Views: 63
– Os pesquisadores construíram um chip ultra-rápido que pode acelerar a transmissão de dados em redes de fibra óptica. O chip combina várias inovações ao mesmo tempo e, dada a crescente demanda por streaming e serviços online, representa um desenvolvimento significativo.
Cortesia da ETH por Florian Mayer: Pesquisadores da ETH Zurich alcançaram o que os cientistas tentam fazer há cerca de 20 anos: em seus trabalhos de laboratório como parte dos projetos de pesquisa do Horizonte Europeu 2020, eles fabricaram um chip no qual sinais eletrônicos rápidos podem ser convertidos diretamente em sinais de luz ultrarrápidos – praticamente sem perda da qualidade do sinal. Isso representa um avanço significativo em termos de eficiência das infra-estruturas de comunicação óptica que usam luz para transmitir dados, como redes de fibra óptica.
Em cidades como Zurique, essas redes de fibra óptica já estão sendo usadas para fornecer serviços de alta velocidade à Internet, telefonia digital, TV e vídeo ou áudio baseados em rede (“streaming”). No entanto, até o final desta década, mesmo essas redes de comunicação óptica podem atingir seus limites quando se trata de transmissão rápida de dados.
Isso se deve à crescente demanda por serviços on-line para streaming, armazenamento e computação, bem como ao advento da inteligência artificial e das redes 5G. As redes ópticas de hoje atingem taxas de transmissão de dados na região de gigabits (109 bits) por segundo. O limite é de cerca de 100 gigabits por faixa e comprimento de onda. No futuro, no entanto, as taxas de transmissão precisarão atingir a região de terabit (1012 bits por segundo).
Novo: eletrônicos e luz no mesmo chip
“A crescente demanda exigirá novas soluções”, diz Juerg Leuthold, professor de fotônica e comunicações da ETH. “A chave para essa mudança de paradigma está na combinação de elementos eletrônicos e fotônicos em um único chip”. O campo da fotônica (a ciência das partículas de luz) estuda tecnologias ópticas para a transmissão, armazenamento e processamento de informações.
Agora, os pesquisadores da ETH alcançaram exatamente essa combinação: em um experimento realizado em colaboração com parceiros na Alemanha, EUA, Israel e Grécia, eles foram capazes de reunir elementos eletrônicos e baseados em luz em um único chip pela primeira vez. . Este é um grande passo do ponto de vista técnico, porque esses elementos atualmente precisam ser fabricados em chips separados e depois conectados com fios.
Há consequências para essa abordagem: por um lado, fabricar os chips eletrônicos e fotônicos separadamente é caro. Por outro lado, isso prejudica o desempenho durante a conversão de sinais eletrônicos em sinais de luz e, portanto, limita a velocidade de transmissão nas redes de comunicação por fibra óptica, explica Ueli Koch, pós-doc do grupo de Leuthold e principal autor do estudo, publicado no revista Nature Electronics.
Tamanho compacto para velocidade máxima
“Se você converter os sinais eletrônicos em sinais de luz usando chips separados, perderá uma quantidade significativa de qualidade do sinal. Isso também limita a velocidade de transmissão de dados usando a luz ”, diz Koch. Sua abordagem, portanto, começa com o modulador, um componente no chip que gera luz de uma dada intensidade convertendo os sinais elétricos em ondas de luz. O tamanho do modulador deve ser o menor possível para evitar perda de qualidade e intensidade no processo de conversão e para transmitir a luz – ou melhor, os dados – mais rapidamente do que é possível hoje (ver ETH News, 01.02 .2016).
Essa compactação é obtida colocando os componentes eletrônicos e fotônicos firmemente uns sobre os outros, como duas camadas, e conectando-os diretamente ao chip por meio de “vias no chip”. Essa estratificação dos componentes eletrônicos e fotônicos reduz os caminhos de transmissão e reduz as perdas em termos de qualidade do sinal. Como a eletrônica e a fotônica são implementadas em um único substrato, os pesquisadores descrevem essa abordagem como “co-integração monolítica”.
Nos últimos 20 anos, a abordagem monolítica falhou porque os chips fotônicos são muito maiores que os eletrônicos. Isso impediu que eles fossem combinados em um único chip, diz Juerg Leuthold. O tamanho dos elementos fotônicos torna impossível combiná-los com a tecnologia de semicondutor de óxido metálico (CMOS), que prevalece atualmente nos eletrônicos.
Plasmonics: poção mágica para chips semicondutores
“Agora, superamos a diferença de tamanho entre a fotônica e a eletrônica, substituindo a fotônica por plasmonics”, diz Leuthold. Por dez anos, os cientistas previram que a plasmonics, que é um ramo da fotônica, poderia fornecer a base para chips ultra-rápidos. Plasmonics pode ser usado para espremer ondas de luz em estruturas que são muito menores que o comprimento de onda da luz (ver ETH News, 18.11.2019).
Como os chips plasmônicos são menores que os eletrônicos, agora é possível fabricar chips monolíticos muito mais compactos que incorporam uma camada fotônica e uma camada eletrônica. Para então converter os sinais elétricos em sinais ópticos ainda mais rápidos, a camada fotônica (vista em vermelho no gráfico) contém um modulador de intensidade plasmônica. Isso é baseado em estruturas metálicas que canalizam a luz para atingir velocidades mais altas.
Combinado para velocidade recorde
Isso é um acréscimo ao aumento de velocidade na camada eletrônica (vista em azul no gráfico). Em um processo conhecido como “multiplexação 4: 1”, quatro sinais de entrada de velocidade mais baixa são agrupados e amplificados para que, juntos, eles formem um sinal elétrico de alta velocidade. “Isso é convertido em um sinal óptico de alta velocidade”, diz Koch. “Dessa forma, conseguimos transmitir dados em um chip monolítico a uma velocidade de mais de 100 gigabits por segundo pela primeira vez”.
Para atingir essa velocidade recorde, os pesquisadores combinaram plasmonics não apenas com a eletrônica clássica do CMOS, mas também com a tecnologia BiCMOS ainda mais rápida. Eles também fizeram uso de um novo material eletro-óptico, estável à temperatura, da Universidade de Washington, além de informações dos projetos PLASMOfab e plaCMOS do Horizonte 2020. Segundo Leuthold, seu experimento mostrou que essas tecnologias podem ser combinadas para criar um dos chips compactos mais rápidos: “Estamos convencidos de que esta solução também pode abrir caminho para uma transmissão de dados mais rápida em redes de comunicação óptica do futuro”.
Referências:
Koch, U., Uhl, C., Hettrich, H. et ai. Um transmissor eletrônico-plasmônico de alta velocidade bipolar CMOS monolítico. Nature Electronics 3, 338-345 (2020). DOI: 10.1038 / s41928-020-0417-9
Koch, U. Um transmissor de alta velocidade plasmônico eletrônico monolítico bipolar CMOS. Dispositivo de pesquisa da natureza e engenharia de materiais, por trás do papel. devicematerialscommunity.nature.com/users/407225-ueli-koch/posts/a-monolithic-bipolar-cmos-electronic-plasmonic-high-speed-transmitter
Moazeni, S. CMOS e plasmonics se aproximam. Nature Electronics 3, 302-303 (2020). DOI: 10.1038 / s41928-020-0426-8
Mais informações: Instituto de Campos Eletromagnéticos (IEF)
Artigo relacionado: Um “interruptor de luz” super rápido para futuros carros e computadores