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Primera transmisión de datos a través de un multiplexor de terahercios
La multiplexación, capacidad de enviar múltiples señales a través de un solo canal, es una característica fundamental de cualquier sistema de comunicación de voz o datos. Un equipo de investigación internacional ha mostrado por primera vez un método para multiplexar datos transmitidos por ondas de terahercios, radiación de alta frecuencia que puede posibilitar una próxima generación de redes inalámbricas de ancho de banda ultra-alto.
En la revista Nature Communications, los investigadores informan de la transmisión de dos señales de vídeo en tiempo real a través de un multiplexor de terahercios a una velocidad de datos agregada de 50 gigabits por segundo, aproximadamente 100 veces la velocidad óptima de datos de la red móvil celular más rápida de las actuales.
«Demostramos que podemos transmitir flujos de datos separados en ondas terahercios a velocidades muy altas y con tasas de errores muy bajas», dijo Daniel Mittleman, profesor de la Escuela de Ingeniería de Brown y coautor del documento. «Esta es la primera vez que alguien ha caracterizado un sistema de multiplexación terahercios utilizando datos reales, y los resultados muestran que nuestro enfoque podría ser viable en futuras redes inalámbricas a frecuencias de terahercios».
Las redes actuales de voz y datos utilizan microondas para llevar señales inalámbricas. Pero la demanda de transmisión de datos se está convirtiendo rápidamente en algo más de lo que las redes de microondas pueden manejar. Las ondas de terahercio tienen frecuencias más altas que las microondas y por lo tanto una capacidad mucho mayor para transportar datos. Sin embargo, los científicos apenas han comenzado a experimentar con estas frecuencias, y muchos de los componentes básicos necesarios para la comunicación teraherciios todavía no existen.
Un sistema para multiplexar y demultiplexar (también conocido como mux/demux) es uno de esos componentes básicos. Es la tecnología que permite a un cable llevar múltiples canales de televisión o a cientos de usuarios acceder a una red wifi inalámbrica.
Enfoque mux/demux
Mittleman y sus colegas desarrollaron dos placas de metal colocadas paralelas entre sí para formar una guía de ondas. Una de las placas tiene un corte. Cuando las ondas viajan a través de la guía de ondas, parte de la radiación se escapa a través de la hendidura. El ángulo en el que los haces de radiación escapan depende de la frecuencia de la onda.
«Podemos poner varias ondas a varias frecuencias diferentes – cada una de las cuales lleva una corriente de datos – en la guía de ondas, y no interferirán entre sí porque son frecuencias diferentes, eso es multiplexar», dijo Mittleman. «Cada una de esas frecuencias se escapa de la hendidura en un ángulo diferente, separando los flujos de datos, eso es demultiplexar».
Debido a la naturaleza de las ondas de terahercios, las señales en estas redes de comunicaciones se propagarán como haces direccionales, no transmisiones omnidireccionales como en los sistemas inalámbricos existentes. Esta relación direccional entre el ángulo de propagación y la frecuencia es la clave para habilitar mux/demux en estos sistemas. Un usuario en una ubicación particular (y por lo tanto en un ángulo particular desde el sistema de multiplexación) se comunicará en una frecuencia particular.
En 2015, el laboratorio de Mittleman publicó por primera vez un artículo describiendo su concepto de guía de ondas. Para ese trabajo inicial, el equipo utilizó una fuente de luz terahercios de banda ancha para confirmar que diferentes frecuencias surgieron del dispositivo en diferentes ángulos. Si bien esa fue una prueba efectiva de concepto, Mittleman dijo, este último trabajo tomó el paso crítico de probar el dispositivo con datos reales.
Trabajando con Guillaume Ducournau en el Instituto de Electrónica, Microelectrónica y Nanotecnología, CNRS / Universidad de Lille, en Francia, los investigadores codificaron dos emisiones de televisión de alta definición en ondas terahertz de dos frecuencias diferentes: 264,7 GHz y 322,5 GHz. Entonces transmitieron ambas frecuencias juntas en el sistema multiplexor, con un receptor de televisión fijado para detectar las señales como emergieron del dispositivo. Cuando los investigadores alinearon su receptor al ángulo desde el cual se emitieron las ondas de 264,7 GHz, vieron el primer canal. Cuando se alinearon con 322,5 GHz, vieron el segundo.
Otros experimentos mostraron que las transmisiones estaban libres de errores hasta 10 gigabits por segundo, lo cual es mucho más rápido que las velocidades wifi estándar actuales. Las tasas de error aumentaron algo cuando la velocidad aumentó a 50 gigabits por segundo (25 gigabits por canal), pero todavía estaban dentro del rango que se puede ajustar mediante la corrección de errores, que se utiliza comúnmente en las redes de comunicaciones actuales.
Además de demostrar que el dispositivo funcionó, Mittleman dice que la investigación reveló algunos detalles sorprendentes sobre la transmisión de datos en las ondas a terahercios. Cuando una onda se modula para codificar datos – es decir, activado y desactivado para hacer ceros y unos – la onda principal está acompañada por frecuencias de banda lateral que también deben ser detectadas por un receptor para transmitir todos los datos. La investigación mostró que el ángulo del detector con respecto a las bandas laterales es importante para mantener la tasa de error baja.
«Si el ángulo está un poco desfasado, podríamos estar detectando toda la potencia de la señal, pero estamos recibiendo una banda lateral un poco mejor que la otra, lo que aumenta la tasa de error». Mittleman explicó. «Así que es importante tener el ángulo correcto.»
Detalles fundamentales como ese serán críticos, dijo Mittleman, cuando llegue el momento de comenzar a diseñar la arquitectura para sistemas completos. «Es algo que no esperábamos, y muestra lo importante que es caracterizar estos sistemas usando datos en lugar de una fuente de radiación no modulada».
Los investigadores planean continuar desarrollando este y otros componentes. Recientemente recibió una licencia de la FCC para realizar pruebas al aire libre en frecuencias de terahercios en el campus de la Universidad Brown «Creemos que tenemos la licencia de mayor frecuencia emitida actualmente por la FCC, y esperamos que sea una señal de que la agencia esté empezando a pensar. Las compañías van a ser renuentes a desarrollar tecnologías de terahercios hasta que haya un serio esfuerzo de los reguladores para asignar las bandas de equencia para usos específicos, por lo que este es un paso en la dirección correcta.»
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Verificación de la pureza de grafeno mediante ondas a frecuencia de terahercios
El grafeno puede ser difícil de manejar. El entorno que rodea al material de espesor de un átomo de carbono puede influir en su rendimiento electrónico, según los investigadores de las universidades de Rice y Osaka, que han logrado con una forma sencilla de detectar contaminantes.
Porque es muy fácil de introducir accidentalmente impurezas en el grafeno, los laboratorios liderados por los físicos Junichiro Kono de Rice (EE.UU.) y Masayoshi Tonouchi del Instituto de Ingeniería Láser de Osaka (Japón) descubrieron una forma de detectar e identificar moléculas contaminantes en su superficie, mediante espectroscopia a frecuencia de terahercios.
Esperan que el hallazgo sea importante para los fabricantes que consideren en el futuro el uso de grafeno en los dispositivos electrónicos.
La investigación fue publicada esta semana en línea en la revista Nature Scientific Reports. Esto fue posible por el programa NanoJapan basado en Rice, a través del cual los estudiantes universitarios estadounidenses realizan pasantías de investigación de verano en laboratorios japoneses.
Incluso una sola molécula de una sustancia extraña puede contaminar el grafeno lo suficiente para afectar a sus propiedades eléctricas y ópticas, dijo Kono. Por desgracia (y tal vez irónicamente), se incluyen los contactos eléctricos.
«Tradicionalmente, con el fin de medir la conductividad de un material, hay que adjuntar los contactos y luego hacer mediciones eléctricas», dijo Kono, cuyo laboratorio se especializa en la investigación a frecuencias de terahercios. «Sin embargo, nuestro método es sin contacto.»
Eso es posible porque el compuesto fosfuro de indio emite ondas de terahercios cuando se excita. Los investigadores lo utilizaron como sustrato para el grafeno. Lanzaron contra el material pulsos de femtosegundos de un láser infrarrojo, lo que hizo que el fosfuro de indio emitiera señales de terahercios de retorno a través del grafeno. Las imperfecciones tan pequeños como una molécula de oxígeno parásita en el grafeno fueron captadas por un espectrómetro.
«El cambio en la señal de terahercios debido a la adsorción de moléculas es notable», dijo Kono. «No sólo la intensidad, sino también la forma de onda de la radiación de terahercios emitida totalmente y de forma dinámica cambia en respuesta a la adsorción y desorción molecular. El siguiente paso es explorar la sensibilidad última de esta técnica única para la detección de gas.»
La técnica puede medir tanto la ubicación de la contaminación de las moléculas y los cambios en el tiempo. «El láser elimina gradualmente las moléculas de oxígeno del grafeno, cambiando su densidad, y eso lo podemos ver», afirmó Kono.
El experimento consistió en el crecimiento de grafeno prístino través de la deposición de vapor químico y su transferencia a un sustrato de fosfuro de indio. Los pulsos láser generan estallidos coherentes de radiación terahecios a través del campo eléctrico de la superficie del sustrato fosfuro de indio, que cambia debido a la transferencia de carga entre el grafeno y las moléculas contaminantes. La onda de terahercios, cuando se visualiza, refleja el cambio.
Los resultados experimentales son una advertencia para los fabricantes de productos electrónicos. «Para cualquier dispositivo futuro diseñado usando grafeno, tenemos que tener en cuenta la influencia de los alrededores», dijo Kono. El grafeno en un vacío o intercalado entre capas no contaminantes probablemente sería estable, pero la exposición al aire lo contamina, afirmó.
Los laboratorios de Rice y Osaka continúan colaborando en un proyecto para medir la conductividad del grafeno a terahercios en varios sustratos.
Los autores del artículo incluyen a la alumna de Rice Mika Tabata, quien condujo la investigación como participante NanoJapan 2012 en el laboratorio Tonouchi, y el estudiante graduado Minjie Wang; los profesores asociados Iwao Kawayama y Hironaru Murakami y los estudiantes de posgrado Yuki Sano y Khandoker Abu Salek de Osaka; y Robert Vajtai, un compañero de profesores de alto nivel, y Pulickel Ajayan, el Benjamin M. y Mary Anderson Greenwood profesor en Ingeniería, profesor de ciencia de los materiales y la nanoingeniería y química, y presidente del Departamento de Ciencia de los Materiales y NanoIngeniería, todos en Rice.
La National Science Foundation (NSF); la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia; el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón y la Fundación Murata Ciencia apoyaron la investigación. NanoJapan es financiado por las asociaciones de la NSF para la Investigación Internacional y el programa de Educación.
Fuente: Y. Sano, I. Kawayama, M. Tabata, K. A. Salek, H. Murakami, M. Wang, R. Vajtai, P. M. Ajayan, J. Kono, M. Tonouchi. Imaging molecular adsorption and desorption dynamics on graphene using terahertz emission spectroscopy. Scientific Reports, 2014; 4 DOI: 10.1038/srep06046
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