Cómo funciona la comunicación láser

Cuando se inventaron los láseres por primera vez, se les llamó una solución en busca de un problema. Todos pensaban que eran tan geniales como el condensado de Bose-Einstein, pero nadie sabía muy bien qué hacer con estos dispositivos que podían producir un haz de luz altamente enfocado.

En la actualidad, los láseres se han convertido en una de las tecnologías más importantes del mundo y se utilizan en industrias que van desde la tecnología de la información hasta las telecomunicaciones, la medicina, la electrónica de consumo, las fuerzas del orden, los equipos militares, el entretenimiento y la fabricación.

Desde los primeros días del desarrollo del láser, los investigadores se dieron cuenta de que la luz podía superar a la radio en términos de velocidad y densidad de la información. Todo se redujo a la física. Las longitudes de onda de la luz están mucho más empaquetadas que las ondas de sonido, y transmiten más información por segundo y con una señal más fuerte. Las comunicaciones láser, una vez logradas, serían del tren bala al tren de vagones de radio [fuentes: Hadhazy ; Thomsen ].

En cierto sentido, los láseres se han utilizado en las comunicaciones durante años. Transferimos información a través de láser todos los días, ya sea leyendo CD y DVD, escaneando códigos de barras en las líneas de pago o aprovechando la red troncal de fibra óptica de los servicios telefónicos o de Internet. Ahora, un enfoque más directo, que permitirá una comunicación punto a punto de alto rendimiento, a grandes distancias, a través del aire o el espacio, con poca pérdida de datos, está en el horizonte.

Ha sido un tiempo para llegar aquí. Ya en 1964, la NASA jugó con la idea de usar láseres para las comunicaciones de los aviones. La idea era convertir la voz de un piloto primero en pulsos eléctricos y luego en un haz de luz. Un receptor en tierra invertiría el proceso [fuente: Science News Letter ]. En octubre de 2013, la NASA se dio cuenta y superó con creces esta visión cuando una nave que orbitaba la luna envió datos a una estación terrestre a través de un rayo láser pulsado: 239 000 millas (384 600 kilómetros) de transmisión a una velocidad de descarga sin precedentes de 622 megabits por segundo. (Mbps) [fuente: NASA ]. En comparación, los planes de datos de consumo de alta velocidad generalmente se miden en decenas de megabits.

Y alta velocidad, alta densidad es el nombre del juego. Durante la mayor parte de su historia, la NASA se ha involucrado en audaces misiones de exploración solo para verse obstaculizada por el equivalente a las velocidades de descarga de acceso telefónico. Con las comunicaciones láser, la agencia está entrando en la era de la alta velocidad, abriendo la puerta a, entre otras aplicaciones, transmisiones de video de alta calidad de futuros rovers.

La NASA no está sola. Los criptógrafos y los expertos en seguridad ven a los láseres como un sistema de entrega casi instantáneo de haz ajustado, mientras que la nueva generación de comerciantes de alta frecuencia en Wall Street está dispuesta a pagar mucho dinero por cualquier conectividad que pueda reducir en milisegundos sus tiempos de negociación. Los fabricantes de computadoras, que se acercan a los límites de lo que se puede lograr con cobre y silicio, también están investigando posibles aplicaciones láser.

Cuando la velocidad lo es todo y la luz marca el límite de velocidad del universo , los láseres seguramente serán la respuesta, si la tecnología se puede hacer práctica.

El objetivo de las tecnologías de la comunicación es transmitir información de forma rápida, completa y precisa. Si alguna vez has cenado con un patán, sabrás la poca información que puede contener un muro de ruido; si alguna vez jugaste al juego del teléfono, habrás experimentado cómo el significado se puede alterar cuando se transmite de manera deficiente.

Históricamente, las comunicaciones a larga distancia han multiplicado estas dificultades. La transmisión -por tambor, hoguera, humo, bandera o luz- requería primero una traducción a un código necesariamente simple. Los cables telegráficos y el código Morse hicieron posible una transmisión compleja pero costosa, reforzando nuevamente la virtud de la brevedad.

La comunicación electrónica moderna requiere un dispositivo de envío que pueda codificar cualquier dato en una forma transmisible y un receptor que pueda distinguir entre el mensaje (señal) y la línea estática que lo rodea (ruido). La teoría de la información , un modelo matemático iniciado por el ingeniero estadounidense Claude Shannon en 1948, proporcionó el marco que finalmente resolvió este problema e hizo posibles tecnologías como el teléfono celular, Internet y el módem [fuente: National Geographic ].

En principio, los sistemas de comunicación láser se asemejan a los módems que hemos utilizado en nuestros hogares desde el auge de Internet. Módem significa MODulación-DEModulación, un proceso en el que la información digital se convierte en analógica para su transmisión y luego de vuelta. Los primeros módems acústicos usaban ondas de sonido para la transmisión a través de líneas telefónicas. Los módems ópticos pasan del sonido a una parte del espectro de mayor frecuencia, la luz.

No es un concepto del todo novedoso. Los dispositivos audiovisuales con audio óptico , como muchos reproductores de DVD, usan un dispositivo similar a un módem llamado módulo de transmisión para convertir las señales digitales en luz LED o láser, que luego viaja a lo largo del cable de fibra óptica hasta un componente de destino, como un televisor o un receptor de audio. . Allí, un módulo de recepción de luz vuelve a convertir la luz en una señal eléctrica digital adecuada para altavoces o auriculares.

La demostración de comunicación láser lunar ( LLCD ) de prueba de concepto de la NASA , desarrollada por el Laboratorio Lincoln del MIT, utiliza un sistema similar, pero prescinde de la fibra a favor de la transmisión láser a través del aire y el espacio (a veces llamada comunicación óptica en el espacio libre , o FSO ). LLCD utiliza tres componentes:

Con el éxito del experimento, el futuro de las comunicaciones por láser se volvió un poco más brillante, pero ¿existe un mercado para esa tecnología fuera de la agencia espacial? Apuesto a que lo hay.

La fibra óptica sigue siendo el rey

La fibra óptica , puesta en práctica por primera vez por el físico británico Harold Hopkins en 1952, superó gradualmente al cable electrónico a medida que la tecnología mejoraba con láseres sintonizables con mayor precisión y fibra de mayor calidad. Hoy en día, es la tecnología de referencia para las comunicaciones, al menos hasta que la comunicación FSO se vuelva más eficiente y efectiva. La tecnología, que transmite datos utilizando pulsos de luz rebotados a lo largo de un cable de plástico o vidrio reflectante interno, puede transportar más información por segundo, a distancias más largas y sin degradación, que los pulsos eléctricos a lo largo de cables de cobre [fuente: National Geographic ; Thomsen ].

Las comunicaciones por láser pueden ser una bendición para la exploración espacial , pero actividades mucho más terrenales determinarán su destino como tecnología comercial.

Tomemos, por ejemplo, la clase emergente de comerciantes de alta velocidad de Wall Street que aprovechan el poder del análisis cuantitativo, la velocidad de banda ancha premium y una multiplicidad de microtransacciones para acumular ganancias una fracción de centavo a la vez. Para un negocio basado en "robo-traders", algoritmos informáticos que realizan transacciones de milisegundos de acuerdo con un conjunto de reglas, el tiempo de transmisión es dinero y los láseres son el juego más rápido de la ciudad [fuentes: Adler ; noticias de CBS ; Estrasburgo ].

Para sacar el máximo provecho de cada comercio, empresas como Spread Networks invirtieron en la mejor fibra disponible y eliminaron todos los pliegues y curvas que pudieron de las mangueras de datos que conectan las capitales comerciales como Chicago, Nueva York, Londres y Tokio (cada milla adicional agrega alrededor de ocho microsegundos a viajes de ida y vuelta de datos). Cuando eso no fue lo suficientemente rápido, otros grupos, como McKay Brothers y Tradeworx, descartaron la fibra óptica en favor de las microondas emitidas por el aire. Aunque solo un paso por encima de la radio en términos de potencia y velocidad, las microondas viajan más rápido a través del aire que la luz que pasa a través de la fibra óptica [fuentes: Adler ; Estrasburgo ].

Los láseres potencialmente publicarían las velocidades más rápidas de todas; la velocidad de la luz a través del aire es casi tan rápida como en el vacío, y podría atravesar los 1.160 kilómetros (720 millas) que separan Nueva York y Chicago en aproximadamente 3,9 milisegundos, un viaje de ida y vuelta (también conocido como latencia) de 7,8 milisegundos, en comparación con 13,0-14,5 milisegundos para nuevos sistemas de fibra óptica y 8,5-9,0 milisegundos para transmisores de microondas [fuente: Adler ].

En el ámbito de la seguridad, los láseres y otros sistemas de comunicaciones ópticas ofrecen comunicaciones más seguras y los medios para espiarlas. La criptografía cuántica aprovecha una propiedad de la física cuántica, a saber, que un tercero no puede detectar el estado cuántico de la clave de cifrado fotónico sin alterarla y, por lo tanto, ser detectado, para establecer comunicaciones altamente seguras utilizando haces de fotones creados por láseres atenuados [fuentes: Grant ; Waks et al. ]. En el otoño de 2008, los investigadores de Viena comenzaron a experimentar con una Internet cuántica basada en parte en este principio [fuente: Castelvecchi]. Desafortunadamente, los láseres también se han utilizado para interceptar y falsificar tales señales de una manera no cuántica, eludiendo así la detección. Las empresas de cifrado cuántico están trabajando para abordar el problema [fuentes: Dillow ; Lydersen et al. ].

De hecho, los principales inconvenientes de las comunicaciones láser dentro de la atmósfera tienen que ver con la interferencia de la lluvia, la niebla o los contaminantes, pero dadas las ventajas de la tecnología, es poco probable que estos problemas detengan el progreso de la tecnología. Entonces, literal o figurativamente, el cielo es el límite para las tecnologías de comunicaciones láser.

1001 usos de la comunicación láser

Las comunicaciones de datos de alta velocidad posibles entre redes son solo la punta del iceberg de lo que es posible con las comunicaciones láser, muchas de las cuales se derivan de la falta de conexión física requerida. Los haces pueden conectar chips de computadora dentro de las computadoras, cruzar terrenos y caminos sin necesidad de derecho de paso o propiedad, y pueden erigirse como redes temporales durante las batallas o en condiciones de desastre. Pueden proporcionar redundancia de red, conectar redes ópticas existentes o acercarnos a una infraestructura convergente de voz y datos, todo con alta velocidad, bajas tasas de error e inmunidad a la interferencia electromagnética [fuentes: Carter y Muccio ; Marcado ].

Nota del autor: Cómo funciona la comunicación láser

Las comunicaciones láser son otro gran ejemplo de cómo viviremos en el futuro, pero siempre asociaré el concepto con un episodio del pasado. Durante la Guerra Fría, Léon Theremin, inventor del entrelazado de video y del instrumento eléctrico del mismo nombre que se escucha en decenas de películas de ciencia ficción, desarrolló un dispositivo de escucha basado en luz capaz de poner micrófonos remotos en una oficina (en realidad, era un dispositivo de bajo consumo). rayo infrarrojo, no un láser). Funcionó al detectar las vibraciones en un panel de vidrio causadas por la presión del sonido generada por las voces dentro de la habitación objetivo. Los soviéticos utilizaron este dispositivo, el antepasado de los modernos micrófonos láser, para escuchar a escondidas varias embajadas en Moscú.

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