estabilidad del microcomb óptico se preservaron después de que la luz se convirtió en señales de onda milimétrica.

Ese control podría permitir a futuros sistemas generar diferentes combinaciones de frecuencias dependiendo de la aplicación. "Poder hacer que frecuencias individuales sean más fuertes o más débiles nos brinda mucho más control sobre las señales que producimos, ya que diferentes aplicaciones necesitarán diferentes combinaciones de frecuencias", añadió el Dr. Peters.

"Igualmente importante, hemos demostrado que la precisión del microcomb se traslada a las ondas milimétricas. Eso nos proporciona un conjunto de señales altamente controladas, que es exactamente lo que se necesita para aplicaciones donde la precisión y estabilidad son cruciales".

El equipo ahora investiga cómo el sistema de microcomb podría eventualmente pasar de un experimento de laboratorio a una tecnología práctica. Aunque el microchip central tiene aproximadamente el tamaño de un grano de arroz, el sistema completo ocupa actualmente un espacio de laboratorio. Los investigadores creen que versiones futuras podrían ser significativamente más pequeñas y eficientes en energía, potencialmente lo suficientemente compactas como para caber dentro de una caja de zapatos.

Una posibilidad que el equipo está especialmente interesado en explorar es el uso de la tecnología a bordo de satélites, donde minimizar el tamaño, el peso y el consumo de energía es particularmente importante.

Los investigadores también están trabajando para determinar la precisión máxima del sistema de microcomb. Están comparándolo con relojes de precisión e investigando posibles usos en temporización, navegación y posicionamiento a través de colaboraciones con el Laboratorio Nacional de Física y como parte de esfuerzos más amplios que involucran el Laboratorio Nacional de Física y el Centro del Reino Unido para la Navegación y Temporización Cuántica.

"Estamos realmente emocionados de ver hasta dónde podemos llevar la precisión y estabilidad de estos microcombs, particularmente para tecnologías que dependen de una temporización extremadamente precisa", comentó el Dr. Antonio Cutrona, quien lideró las mediciones de estabilidad del microcomb.

"Esperamos que este estudio y nuestro sistema abran nuevas formas de llevar la extraordinaria precisión de los relojes atómicos a tecnologías más compactas para la temporización, navegación y posicionamiento, y es particularmente emocionante explorar estas posibilidades a través de nuestras colaboraciones más amplias con el Laboratorio Nacional de Física y el Centro del Reino Unido para la Navegación y Temporización Cuántica".

El estudio reunió la experiencia del Centro de Investigación en Fotónica Emergente de la Universidad de Loughborough, la Universidad de Sussex, la City University de Hong Kong, QXP Technologies, INRS-EMT, y la Universidad de Swinburne de Tecnología y ARC-COMBS.

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