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– Los investigadores han construido un chip ultrarrápido que puede acelerar la transmisión de datos en redes de fibra óptica. El chip combina varias innovaciones al mismo tiempo y, dada la creciente demanda de servicios de transmisión y en línea, representa un desarrollo significativo.
Cortesía de ETH por Florian Mayer: Los investigadores de ETH Zurich han logrado lo que los científicos han intentado hacer durante unos 20 años: en su trabajo de laboratorio como parte de los proyectos de investigación de Horizon 2020 en Europa, han fabricado un chip en el que se pueden convertir señales electrónicas rápidas directamente en señales de luz ultrarrápidas, prácticamente sin pérdida de calidad de señal. Esto representa un avance significativo en términos de la eficiencia de las infraestructuras de comunicación óptica que utilizan la luz para transmitir datos, como las redes de fibra óptica.
En ciudades como Zúrich, estas redes de fibra óptica ya se están utilizando para ofrecer Internet de alta velocidad, telefonía digital, televisión y servicios de video o audio basados en la red (“transmisión”). Sin embargo, para fines de esta década, incluso estas redes de comunicación óptica pueden alcanzar sus límites cuando se trata de la transmisión rápida de datos.
Esto se debe a la creciente demanda de servicios en línea para transmisión, almacenamiento y computación, así como a la llegada de la inteligencia artificial y las redes 5G. Las redes ópticas actuales alcanzan velocidades de transmisión de datos en la región de gigabits (109 bits) por segundo. El límite es de alrededor de 100 gigabits por carril y longitud de onda. Sin embargo, en el futuro, las velocidades de transmisión deberán alcanzar la región de terabit (1012 bits por segundo).
Nuevo: electrónica y luz en el mismo chip
“La creciente demanda requerirá nuevas soluciones”, dice Juerg Leuthold, Profesor de Fotónica y Comunicaciones de ETH. “La clave de este cambio de paradigma radica en combinar elementos electrónicos y fotónicos en un solo chip”. El campo de la fotónica (la ciencia de las partículas de luz) estudia las tecnologías ópticas para la transmisión, almacenamiento y procesamiento de información.
Los investigadores de ETH ahora han logrado precisamente esta combinación: en un experimento realizado en colaboración con socios en Alemania, EE. UU., Israel y Grecia, pudieron reunir elementos electrónicos y basados en la luz en un mismo chip por primera vez . Este es un gran paso desde una perspectiva técnica, porque estos elementos actualmente deben fabricarse en chips separados y luego conectarse con cables.
Hay consecuencias para este enfoque: por un lado, fabricar los chips electrónicos y fotónicos por separado es costoso. Por otro lado, obstaculiza el rendimiento durante la conversión de señales electrónicas en señales luminosas y, por lo tanto, limita la velocidad de transmisión en redes de comunicación de fibra óptica, explica Ueli Koch, un postdoc en el grupo de Leuthold y autor principal del estudio, que se publicó en el revista Nature Electronics.
Tamaño compacto para máxima velocidad
El nuevo chip, altamente compacto, reúne por primera vez los elementos electrónicos y de luz más rápidos en un solo componente. (Imagen: ETH Zurich / Nature Electronics)
“Si convierte las señales electrónicas en señales luminosas utilizando chips separados, pierde una cantidad significativa de calidad de señal. Esto también limita la velocidad de transmisión de datos usando la luz ”, dice Koch. Por lo tanto, su enfoque comienza con el modulador, un componente en el chip que genera luz de una intensidad dada al convertir las señales eléctricas en ondas de luz. El tamaño del modulador debe ser lo más pequeño posible para evitar una pérdida de calidad e intensidad en el proceso de conversión, y para transmitir la luz, o más bien los datos, más rápido de lo que es posible hoy (ver ETH News, 01.02 .2016).
Esta compacidad se logra colocando los componentes electrónicos y fotónicos fuertemente uno encima del otro, como dos capas, y conectándolos directamente al chip por medio de “vías en chip”. Esta estratificación de la electrónica y la fotónica acorta las rutas de transmisión y reduce las pérdidas en términos de calidad de la señal. A medida que la electrónica y la fotónica se implementan en un solo sustrato, los investigadores describen este enfoque como “cointegración monolítica”.
Durante los últimos 20 años, el enfoque monolítico ha fallado porque los chips fotónicos son mucho más grandes que los electrónicos. Esto evitó que se combinaran en un solo chip, dice Juerg Leuthold. El tamaño de los elementos fotónicos hace que sea imposible combinarlos con la tecnología de semiconductores de óxido de metal (CMOS) que prevalece en la electrónica actual.
Plasmonics: poción mágica para chips semiconductores
“Ahora hemos superado la diferencia de tamaño entre la fotónica y la electrónica reemplazando la fotónica por plasmónica”, dice Leuthold. Durante diez años, los científicos han estado prediciendo que los plasmónicos, que es una rama de la fotónica, podrían proporcionar la base para chips ultrarrápidos. Plasmonics se puede utilizar para exprimir ondas de luz en estructuras que son mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz (ver ETH News, 18.11.2019).
Como los chips plasmónicos son más pequeños que los electrónicos, ahora es posible fabricar chips monolíticos mucho más compactos que incorporan una capa fotónica y una electrónica. Para luego convertir las señales eléctricas en ópticas aún más rápidas, la capa fotónica (vista en rojo en el gráfico) contiene un modulador de intensidad plasmónica. Esto se basa en estructuras metálicas que canalizan la luz para alcanzar velocidades más altas.
Combinado para una velocidad récord
Esto se suma a un aumento de velocidad en la capa electrónica (visto en azul en el gráfico). En un proceso conocido como “multiplexación 4: 1”, cuatro señales de entrada de baja velocidad se agrupan y amplifican para que, juntas, formen una señal eléctrica de alta velocidad. “Esto se convierte en una señal óptica de alta velocidad”, dice Koch. “De esta manera, pudimos transmitir datos en un chip monolítico a una velocidad de más de 100 gigabits por segundo por primera vez”.
Para alcanzar esta velocidad récord, los investigadores combinaron plasmónicos no solo con la electrónica CMOS clásica sino también con la tecnología BiCMOS aún más rápida. También utilizaron un nuevo material electroóptico estable a la temperatura de la Universidad de Washington, así como información de los proyectos Horizon 2020 PLASMOfab y plaCMOS. Según Leuthold, su experimento mostró que estas tecnologías se pueden combinar para crear uno de los chips compactos más rápidos: “Estamos convencidos de que esta solución también puede allanar el camino para una transmisión de datos más rápida en las redes de comunicación óptica del futuro”.
Referencias:
Koch, U., Uhl, C., Hettrich, H. y col. Un transmisor monolítico bipolar CMOS electrónico-plasmónico de alta velocidad. Nature Electronics 3, 338–345 (2020). DOI: 10.1038 / s41928-020-0417-9
Koch, U. Un transmisor monolítico bipolar CMOS electrónico plasmónico de alta velocidad. Dispositivo de investigación de la naturaleza e ingeniería de materiales, Behind the Paper. devicematerialscommunity.nature.com/users/407225-ueli-koch/posts/a-monolithic-bipolar-cmos-electronic-plasmonic-high-speed-transmitter
Moazeni, S. CMOS y plasmonics se acercan. Nature Electronics 3, 302–303 (2020). DOI: 10.1038 / s41928-020-0426-8
Más información: Instituto de Campos Electromagnéticos (IEF)
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