Optical Vectors Beam Multi-Bits’ ‘Optical Vectors Beam Multi-Bits’ (Rayos Ópticos Multibits)

Optical Vectors Beam Multi-Bits' (Rayos Ópticos Multibits)

Las comunicaciones ópticas, la columna vertebral de Internet, utilizan láseres modulados para transmitir más de 100 canales de colores diferentes (utilizando multiplexación por división de longitud de onda), cada uno moviendo datos a 100 gigabits por segundo. Se ha demostrado en el laboratorio que los modos de codificación de varios bits, en lugar de solo 1s y 0s, aumentan aún más el rendimiento, pero todos sufren de errores introducidos por el ruido en los canales, especialmente en los canales de espacio libre, como los que conectan satélites, submarinos o incluso células vivas, según investigadores de la Universidad de Witwatersrand (Wits) de Sudáfrica.

Ahora, los investigadores de Wits han demostrado un esquema de multiplexación de división de modo (MDM) utilizando una medida cuantitativa de la pureza de un haz vectorial (polarizado), su factor de calidad vectorial (técnicamente, su separabilidad de polarización) como portador de información que puede codificar no solo 1s y 0s, sino innumerables modos de luz vectorial virtualmente no afectados por el ruido del canal.

Alan Willner, experto en comunicaciones ópticas, profesor distinguido en el departamento de ingeniería eléctrica y computación de la Universidad del Sur de California (USC), comentó: “El grupo de Wits ha realizado una contribución significativa al campo de las comunicaciones ópticas. Muestran de manera importante a los investigadores de todo el mundo cómo transmitir información digital multinivel utilizando un haz codificado con una distribución de polarización especialmente adaptada cuyos datos se ven relativamente afectados por la turbulencia”. Willner dijo que este avance “tiene el potencial de tener un gran impacto en muchos tipos diferentes de enlaces ópticos, especialmente aquellos que se ven degradados por la turbulencia, que la comunidad de investigación y desarrollo tiene un gran interés en resolver”.

Según los investigadores de Wits, después de propagarse a través de un canal ruidoso (incluyendo fibras de larga distancia, turbulencia atmosférica, turbulencia submarina o incluso material celular transparente), los perfiles de intensidad y polarización de los haces vectoriales se distorsionan, mientras que el factor de calidad vectorial queda inalterado.

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La técnica funciona modulando el factor de calidad vectorial en lugar de la amplitud de un láser, utilizando componentes ópticos como lentes, placas de media onda, prismas de Wollaston, polarizadores lineales, microespejos digitales y fotodiodos, todos los cuales podrían integrarse en el mismo chip que el láser, según Willner.

Los resultados, según los investigadores, no se ven afectados por el ruido en el canal, ya que, a diferencia de otros esquemas de codificación MDM, el factor de calidad vectorial es invariante, no sufre de crosstalk significativo, se puede utilizar con sistemas de multiplexación por división de longitud de onda existentes, y su capacidad de información de varios bits, determinada por cuántos niveles entre 0 y 1 se pueden detectar fielmente, está limitada solo por la sensibilidad (piso de ruido) del detector del receptor.

“Nuestros resultados sugieren que puedes dividir el rango de 0 a 1 en tantos niveles como desees, solo limitado por la sensibilidad del detector que utilices. Utilizamos detectores muy económicos para pruebas de concepto, por lo tanto, codificamos un alfabeto de 50 niveles, en lugar de solo 1s y 0s, pero el alfabeto puede codificar miles de niveles con la tecnología de detector correcta”, dijo Andrew Forbes de la Universidad de Witwatersrand.

El apetito insaciable por una comunicación óptica de mayor velocidad ha llevado a muchos otros grupos de investigación a explorar alternativas de varios bits para codificaciones de solo 1 y 0, incluidos muchos esquemas de multiplexación de división de modo alternativos. Por ejemplo, investigadores franceses demostraron la multiplexación de división de modo en fibras ópticas ya en 1982, pero solo en el laboratorio a distancias de 10 metros. Recientemente, investigadores chinos demostraron mejoras de más de un kilómetro. Sin embargo, según Forbes y otros, incluso estas técnicas exitosas de multiplexación de división de modo están limitadas por el ruido en el canal que distorsiona los patrones modales que se transmiten, introduciendo errores en su detección. Por el contrario, extraer en su lugar la métrica inspirada en la mecánica cuántica invariante, su factor de calidad vectorial como portador de información, hace que su transmisión sea impermeable al ruido del canal. De hecho, según los investigadores, su factor de calidad vectorial invariante puede escalar el número de modos entre 0 y 1 hasta el piso de ruido del detector utilizado, independientemente del ruido del canal.

“La idea es utilizar la no-separabilidad de la luz vectorial, que puede variar de 0 (completamente separable) a 1 (completamente no separable) – una medida ‘cuántica'”, dijo Forbes. “El detector que necesitamos para medir esta propiedad invariante es solo fotodiodos simples. Esto es una gran ventaja porque significa que no se necesita una optoelectrónica complicada para reconocer los patrones modales codificados, solo su factor de calidad vectorial”.

Según Forbes, los enfoques de multiplexación de división de modos competidores deben reconocer los patrones modales como parte integral de su esquema de detección, lo que requiere un imager más sofisticado y algoritmos de reconocimiento de patrones asociados que son propensos a errores tanto en canales de fibra como en canales de espacio libre.

“El problema es que los ‘patrones’ se distorsionan en sistemas no ideales, lo que es un problema grave para la comunicación; envías una ‘A’ pero el detector de patrones piensa que es una ‘B'”, dijo Forbes. “En nuestro enfoque, podemos explotar los muchos patrones sin tener que reconocerlos. El nuestro es un enfoque modal sin la penalización de tener que reconocer los modos, solo su factor de calidad vectorial. Lo que nos da la ventaja es que nuestra tecnología requiere un pie tanto en la comunicación clásica como en la física cuántica, y somos uno de los pocos grupos en el mundo que hace ambas cosas”.

En la computación cuántica, la concurrencia es un estado invariante que indica entrelazamiento, que luego se ha generalizado a estados de variables continuas que indican separabilidad. El grupo de Wits aplicó esta métrica cuántica a su factor de calidad vectorial continuo como un beneficio para los investigadores en comunicaciones ópticas que buscan aumentar la capacidad de información con codificaciones de múltiples bits que son inmunes al ruido del canal.

R. Colin Johnson es un becario del Premio Kyoto que ha trabajado como periodista de tecnología durante dos décadas.

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