T1 - Presentación - Pregunta de Tesis

Mi nombre es Carlos Biurrun y soy Teleco. Además, soy doctorando en la Universidad Pública de Navarra - concretamente, en el grupo de Antenas - desde hace un año. Aunque, para los entendidos en la materia, el título de mi tesis parece tener poco que ver con las antenas - "Contributions to the Integration of Photodiodes in Terahertz Communication Links" - la verdad es que existe una relación directa entre ambos. No obstante, como este post está orientado a un público no especializado, no entraremos en demasiados tecnicismos y adaptaremos el título de la tesis para que sea más entendible. Y esta adaptación se hará en forma de pregunta, para intentar destacar el objetivo de la tesis:
 

¿Se pueden desarrollar nuevas técnicas para integrar fotodiodos en sistemas de telecomunicación inalámbricos en bandas de alta frecuencia experimentales y así mejorar su eficiencia?

 

Bueno. Algo hemos progresado. Para empezar, ya está en castellano y es un enunciado algo menos poético que el título de la tesis. No obstante, resulta difícil acotar la pregunta sin recurrir a la jerga profesional, por lo que la pregunta de tesis puede suscitar otras preguntas en nuestra cabeza. ¿Qué es un fotodiodo?¿bandas de alta frecuencia?¿experimentales?¿eficiencia?... A continuación intentaré resolver, con menos jerga aunque de forma algo más densa, dichas cuestiones:
 

¿Qué es un fotodiodo?

Es un dispositivo que, a grosso modo, genera una corriente eléctrica a partir de una onda de luz. ¿Se entiende hasta aquí? Un poquito de física básica - no nos mareemos - nos puede ayudar. Los materiales que componen el fotodiodo son capaces de absorber la energía de la onda de luz - fotón - que llega sobre él. Esa energía permite que el material libere electrones (corriente eléctrica = electrones en movimiento).¿Y de dónde viene esa luz? Pues de una fibra óptica, por ejemplo. ¿Y adónde va esa corriente eléctrica que se genera? Pues adónde queramos, digamos que a una antena. Un ejemplo de andar por casa sería que un fotodiodo puede ser el nexo de unión entre la fibra óptica que llega a nuestro router de casa y el WiFi, salvando las distancias y omitiendo varios pasos intermedios dentro del router, claro.

¿Bandas de alta frecuencia experimentales?

Terahercios. Quedaos con ese nombre porque cada vez lo vais a ver más en las noticias. Hoy en día somos atravesados constantemente por ondas electromagnéticas: radio FM, TDT, comunicaciones móviles, WiFi, luz solar... Pero antes de pasar a hablar de los Terahercios, definamos qué es una onda.

Una onda es una oscilación. Las olas del mar son un claro ejemplo, donde oscila el nivel del agua. En el caso del sonido, lo que oscila es el nivel de presión del aire (o de otro medio por el cual se propague el sonido, como el agua, si estás sumergido en una piscina). En el caso de las ondas electromagnéticas, lo que oscilan son unos campos: eléctrico y magnético, relacionados y perpendiculares entre sí. Esta oscilación se caracteriza por tres parámetros: la velocidad a la que se propaga la onda, la frecuencia - que indica el número de veces que la oscilación realiza un ciclo completo en 1 segundo (hercios) - y la longitud de onda, que indica la distancia que viaja la onda durante el tiempo en que completa un ciclo. La siguiente figura ilustra una onda electromagnética y muestra dicha longitud de onda (wavelength, en la imagen).

Volviendo a la frecuencia, es aquí donde recuperamos la palabra "terahercio". El prefijo Tera significa "un 1 seguido de doce ceros", o sea : 1 THz = 1.000.000.000.000 Hz. Otros prefijos recurrentes son "Mega", (1 MHz = 1.000.000 Hz) y Giga (1GHz = 1.000.000.000 Hz).

Para que nos hagamos una idea, la radio FM está en torno a 80-100 MHz, la TDT en torno a los 800 MHz, la señal GPS satélite entre 1.200 y 1500 MHz, el WiFi a 2.4 GHz (igual que el microondas de tu cocina) y 5 GHz. ¡Y no nos olvidemos de que la luz solar también es una onda! Concretamente, ¡de más de 400 THz! La siguiente imagen es una figura bastante tradicional que representa el llamado "espectro electromagnético", que no deja de ser un esquema bastante sintetizado de cómo se clasifican las ondas electromagnéticas:

Pues bien, como ya os podréis imaginar con el título de la Tesis, el objetivo es trabajar con Terahercios. Aunque, bueno, técnicamente no vamos a llegar al "1 seguido de doce ceros". Nos vamos a quedar en "un 3 seguido de once ceros": 300.000.000.000 Hz, que es ampliamente aceptado como "terahercio" en la comunidad científica.

La realidad es que, en estas frecuencias tan altas, las ondas sufren muchas pérdidas al propagarse. Generalmente, a mayor la frecuencia, mayores las pérdidas de propagación. Esto, unido a que hasta hace unas pocas décadas no se conocían dispositivos capaces de generar ondas a estas frecuencias, ha hecho que en pleno 2020 el desarrollo de componentes para trabajar en estas frecuencias esté algo retrasado respecto al desarrollo de otros sistemas de comunicación (lo que se ha venido denominando como Terahertz Gap - o el hueco de los terahercios - desde el siglo pasado).

  

¿Eficiencia?

El hecho de que las señales en estas frecuencias sufran tantas pérdidas al propagarse hace que debamos evitar tener pérdidas desde el inicio. Por ello, debemos diseñar perfectamente el método para integrar los fotodiodos y asegurar que no se pierde potencia en el camino entre el fotodiodo y la antena. Esta es una tarea ardua, ya que estos dispositivos tienen apenas un tamaño inferior a los milímetros y se requiere mucha precisión en la fabricación.
 

-Pues vaya, parece que todo son pegas...  

A estas alturas del artículo, es posible que alguno de los lectores piense esto, pero la verdad es que trabajar a estas frecuencias tiene sus ventajas. La primera es que a mayor frecuencia, el mayor ancho de banda para las comunicaciones que queramos establecer es mayor. Es decir, que podemos transportar más datos en las señales que queramos mandar (aunque a una distancia menor, debido a las pérdidas). Esto tendrá aplicaciones en el futuro para redes de cortas distancias y muy alta velocidad, así como para interconectar estaciones base de las operadoras de telecomunicaciones que no disten mucho entre sí, evitando tener que desplegar cables de fibra óptica entre ellas (abaratando costes, hablando en plata).

Ojo: estamos hablando de usar Terahercios para comunicar datos, pero no necesariamente podemos usar las ondas electromagnéticas para eso. Otra  aplicación de estas frecuencias, que está bastante más extendida y desarrollada, es su uso en cámaras y escáneres de Terahercios, como los que se encuentran en los aeropuertos.