Comunicación Terahertz Explicada: Los Fundamentos de las Redes 7G

Durante la mayor parte de la historia de la comunicación inalámbrica, la banda terahertz (THz) — frecuencias entre 100 GHz y 10 THz — era una curiosidad más que un recurso. Demasiado alta para que la electrónica convencional la generara eficientemente, demasiado baja para técnicas ópticas, se le llamaba la "brecha terahertz." Los satélites usaban microondas. La fibra usaba luz. La banda THz, situada entre ellas, estaba en gran medida sin usar.

Eso está cambiando. Los avances en física de semiconductores, fotónica y diseño de antenas han llevado la generación práctica de señales al rango THz. Y mientras cada banda de menor frecuencia se congestiona, el enorme recurso espectral de la banda THz está atrayendo seria atención de ingeniería. Este análisis es compilado por el equipo de investigación de 7G Network, monitoreando la evolución de tecnología inalámbrica a través de estándares, política de espectro y desarrollos de la industria. Para las redes inalámbricas 7G — que se espera comiencen la estandarización a mediados de los 2030s — la comunicación THz no es opcional. Es el mecanismo principal para lograr las velocidades de datos pico de 10+ Tbps que la generación requiere.

¿Qué es la Banda Terahertz?

El espectro electromagnético se divide en regiones por frecuencia. Las ondas de radio van desde unos pocos kilohertz hasta aproximadamente 300 GHz. La luz infrarroja comienza por encima de 300 GHz (o equivalentemente, por debajo de longitudes de onda de 1 mm). La "banda terahertz" se refiere convencionalmente a frecuencias desde aproximadamente 100 GHz (0.1 THz) hasta 10 THz — un rango de frecuencias de 100x que abarca la transición de microondas a óptico.

La propiedad clave que hace atractivo el THz para las comunicaciones es el ancho de banda. El teorema de Shannon nos dice que la velocidad máxima de datos de cualquier canal es proporcional a su ancho de banda. Un canal a 300 GHz puede potencialmente tener un ancho de banda de 50–100 GHz — comparado con los anchos de banda de canal de 400–800 MHz del 5G mmWave. Más ancho de banda, siendo todo lo demás igual, significa más bits por segundo.

La propiedad clave que hace desafiante el THz es la propagación. Las señales de alta frecuencia pierden energía mientras viajan por el aire, y no pueden penetrar la mayoría de los materiales. A 300 GHz, la pérdida de trayectoria en espacio libre es aproximadamente 30 dB más alta que a 28 GHz mmWave, que ya es mucho peor que sub-6 GHz. Una señal THz se atenúa hasta el nivel de ruido dentro de decenas a cientos de metros en espacio libre, y dentro de centímetros o menos cuando encuentra una pared.

La banda terahertz abarca 0.1–10 THz y ofrece anchos de banda de canal de 50–100 GHz — aproximadamente 100x más amplios que 5G mmWave — pero sufre de ~82 dB de pérdida de trayectoria en espacio libre sobre solo 10 metros a 300 GHz.

La Física de la Propagación THz

Dos mecanismos dominan la pérdida de señal THz:

Pérdida de trayectoria en espacio libre

Todas las ondas electromagnéticas experimentan pérdida de trayectoria proporcional al cuadrado de la distancia y al cuadrado de la frecuencia. Duplicar la frecuencia cuadruplica la pérdida de trayectoria (siendo todo lo demás igual). A 300 GHz, la pérdida de trayectoria en espacio libre sobre 10 metros es aproximadamente 82 dB — lo que significa que la señal recibida es 82 dB más débil que la que fue transmitida. Esto requiere potencia de transmisión extremadamente alta o antenas direccionales de ganancia extremadamente alta (o ambas) para cerrar el presupuesto de enlace.

Absorción molecular

Ciertas moléculas — particularmente el vapor de agua (H₂O) y el oxígeno (O₂) — absorben la radiación THz en frecuencias específicas. A nivel del mar con humedad típica, hay picos de absorción a 183 GHz, 325 GHz, y 557 GHz que pueden agregar 10–100 dB de atenuación adicional sobre distancias cortas. El efecto práctico es que los sistemas de comunicación THz deben operar en las "ventanas de transmisión" entre estos picos de absorción — notablemente alrededor de 300 GHz, 350 GHz, y 410 GHz, donde la absorción es menor.

En ambientes de baja humedad (desiertos, altitudes elevadas, climas fríos) y en interiores (donde la humedad está controlada), la absorción es significativamente menor. Esto hace que la comunicación THz en interiores sea considerablemente más práctica que los enlaces exteriores de largo alcance.

La propagación THz es limitada por la pérdida de trayectoria en espacio libre (82 dB a 300 GHz sobre 10 m) y la absorción molecular de H₂O y O₂ en picos alrededor de 183, 325 y 557 GHz, forzando a los sistemas a operar en ventanas de transmisión cerca de 300, 350 y 410 GHz.

Por Qué THz Sigue Siendo Necesario para 7G

Dados estos desafíos, uno podría preguntarse: ¿por qué no simplemente usar más espectro sub-6 GHz, o expandir el despliegue de mmWave en su lugar? La respuesta es aritmética. El ancho de banda total disponible en frecuencias por debajo de 100 GHz — ya abarrotado con servicios celulares, satelitales, radar, WiFi y otros — se mide en decenas de gigahertz a nivel mundial. Satisfacer la demanda de capacidad inalámbrica en la década de 2040 con las asignaciones de espectro existentes es físicamente imposible.

La banda THz, por el contrario, contiene cientos de gigahertz de espectro potencial en cada ventana de transmisión. Requerirá arquitecturas de sistema completamente nuevas para usarse de manera efectiva — pero la capacidad bruta está ahí. El desafío de ingeniería es real. La alternativa es peor.

El ancho de banda total disponible por debajo de 100 GHz se mide en decenas de gigahertz a nivel mundial y ya está congestionado, según las asignaciones de espectro de FCC e ITU. La banda THz ofrece cientos de gigahertz por ventana de transmisión, convirtiéndola en la única ruta viable para las demandas de capacidad de la era 7G.

El Desafío del Hardware: Generar Señales THz

Generar y detectar señales THz es difícil por una razón fundamental: requiere electrónicos que conmuten a velocidades THz. La figura de mérito clave para los transistores es la frecuencia de tránsito (fT) — la frecuencia a la cual la ganancia cae a la unidad. Operar un transistor como amplificador requiere trabajar muy por debajo de fT.

Los transistores de vanguardia actuales:

• InP HEMTs (Transistores de Alta Movilidad Electrónica de Fosfuro de Indio): Los mejores dispositivos de investigación muestran fT alrededor de 700–1000 GHz. Los amplificadores prácticos operan hasta aproximadamente 300–400 GHz. Esta es la tecnología dominante para sistemas de comunicación sub-THz hoy en día.
• GaN HEMTs: fT más baja que InP (típicamente 200–400 GHz para dispositivos de investigación) pero salida de potencia mucho mayor — útil para amplificadores de transmisión en enlaces THz donde la potencia importa.
• Transistores de grafeno: Frecuencias de tránsito teóricas por encima de 1 THz, pero los amplificadores prácticos no han igualado el rendimiento de dispositivos de laboratorio debido a la resistencia de contacto y efectos del sustrato. Área de investigación activa.
• Enfoques fotónicos: Generar señales THz mediante el batido de dos frecuencias láser juntas (fotomezclado) evita completamente los límites de transistores electrónicos y puede alcanzar 1–3 THz. Menor potencia que los enfoques electrónicos, pero mejorando.

Para 7G, los sistemas de comunicación THz prácticos probablemente requerirán front-ends basados en InP o GaN operando en el rango de 100–500 GHz para despliegue a corto plazo (2030s), con enfoques fotónicos o de semiconductores compuestos avanzados extendiendo el rango de frecuencia hacia 1 THz y más allá a finales de los 2030s y 2040s, según la hoja de ruta THz de Horizon Europe de la Comisión Europea.

Los InP HEMTs lideran la tecnología de dispositivos THz con fT de 700–1000 GHz y amplificadores prácticos hasta ~400 GHz, según IEEE Electron Device Letters (2023). Los GaN HEMTs ofrecen mayor potencia de salida para amplificadores de transmisión, mientras los enfoques fotónicos pueden alcanzar 1–3 THz pero a niveles de potencia más bajos.

Diseño de Antenas para THz

En frecuencias THz, las longitudes de onda son submilimétricas. Una señal de 300 GHz tiene una longitud de onda de 1 mm; una señal de 1 THz tiene una longitud de onda de 300 micrómetros. Esto tiene dos consecuencias importantes.

Primero, las antenas se vuelven diminutas. Un dipolo de media longitud de onda a 300 GHz mide 0.5 mm de largo — lo suficientemente pequeño para integrarse en el propio paquete del chip. Esto permite diseños de antena en paquete (AiP) donde el transceptor y la antena son un solo módulo integrado, reduciendo las pérdidas de las interconexiones.

Segundo, los arreglos de antenas pueden ser extremadamente densos. Un arreglo de fase de 64 elementos a 300 GHz cabe en unos pocos milímetros cuadrados. Esto permite haces extremadamente direccionales — delgados como un lápiz en frecuencias THz — que concentran la energía precisamente hacia el receptor objetivo. Las antenas direccionales de alta ganancia son esenciales para compensar la pérdida de trayectoria.

El desafío es la dirección del haz. Un haz THz altamente direccional debe rastrear un dispositivo en movimiento o adaptarse cuando la trayectoria directa está bloqueada. Esto requiere una gestión de haz rápida y confiable — un problema que 5G mmWave abordó de manera imperfecta y que 6G y 7G deben resolver de manera más robusta. Tecnologías como las superficies inteligentes reconfigurables (RIS) pueden desempeñar un papel clave en la gestión de haz THz.

A 300 GHz, una antena dipolo de media longitud de onda mide solo 0.5 mm de largo, permitiendo diseños de antena en paquete (AiP) y arreglos de fase de 64 elementos que caben en pocos milímetros cuadrados — produciendo haces ultra-delgados esenciales para compensar la pérdida de trayectoria THz.

Investigación y Demostraciones Actuales

Varios experimentos históricos demuestran la dirección hacia la que se dirige la comunicación THz:

• NTT Docomo demostró un enlace inalámbrico de 100 Gbps a 300 GHz sobre una trayectoria interior de 100 metros en 2021 — la primera demostración de la viabilidad a nivel de sistema del backhaul THz a esa distancia.
• Investigadores de la Universidad de Tokio demostraron un enlace de 240 GHz a 100 Gbps sobre 10 metros con una matriz de antenas integradas en chip de 3.8 cm² en 2023, mostrando la densidad de antenas posible en THz.
• El Instituto Avanzado de Tecnología de Samsung demostró un enlace inalámbrico de 1 Tbps a 140 GHz sobre 15 cm en un entorno controlado en 2021, principalmente como prueba de concepto del rendimiento de modulación en frecuencias sub-THz.
• El proyecto TERAPOD de la UE demostró la distribución inalámbrica de datos THz dentro de un rack de centro de datos, apuntando al reemplazo de interconexiones de cobre con enlaces THz para comunicación rack-a-rack — una aplicación comercial a corto plazo que no requiere propagación de área amplia.

Ninguna de estas es "7G lista para producto." Son demostraciones de prueba de concepto que validan componentes específicos de un sistema futuro. La brecha entre una demostración de 100 Gbps a 300 GHz sobre 100 metros y una celda pequeña THz 7G desplegada sirviendo 500 dispositivos simultáneamente es enorme — y abarca aproximadamente 10–15 años de trabajo de ingeniería. Para comparación con el panorama tecnológico más amplio de 6G vs 7G, consulta nuestro análisis detallado.

THz en la Arquitectura 7G

La física de propagación de THz dicta dónde será desplegada: corto alcance, alta densidad, predominantemente en interiores. La arquitectura 7G utilizará el espectro THz para:

• Celdas pequeñas interiores: Puntos de acceso THz distribuidos en oficinas, fábricas y hogares, proporcionando rendimiento de múltiples Gbps por dispositivo dentro de las habitaciones.
• Comunicación dispositivo a dispositivo (D2D): Intercambio de datos de alta velocidad entre dispositivos en proximidad cercana — auriculares AR compartiendo datos de escena, vehículos autónomos intercambiando feeds de sensores en intersecciones.
• Backhaul inalámbrico: Enlaces THz de corto alcance conectando componentes de estaciones base en despliegues densos, reemplazando fibra donde las zanjas son impracticables.
• Interconexiones de centros de datos: Enlaces THz reemplazando cobre para comunicación rack a rack y dentro del rack, donde ofrecen ventajas de ancho de banda y eliminan el consumo de energía de las interconexiones eléctricas activas.

No se espera cobertura THz de área amplia en la era 7G. La física es demasiado desfavorable. La capa macro 7G utilizará frecuencias sub-THz y de banda media 6G para cobertura; THz proporciona capacidad en puntos críticos.

En la arquitectura 7G, el espectro THz se despliega para escenarios de corto alcance y alta capacidad: celdas pequeñas interiores, enlaces dispositivo a dispositivo, backhaul inalámbrico e interconexiones de centros de datos — mientras la capa de cobertura macro depende de frecuencias sub-THz y de banda media de 6G.

El Camino hacia el Despliegue

El nivel de preparación tecnológica (TRL) de los componentes de comunicación THz a partir de 2026 es aproximadamente TRL 3–4: prueba de concepto demostrada en condiciones de laboratorio. Pasar a TRL 7–8 (prototipo en entorno operacional) requiere 8–12 años. Pasar a TRL 9 (sistema listo para producción) requiere 3–5 años adicionales.

Esta cronología es consistente con las pequeñas celdas THz de 7G apareciendo en despliegues de vanguardia alrededor de 2038–2042. Antes de eso, se espera que sub-THz (100–300 GHz) aparezca en sistemas 6G Advanced alrededor de 2033–2035 como un paso intermedio — cerrando la brecha entre 5G mmWave y el verdadero 7G THz.

La inversión requerida para cerrar esta brecha es sustancial: nuevas fábricas de semiconductores capaces de producir dispositivos InP y GaN en volumen, tecnología de empaquetado para módulos antenna-in-package, ASICs de dirección de haz a nivel de chip, y los algoritmos de procesamiento de señales para gestionar enlaces THz en entornos densos multiusuario. Las empresas y programas nacionales que hagan esas inversiones ahora definirán la cadena de suministro THz para la década 2035–2045.

Fuentes

1. ITU-R Recommendation P.676 — modelo de atenuación atmosférica para frecuencias hasta 1 THz
2. IEEE Electron Device Letters — benchmarks de rendimiento de transistores InP HEMT y GaN HEMT
3. NTT Docomo 300 GHz Demo (2021) — enlace inalámbrico de 100 Gbps a 300 GHz sobre 100 metros
4. Samsung Advanced Institute of Technology — demostración de prueba de concepto de 1 Tbps a 140 GHz
5. EU TERAPOD Project — distribución inalámbrica de datos THz en entornos de centros de datos
6. FCC Spectrum Horizons (2019) — apertura de frecuencias por encima de 95 GHz para uso experimental y con licencia