Con un experimento el equipo demostró la posibilidad de detectar una señal en espacio libre mediante un enlace de un kilómetro, a pesar de los efectos de la turbulencia atmosférica.
“El principal avance fue probar que una propiedad de la luz llamada momento angular orbital podría ser controlada para transportar información a través del aire con turbulencia, lo cual sirve tanto para implementar sistemas de comunicaciones terrestres como satelitales”, explica Jaime Anguita, académico de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes e investigador del Instituto Milenio de Investigación en Óptica, MIRO.
En el fenómeno llamado momento orbital angular, una onda de luz gira sobre su propio eje como si fuera un espiral que deja un espacio en su interior. Este fenómeno se puede aprovechar para hacer enlaces de comunicaciones ópticas, pero, dada la dificultad técnica de montar estos sistemas ópticos, son pocos los experimentos similares que se han hecho en el mundo.
En el caso del experimento llevado a cabo por el equipo liderado por el Dr. Anguita se necesitó más de un año de trabajo para calibrar cada uno de los elementos que componen el sistema óptico a través del cual se transmite la señal. El montaje consiste en un sistema de láseres, telescopios y detectores ubicados la Facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes.
Desde el cuarto piso de la facultad de Ingeniería la señal de luz láser se envía hasta un reflector ubicado sobre el techo de otro edificio que retorna la señal para luego ser analizada en un receptor. El desafío consiste en enviar y recibir el haz de luz entre ambos puntos cubriendo un kilómetro de distancia, a pesar de la distorsión que le genera la turbulencia atmosférica. “Hay una gran cantidad de trabajo de ingeniería óptica para poder asegurar que las mediciones que se toman permitan obtener resultados de orden científico”, explica el Dr. Anguita.
El trabajo comenzó en 2019 con las primeras simulaciones junto al académico UANDES Jaime Cisternas, luego se empezó a equipar el laboratorio y finalmente se hizo la comprobación experimental en larga distancia, experimento con el cual se demostró que la información llevada en los haces de luz con momento orbital angular puede recuperarse, permitiendo en el futuro diseño de enlaces con mayor capacidad de comunicación.
Los primeros resultados experimentales fueron recientemente presentados en SPIE Optics & Photonics.
El desafío de enfrentar la turbulencia atmosférica
Un proyecto de investigación paralelo permitió diseñar un sistema de detección para analizar la distorsión de la luz en el aire. Este módulo se inserta en el sistema de comunicación óptica y mide la calidad de la comunicación, además, puede predecir el efecto que le genera la turbulencia.
El trabajo fue realizado junto al estudiante de doctorado de la UANDES Carlos Pirela. En esta parte también colaboraron los investigadores Alexander van Eijk y Ariadna Huerta del Instituto de Investigación TNO, de los Países Bajos.
Dado que la turbulencia se debe medir de manera precisa, la incorporación de este sistema era clave para el éxito del experimento principal. “Lo que hacemos es propagar un haz gaussiano –como aquel que emiten los punteros láser, pero más ancho– y lo medimos usando el mismo telescopio receptor de la investigación principal. La novedad fue la implementación de un sistema monolítico que permite analizar simultáneamente ambos haces, el de comunicaciones y el de medición de turbulencia”, explica Jaime Anguita.
Con resultados prometedores, el equipo de investigación está implementando una cabina de comunicación láser sobre el edificio de Ingeniería y tienen planes de probar el experimento en hasta tres kilómetros de distancia.
Además, el equipo de investigación acaba de ganar un fondo de Fomento a la Investigación Internacional, que entrega la ANID para potenciar la colaboración internacional, específicamente con la Universidad de Padua, desde la cual apoyarán una parte del experimento los investigadores del área de comunicación cuántica Paolo Villoresi y Giuseppe Vallone. En Chile, el grupo también contará con el apoyo de los investigador MIRO UDEC, Stephen Walborn y Gustavo Lima.
Aplicaciones
Los resultados de estos experimentos pueden ser utilizados para generar sistemas de comunicaciones que complementen y –en algunos casos– reemplacen señales de radiofrecuencia, por ejemplo, en aeropuertos, autopistas de superficie y subterráneas, y en minería.
Como ventaja adicional de estos sistemas de comunicación, el investigador del Instituto MIRO, menciona que son inocuos para la salud de las personas y el medioambiente, permiten transmitir información digital sin necesidad de utilizar cables y su consumo energético es potencialmente menor al de otros sistemas de comunicaciones actuales.