Primera demostración del mundo de conmutación y relé transparente de señal de terahercios

6 de junio de 2023

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por el Instituto Nacional de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (NTIC)

Un equipo integrado por investigadores del Instituto Nacional de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones; Sumitomo Osaka Cemento Co., Ltd.; Instituto de Tecnología de Nagoya; y la Universidad de Waseda han desarrollado conjuntamente el primer sistema del mundo para la transmisión, el enrutamiento y la conmutación transparentes de señales de ondas de terahercios de alta velocidad a diferentes ubicaciones.

Se demostró con éxito la conversión directa de una señal de onda de terahercios de 32 Gb/s en la banda de 285 GHz a una fibra óptica y su relé transparente y la conmutación a diferentes puntos de acceso en períodos de tiempo ultracortos.

Las tecnologías clave incluyen un modulador óptico de baja pérdida recientemente desarrollado para la conversión directa de señales de ondas de terahercios en señales ópticas y una tecnología inalámbrica de fibra adaptativa para la conmutación ultrarrápida de señales de terahercios. El sistema desarrollado supera las desventajas de las comunicaciones por radio en la banda de terahercios, como la alta pérdida de espacio libre, la penetración débil y la cobertura de comunicación limitada, allanando el camino para el despliegue de comunicaciones de terahercios en redes más allá de 5G y 6G.

Los resultados de esta demostración se publicaron como un documento posterior a la fecha límite en la Conferencia Internacional sobre Comunicaciones de Fibra Óptica de 2023 (OFC 2023).

Las frecuencias de radio en la banda de terahercios son candidatas prometedoras para comunicaciones de velocidad de datos ultraalta en redes más allá de 5G y 6G. Recientemente se abrió una ranura de 160 GHz en la banda de 275–450 GHz para servicios móviles y fijos. Sin embargo, la alta pérdida de espacio libre y la débil penetración siguen siendo cuellos de botella, lo que dificulta la transmisión de señales a largas distancias, como de exteriores a interiores o en entornos con obstáculos.

La transmisión y el enrutamiento transparentes de señales de terahercios entre diferentes ubicaciones son cruciales para superar estas desventajas y expandir la cobertura de comunicación. Sin embargo, estas funciones no pueden realizarse utilizando las tecnologías electrónicas actuales. Además, el estrecho ancho de haz de las señales de terahercios dificulta lograr una comunicación ininterrumpida cuando los usuarios se están moviendo. El cambio de señal de terahercios entre diferentes direcciones y ubicaciones es crucial para mantener la comunicación con los usuarios finales.

Sin embargo, este problema crítico aún no se ha abordado utilizando tecnologías electrónicas o fotónicas. También es importante encender y apagar la emisión de señales de terahercios a intervalos adecuados para ahorrar energía y reducir las interferencias.

En este estudio, el equipo demostró el primer sistema para la transmisión, el enrutamiento y la conmutación transparentes de señales de terahercios en la banda de 285 GHz utilizando dos tecnologías clave: (i) un modulador óptico de baja pérdida recientemente desarrollado y (ii) un modulador adaptativo Tecnología inalámbrica de fibra que utiliza un láser sintonizable de longitud de onda ultrarrápido. En el sistema, las señales de terahercios se reciben y se convierten directamente en señales ópticas utilizando dispositivos de conversión óptica de terahercios con moduladores ópticos de baja pérdida.

Las señales de onda de luz de los láseres sintonizables se envían a los moduladores, y los enrutadores de longitud de onda se utilizan para enrutar las señales a diferentes puntos de acceso donde se asignan longitudes de onda específicas. En los puntos de acceso, las señales ópticas moduladas se vuelven a convertir en señales de terahercios mediante convertidores de terahercios ópticos. Las señales de terahercios se pueden cambiar a diferentes puntos de acceso cambiando las longitudes de onda de los láseres sintonizables.

Los láseres sintonizables se pueden controlar de forma independiente, y la cantidad de puntos de acceso que pueden generar simultáneamente señales de terahercios es igual a la cantidad de láseres sintonizables activos. Utilizando las tecnologías desarrolladas en este estudio, el equipo demostró con éxito la transmisión transparente y la conmutación de señales de terahercios en la banda de 285 GHz por primera vez y logró una capacidad de transmisión de 32 Gb/s utilizando una modulación de amplitud de 4 cuadraturas (QAM). señal de multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM).

Se evaluó la posibilidad de cambiar las señales de onda de terahercios en menos de 10 μs, lo que confirma que se puede lograr una comunicación ininterrumpida en la banda de terahercios.

El sistema consta de las siguientes tecnologías de elementos clave:

Mediante la retransmisión y distribución transparente de señales de terahercios a diferentes ubicaciones, se pueden superar las altas pérdidas de espacio libre y penetración de las señales de radio en la banda de terahercios, y la cobertura de comunicación se puede ampliar significativamente. Además, al enrutar y cambiar rápidamente las señales a diferentes direcciones/ubicaciones, se puede mantener la comunicación incluso cuando ocurren obstáculos y/o los usuarios se están moviendo.

Además, al activar y desactivar la emisión de señales de ondas de terahercios desde los puntos de acceso a intervalos apropiados, se pueden lograr ahorros de energía y reducción de interferencias. Estas características hacen que el sistema propuesto sea una solución prometedora para superar los cuellos de botella de las comunicaciones de ondas de terahercios y allanar el camino para su implementación en redes más allá de 5G y 6G.

En el futuro, los investigadores estudiarán el dispositivo de conversión óptica de terahercios y la tecnología inalámbrica de fibra desarrollada en este estudio para aumentar aún más la radiofrecuencia y la capacidad de transmisión. Además, promoverán actividades de normalización internacional e implementación social relacionadas con los sistemas de comunicación de fibra inalámbrica y de ondas de terahercios.