Crean conmutador fotónico que supera los problemas de equilibrio entre tamaño y velocidad

Cada segundo, terabytes de datos (el equivalente a descargar miles y miles de películas a la vez) viajan por todo el mundo en forma de luz a través de cables de fibra óptica, como carros apiñados en una autopista superrápida.

Cuando esa información llega a los centros de datos, necesita un sistema de conmutación, al igual que los autos necesitan semáforos, para salir de la autopista de forma ordenada.

Hasta ahora, los conmutadores fotónicos utilizados para enrutar señales ópticas se han visto obstaculizados por un equilibrio fundamental entre tamaño y velocidad: los conmutadores más grandes pueden manejar velocidades más altas y más datos, pero también consumen más energía, ocupan más espacio físico y aumentan los costos.

En un nuevo artículo investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania (Penn Engineering) describen la creación de un novedoso conmutador fotónico que supera este equilibrio entre tamaño y velocidad.

Y con tan solo 85 por 85 micrómetros, las unidades del nuevo conmutador son más pequeñas que un grano de sal.

Al manipular la luz a escala nanométrica con una eficiencia sin precedentes, el nuevo interruptor acelera el proceso de entrada y salida de datos a la autopista de la información literal de cables de fibra óptica que rodea el mundo.

“Esto tiene el potencial de acelerar todo, desde la transmisión de películas hasta el entrenamiento de la IA“, dice Liang Feng, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) e Ingeniería Eléctrica y de Sistemas (ESE) y autor principal del artículo.

El nuevo interruptor se basa en la física no hermítica, una rama de la mecánica cuántica que explora cómo ciertos sistemas se comportan de formas inusuales, lo que brinda a los investigadores un mayor control sobre el comportamiento de la luz.

“Podemos ajustar la ganancia y la pérdida del material para guiar la señal óptica hacia la salida correcta de la autopista de la información“, dice Xilin Feng, estudiante de doctorado en ESE y primer autor del artículo.

En otras palabras, la física única en juego permite a los investigadores dominar el flujo de luz en el diminuto chip, lo que permite un control preciso sobre la conectividad de cualquier red basada en la luz.

El resultado es que el nuevo interruptor puede redirigir señales en billonésimas de segundo con un consumo de energía mínimo.

“Esto es aproximadamente mil millones de veces más rápido que un parpadeo”, dice Shuang Wu, estudiante de doctorado en Ingeniería Mecánica y Coautor del artículo.

“Los interruptores anteriores eran pequeños o rápidos, pero es muy, muy difícil lograr estas dos propiedades simultáneamente”.

El nuevo interruptor también se destaca por estar hecho en parte de silicio, el material estándar de la industria, económico y ampliamente disponible.

“Nunca antes se había demostrado la conmutación no hermítica en una plataforma de fotónica de silicio”, dice Wu.

En teoría, la incorporación de silicio al interruptor facilitará la ampliación del dispositivo para la producción en masa y su amplia adopción en la industria.

El silicio es un componente clave en la mayoría de las tecnologías, desde computadoras hasta teléfonos inteligentes; construir el dispositivo usando silicio lo hace totalmente compatible con las fundiciones fotónicas de silicio existentes, que fabrican chips avanzados para dispositivos como las unidades de procesamiento gráfico (GPU).

Encima de la capa de silicio, el interruptor consta de un tipo particular de semiconductor, hecho de fosfuro de arseniuro de indio y galio (InGaAsP), un material que es particularmente eficaz para manipular longitudes de onda de luz infrarrojas, como las que se transmiten típicamente en cables ópticos submarinos.

Unir las dos capas resultó un desafío y requirió numerosos intentos para construir un prototipo funcional.

“Es similar a hacer un sándwich”, dice Xilin Feng, refiriéndose a agregar las capas entre sí.

Solo que, en este caso, si alguna de esas capas estuviera desalineada incluso por un grado minúsculo, el sándwich sería completamente incomible.

“La alineación requiere precisión nanométrica”, señala Wu.

En última instancia, dicen los investigadores, el nuevo interruptor beneficiará no solo a los físicos académicos, que ahora pueden explorar más a fondo la física no hermítica de la que depende el interruptor, sino también a las empresas que mantienen y construyen centros de datos y a los miles de millones de usuarios que dependen de ellos.

“Los datos solo pueden viajar tan rápido como podamos controlarlos”, dice Liang Feng.

“Y en nuestros experimentos demostramos que el límite de velocidad de nuestro sistema es de sólo 100 picosegundos”.

Fuente: Nature photonics