Cada segundo, terabytes de datos (el equivalente a descargar miles de películas a la vez) viajan alrededor del mundo como luz en cables de fibra óptica, como tantos autos llenos en una autopista de alta velocidad. Cuando esta información llega a los centros de datos, necesita un sistema de conmutación, al igual que los coches necesitan semáforos, para salir de la autopista de forma ordenada.
Hasta ahora, los interruptores fotónicos utilizados para enrutar señales ópticas se han visto obstaculizados por un equilibrio fundamental entre tamaño y velocidad: los interruptores más grandes pueden manejar más velocidad y más datos, pero también consumen más energía, ocupan más espacio físico y aumentan los costos.
Acelerando la autopista de la información
En un nuevo periódico Fotónica de la naturalezainvestigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania (Penn Engineering) describen la creación de un novedoso interruptor fotónico que supera este equilibrio entre tamaño y velocidad. Y con sólo 85 por 85 micrómetros, las unidades del nuevo interruptor son más pequeñas que un grano de sal.
Al combinar luz a nanoescala con una eficiencia sin precedentes, el nuevo interruptor acelera el proceso de encender y apagar la superautopista de la información literal de los cables de fibra óptica que rodean el mundo. “Acelera todo, desde reproducir películas hasta entrenar IA”, dice Liang Feng, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) e Ingeniería Eléctrica y de Sistemas (ESE) y autor principal del artículo.
La mecánica cuántica se encuentra con la óptica.
El nuevo interruptor se basa en la física no hermitiana, una rama de la mecánica cuántica que explora cómo algunos sistemas se comportan de maneras inusuales, dando 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”, afirma Xilin Feng, estudiante de doctorado en ESE y primer autor del artículo. En otras palabras, la física única en juego permite a los investigadores controlar el flujo de luz en un chip diminuto, brindando un control preciso sobre la conectividad de cualquier red basada en luz.
El resultado es que el nuevo conmutador puede redirigir señales en billonésimas de segundo con un consumo de energía mínimo. “Es aproximadamente mil millones de veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos”, afirma Shuang Wu, estudiante de doctorado en MSE y coautor del artículo. “Los conmutadores anteriores eran pequeños o rápidos, pero es muy difícil lograr ambas características al mismo tiempo”.
Usando silicio para escalabilidad
El nuevo interruptor está fabricado parcialmente de silicio, un material estándar de la industria económico y ampliamente disponible. “La conmutación no hermitiana nunca antes se había demostrado en una plataforma fotónica de silicio”, dice Wu. “En teoría, la incorporación de silicio al interruptor podría facilitar la producción en masa del dispositivo y su adopción generalizada en la industria”. tecnologías, desde computadoras hasta teléfonos inteligentes, lo que hace que el dispositivo sea totalmente compatible con las fundiciones de fotónica de silicio existentes, que son unidades de procesamiento de gráficos. (GPU) fabrica chips avanzados para dispositivos como
Del concepto al prototipo
Además de la capa de silicio, el interruptor consta de un tipo especial de semiconductor, hecho de fosfuro de arseniuro de indio y galio (InGaAsP), un material que es particularmente eficaz para absorber longitudes de onda de luz infrarroja como las que se transmiten comúnmente en los cables ópticos submarinos.
Unir las dos capas resultó un desafío y fueron necesarios varios intentos para crear un prototipo funcional. “Es como hacer un sándwich”, dice Xilin Feng, refiriéndose a agregar capas entre sí en caso de que alguna de esas capas esté desalineada aunque sea en un pequeño grado, por lo que el sándwich será completamente incomible. “La alineación requiere precisión nanométrica”, señala Wu.
Cambiando los centros de datos
En última instancia, dicen los investigadores, el nuevo interruptor beneficiará no sólo a los físicos cognitivos, que ahora pueden explorar más a fondo la física no hermitiana en la que se basa el interruptor, sino también a las empresas que mantienen centros y edificios de datos, y a los miles de millones de consumidores que dependen de ellos. . . “Los datos sólo pueden circular tan rápido como podamos controlarlos”, afirma Liangfeng. “Y en nuestros experimentos demostramos que el límite de velocidad de nuestro sistema es de sólo 100 picosegundos”.
Este estudio se realizó en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania y contó con el apoyo de la Oficina de Investigación del Ejército (ARO) (W911NF-21-1-0148 y W911NF-22-1-0140), la Oficina de Investigación Naval (ONR ). ) (N00014-23-1-2882) y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) (ECCS-2023780, DMR-2326698, DMR-2326699 y DMR-2117775).
Otros coautores incluyen a Tianwei Wu, Zihe Gao, Haoqi Zhao y Yichi Zhang de Penn Engineering y Li Ge de la City University de Nueva York.
