Desarrollo de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Clásicas en Espacio Libre con Aplicación en Comunicaciones Cuánticas

Abstract

Actualmente los enlaces ópticos en espacio libre tienen diversas aplicaciones (algunas comerciales y otras en desarrollo) tales como: a) enlaces horizontales de comunicaciones dentro de la misma capa de la atmósfera terrestre (denominados enlaces FSO por sus siglas en inglés “free space optics”) permanentes o temporales (para situaciones de emergencia) de corta distancia para comunicación entre edificios (Fsona, 2014) , y comunicación de alta velocidad en redes personales de área local óptica inalámbrica (Wang, K., et al, 2011), b) enlaces verticales (denominados generalmente sistemas LASERCOM) para comunicación entre aviones y satélites, entre satélites en diferentes órbitas (Chan, V., 2003), de satélites a estaciones terrenas y viceversa (operando en diversas capas de la atmósfera terrestre o en el espacio profundo (Hemmati, H., 2006)), c) conexión óptica inalámbrica de alta velocidad entre tarjetas de circuito impreso (por ejemplo para distribución de señales de reloj dentro de un satélite y/o para interconectar ductos y microprocesadores sin interferencia electromagnética (Savage, N., 2002)). El desarrollo de enlaces ópticos para comunicación de tierra hacia y desde el espacio ha sido y es de gran interés para diversas agencias espaciales alrededor del mundo (JAXA, 2009), en particular, el sistema satelital europeo SILEX es un ejemplo de su aplicación (ESA, 2014); además,  la NASA puso en funcionamiento en septiembre de 2013 la misión “Lunar Laser Communication Demonstration”, cuyo objetivo principal es demostrar la confiabilidad de la comunicación óptica entre una estación situada en órbita lunar y estaciones terrenas en nuestro planeta (NASA,2014). Generalmente los enlaces arriba mencionados son “clásicos” (operando con un relativamente alto número de fotones por período de observación), pero, recientemente ha crecido el interés en desarrollar sistemas de comunicaciones “cuánticos” (con bajo número de fotones por período de observación) (Hemmati, H. et al, 2012). Para estos sistemas pueden emplearse diversos “estados cuánticos”, (cuyas propiedades han sido y son investigadas por diversos grupos de científicos alrededor del mundo (Becerra, F.E., et al, 2013)), entre otros, los “estados entrelazados” (Ma, X., et al, 2012), o los “estados débiles coherentes” (WCS). Nosotros elegimos los WCS por ser posible generarlos con fuentes ópticas de telecomunicaciones (López, J., et al, 2013, López, J., et al, 2012), y porque su empleo a través del espacio libre permite, entre otros, enlaces incondicionalmente seguros para distribución de llave cuántica (QKD) y enlaces satelitales, (tópicos actualmente de alto interés a nivel mundial). Es pertinente mencionar que ya hemos realizado algunos subsistemas con WCS operando en fibra óptica (López, J. et al, 2013), sin embargo, nos interesa desarrollar sistemas en espacio libre para aplicaciones satelitales (Gutiérrez, C., et al, 2013).  Para la realización de un sistema FSO-WCS es conveniente primero desarrollar un enlace FSO-clásico cuyos subsistemas funcionen en enlaces cuánticos. Así, presentamos en primer lugar la metodología para diseño de enlaces ópticos en espacio libre, y una herramienta computacional desarrollada para esto. Entre los sistemas diseñados hay un esquema de sincronización espacial (ATP) usando un APD de cuatro cuadrantes y un subsistema de levitación magnética para seguimiento de un “faro óptico” clásico a 532 nm. Cabe mencionar que aunque existe una cantidad importante de trabajos dedicados al desarrollo de sistemas ATP con transmisión óptica clásica, a lo mejor de nuestro conocimiento no se ha reportado ningún sistema ATP basado en levitación magnética para enlaces empleando WCS, (desde nuestro punto de vista esta es una aportación importante del presente trabajo). Por otro lado, aunque aquí nos enfocamos en la implementación y caracterización de un enlace FSO- clásico, con los resultados obtenidos se continuará con el desarrollo de enlaces FSO-WCS con aplicación satelital.