Decenas de terabytes por segundo: cómo se crean las tecnologías del futuro

Los científicos están seguros de que con el tiempo los dispositivos basados en la fotónica reemplazarán casi por completo la electrónica que conocemos.

La comunicación inalámbrica a una velocidad de decenas de terabytes por segundo, el procesamiento de datos a una velocidad de decenas de gigabits por segundo y los hologramas que crean imágenes tridimensionales en el aire, son solo algunos objetivos más próximos de la fotónica moderna. Los científicos de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares (MEPhI), con sede en Rusia, contaron sobre los avances alcanzados en país que aceleran el desarrollo de este sector.

¿Cuándo quedará obsoleta la electrónica ordinaria?

La fotónica es un ámbito de la ciencia y la tecnología relacionado con los procesos de emisión de luz, su registro y el cambio de sus propiedades. Las tecnologías basadas en fotónica no se limitan a la transmisión óptica habitual y los discos ópticos, sino que también está presente en muchos otros dispositivos prometedores.

Según los científicos del Laboratorio de fotónica y procesamiento óptico de la información del Departamento de Física del Láser del Instituto de Tecnologías de Láser y Plasma (MEPhI), el siglo XXI es el siglo de la fotónica.

Creen que en unos 10 o 20 años, gracias a la fotónica sucederá una revolución tecnológica que dará lugar a la aparición de sistemas fundamentalmente nuevos. En primer lugar, aparecerá una red digital pública con una velocidad de varios terabytes por segundo, sistemas de procesamiento de datos con una capacidad de información de decenas de gigabits por segundo, así como pantallas holográficas de gigapíxeles, tanto bidimensionales como tridimensionales.

Desarrollan en Rusia un método único que revolucionará la tecnología OLED

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— Sputnik Mundo (@SputnikMundo) November 7, 2020

​Las ventajas clave de las tecnologías fotónicas dependen de las propiedades informativas de la luz. Los científicos de la MEPhI explicaron que la frecuencia propia de oscilación de las señales ópticas es miles de veces más alta que la de las señales de radio, por eso se puede cambiar sus parámetros de manera mucho más rápida. Así que el espectro de frecuencias transmitidas por la señal de luz es extremadamente amplio. Un canal óptico puede transmitir, por ejemplo, la señal de todos los espectros de ondas de radio a la vez.

"Al transmitir la luz, se puede formar distribuciones espaciales bidimensionales y tridimensionales que representan datos, mientras que la señal eléctrica que va por el conductor es unidimensional. Como resultado, los sistemas fotónicos, en igualdad de circunstancias, pueden tener una velocidad y eficiencia energética varias veces mayores que sus predecesores electrónicos utilizados hoy en día", dijo Rostislav Stárikov, profesor de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares (MEPhI).

Vídeo holográfico, la realidad del futuro

Ya existen las tecnologías que permiten grabar y reproducir el vídeo holográfico. Sin embargo, según los científicos de la MEPhI, estos sistemas todavía no son muy baratos y, además, son imperfectos. Por eso es necesario resolver una serie de problemas antes de su aplicación masiva. En particular, existen dificultades con la reproducción rápida de hologramas, así como con su transmisión a través de las redes digitales existentes.

Los métodos innovadores de transmisión y reproducción rápida de vídeo tridimensional de hologramas digitales se están desarrollando en el Departamento de Física de Láser de la MEPhI con el apoyo de la Fundación para la Ciencia de Rusia, proyecto No.20-79-00291. Los científicos aseguran que el trabajo en este ámbito hará posible que para mediados de 2030 los sistemas holográficos comerciales con video tridimensional sean algo habitual.

"Hemos propuesto y probado con éxito un nuevo método de representación binaria de hologramas digitales que permite recodificarlos en una forma más adecuada para la transmisión, así como nuevos métodos de compresión que son varias veces mejores que sus análogos y al mismo tiempo garantizan un nivel aceptable de pérdida de calidad de las imágenes finales", señaló Pável Cheremgin, jefe de las investigaciones en este ámbito y docente de la MEPhI.

¿Qué traerá la radiofotónica?

Otra esfera prometedora es la fotónica de microondas, o radiofotónica, que explora las posibilidades de transmitir y procesar señales de radio mediante la luz. Estos sistemas superan a los sistemas de radio convencionales en términos de resistencia a las interferencias intencionales, así como por sus características de ruido, peso y tamaño. Pero lo más importante es que tienen una gama de señales extremadamente ancha, más de 100 gigahercios.

Las muestras experimentales existentes de sistemas radiofotónicos pueden procesar las señales a unas velocidades inalcanzables para los medios electrónicos convencionales. Por ejemplo, realizan transformaciones de lo analógico a digital mil veces más rápido que los sistemas electrónicos existentes.

Los científicos de la MEPhI informaron que en la actualidad, tanto en el mundo como en Rusia, las líneas fotónicas de transmisión de señales de radio, que tienen una gran capacidad de información, se introducen en todas partes. En el futuro, inevitablemente aparecerán dispositivos en los que la luz se utiliza para procesar señales de radio, o sea radares fotónicos. Además, aparecerá un radar de barrido electrónico activo (AESA) basado en fotónica, que permitirá rastrear con alta precisión objetivos de cualquier tipo a gran distancia.

En el Departamento de Física de Láser de la MEPhI, bajo la dirección del profesor Stárikov, se están realizando exitosamente los estudios teóricos y experimentales en el campo de los sistemas analógicos y digitales de fotónica de microondas. Por ejemplo, recientemente, los especialistas del Laboratorio de Procesamiento Óptico de Información crearon un sistema fotónico para el procesamiento analógico digital de señales de radio de rango centimétrico.

Basándose en este dispositivo, los especialistas de la MEPhI, junto con los científicos de otras organizaciones rusas, crearon el primer sistema de radio con elementos de fotónica de microondas en Rusia —y uno de los primeros en el mundo— que ya ha pasado con éxito las pruebas de campo.

Según los científicos, estos dispositivos son mucho más ligeros y eficientes desde el punto de vista energético que sus análogos electrónicos.

Velocidad increíble y excelente calidad

En el futuro, los sistemas ópticos digitales que utilizan el procesamiento paralelo de señales ópticas espaciales podrán alcanzar una velocidad de hasta 100 gigabits por segundo en cuanto al trabajo con los datos. Por ejemplo, se trata del reconocimiento de imágenes o la codificación de información.

Las investigaciones en el ámbito de procesamiento de señales ópticas bidimensionales, realizadas por la MEPhI, se centran en la creación de sistemas holográficos y de difracción que utilizan emisión de láser coherente e incoherente.

«Nuestro equipo está desarrollando con éxito los métodos de formación de las distribuciones de luz programadas e informativas que serán de alta velocidad y alta precisión. Esto nos permitirá presentar enormes conjuntos de información sin errores y pérdidas», dijo Rostislav Stárikov.

En particular, actualmente en el Departamento de Física de Láser de la MEPhI, bajo la dirección del profesor Nikolái Evtigíev, en el marco del proyecto de la Fundación para la Ciencia de Rusia No.19-19-00498, se está desarrollando un nuevo tipo de sistema de difracción óptico digital diseñado para codificar información. Los investigadores ya han creado y probado un sistema de codificación de datos binarios, que, según los creadores, asegura una velocidad de decenas de gigabits por segundo.

Otras investigaciones de los expertos del Departamento se centran en la creación de sistemas inteligentes de alta velocidad para el reconocimiento de imágenes visuales. Según los científicos, en la actualidad, han demostrado experimentalmente las capacidades de reconocimiento de imágenes de megapíxeles a una velocidad de más de diez mil fotogramas por segundo. Esto es cien veces más rápido que las capacidades potenciales de los análogos electrónicos.