El espacio libre como medio de comunicación; enlaces punto a punto, vía láser

Se cumplen 30 años del primer ensayo exitoso de un sistema de comunicación óptico del CICESE

Ensenada, Baja California, México. Hace 30 años, en 1991, se estableció el primer enlace punto a punto, vía láser, entre dos edificios en Ensenada: las azoteas de Física Aplicada del CICESE y el entonces centro de cómputo de la UABC (a una distancia aproximada de 370 metros), lo que constituyó uno de los primeros ensayos exitosos (quizá el primero) de un arreglo de comunicaciones ópticas en espacio libre que se tengan registrados en México.

En esos años, para la gran mayoría del sector académico y prácticamente todo el sector privado, el desarrollo de las comunicaciones ópticas para transmitir información (datos, audio o video) estaba centrado en el uso de fibras ópticas como canal de transmisión, y prácticamente no se consideraba el espacio libre, el mismo que, eso sí, ya estaba bastante ocupado por todo el espectro de frecuencias –y de medios de comunicación–: de radio, televisión y hoy más que nunca de internet y telefonía móvil.

Sin embargo, las grandes potencias mundiales venían trabajando en este tipo de comunicadores ópticos, viendo la manera en cómo podían adaptarlos para su utilización en satélites, por su alto potencial de transmisión de información.

El asunto no es nada sencillo. El Dr. Arturo Arvizu Mondragón, investigador del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE, dijo que a diferencia de los enlaces de comunicación que emplean radiofrecuencias, cuyas señales pueden atravesar casi cualquier objeto sólido, incluyendo paredes y edificios, la luz no puede hacer esto. Se necesita estar a “línea de vista” y buenas condiciones atmosféricas para establecer enlaces óptimos. Además, en el espacio libre, apuntar un láser desde un transmisor y “atinarle” a un receptor, es algo similar a lo que tiene que hacer un francotirador con su rifle, solo que aquí estamos hablando de distancias entre 500 y mil kilómetros.

El Dr. Arvizu participó a mediados de los años 90 en el desarrollo de la carga útil del primer satélite experimental mexicano, el SATEX-1. El CICESE se comprometió a desarrollar la estación terrena, los subsistemas de telemetría y comando, y la carga útil, un novedoso sistema que permitiría comunicar el SATEX (en órbita cuasi polar a 780 km de altura) con la estación terrena, con uno de estos sistemas por láser. Finalmente el SATEX-1 jamás fue lanzado al espacio, pero el sistema de comunicación lo completaron íntegramente investigadores y técnicos de este centro de investigación.

En los siguientes años, el boom mundial de los nanosatélites, CubeSat’s y demás propuestas que lograron reducir los tiempos de desarrollo y el costo de los sistemas, rompió el paradigma de que los países necesitan enormes recursos para desarrollar o adquirir los grandes satélites de comunicación que habían sido el estándar.

Mientras México entró en un hiato en este tema (hasta que en 2010 se creó la Agencia Espacial Mexicana –AEM–), en el Laboratorio de Comunicaciones Fotónicas del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE retomaron los llamados “enlaces didácticos”. Los primeros entre los edificios de Telemática y Física Aplicada, en el campus del CICESE, como parte de las prácticas que debían hacer sus estudiantes de posgrado. Como algunos de estos estudiantes, sobre todo los de doctorado, eran profesores en la UABC, comenzaron a hacer enlaces del CICESE a la universidad con esta nueva perspectiva. Becarios que venían como parte de los programas del Verano de la Investigación Científica también participaban.

Como la distancia no era muy grande, los siguientes apuntaron hacia Punta Banda, en el extremo sur de la Bahía de Todos Santos, a una distancia de 17 kilómetros. Después, con el apoyo del Dr. Celso Gutiérrez Martínez, investigador del INAOE (en Puebla), pudieron hacerlos desde la azotea de ese instituto hacia las faldas del Iztaccíhuatl, a un sitio llamado Altzomoni, en el Estado de México, a 43 km, donde la UNAM tiene instalados equipos de monitoreo de la calidad del aire. “Hicimos varios enlaces en Puebla que se ven espectaculares. Tenemos videos donde se ve el láser, un haz verde que desde la falda del Iztaccíhuatl apunta hacia Puebla. Ahí pudimos probar muchos de los desarrollos que inicialmente fueron para el SATEX; que nunca salieron del laboratorio y que los fuimos mejorando primero en los enlaces didácticos dentro del CICESE, luego de la UABC al CICESE, y luego de Punta Banda al CICESE. Cuando fuimos a Puebla ya teníamos mucha infraestructura desarrollada”.

Esto permitió intentar enlaces a mayor distancia. Para ello, se estableció una colaboración con el Observatorio Astronómico Nacional que permitió conectar por láser desde la Sierra de San Pedro Mártir a un rancho cerca de San Felipe, a 53 km. Aquí el reto era establecer la comunicación en el desierto, por la arena que levanta el viento.

En 2017 el Dr. Arturo Arvizu sometió un proyecto en una convocatoria de la AEM y el CONACYT para desarrollar los subsistemas que se necesitan para establecer un enlace óptico satelital de tierra a un satélite de órbita baja. En la propuesta participaban colegas del CICESE, del INAOE, del Centro de Nanociencias y Nanotecnología y del Instituto de Astronomía de la UNAM, de la UABC, del CETYS Ensenada y del Instituto Tecnológico de Sonora. Teniendo como responsable a Arturo Arvizu, la propuesta fue aceptada y recibió financiación por 1.7 millones de pesos.

Este proyecto concluyó en 2020 y se cumplió con todas las especificaciones, incluso de la estación terrena. “Quisimos dar un paso adelante a lo que se había logrado e incursionar en la comunicación cuántica, que es la comunicación del estado del arte. De hecho, China es el único país que cuenta con un satélite óptico cuántico; lo lanzó en 2018. Es comunicación de muy alta seguridad. Nosotros desarrollamos algoritmos para hacer algunos manejos de comunicación cuántica con estos satélites”, señaló Arturo Arvizu.

Y agregó: “Gracias a estos proyectos hemos podido adquirir tanto infraestructura humana como de laboratorio. He conseguido buen equipamiento, como digitalizadores y procesadores digitales de señales de muy alta frecuencia (porque necesitamos) procesamiento digital de alta velocidad. ¿Por qué? Pues porque te estás comunicando con un satélite y no te va a dar tiempo a que guardes en un osciloscopio, lo lleves a la computadora y lo proceses, sino que tienes que estar haciendo el procesamiento digital en tiempo real”.

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