mayo 16, 2022

La gama más grande y rápida de ‘policías de tráfico’ microscópicos para comunicaciones ópticas

Los ingenieros de la Universidad de California en Berkeley han construido un nuevo interruptor fotónico que puede controlar la dirección de la luz que pasa a través de las fibras ópticas de manera más rápida y eficiente que nunca. Este «policía de tráfico» óptico podría algún día revolucionar la forma en que la información viaja a través de los centros de datos y las supercomputadoras de alto rendimiento que se utilizan para la inteligencia artificial y otras aplicaciones de uso intensivo de datos.

interruptor fotónico que puede controlar la dirección de la luz que pasa a través de las fibras ópticas de manera más rápida y eficiente que nunca
El interruptor fotónico está construido con más de 50.000 «interruptores de luz» microscópicos grabados en una oblea de silicio. Cada interruptor de luz (pequeños cuadrados elevados) dirige uno de los 240 pequeños rayos de luz para que gire a la derecha cuando el interruptor está encendido o pase directamente cuando el interruptor está apagado. (Gráfico de Younghee Lee)

El interruptor fotónico está construido con más de 50.000 «interruptores de luz» microscópicos, cada uno de los cuales dirige uno de los 240 pequeños rayos de luz para girar a la derecha cuando el interruptor está encendido o para pasar directamente cuando el interruptor está apagado. La matriz de interruptores de 240 por 240 está grabada en una oblea de silicio y cubre un área solo un poco más grande que un sello postal.

«Por primera vez en un interruptor de silicio, nos acercamos a los interruptores grandes que las personas solo pueden construir usando ópticas masivas», dijo Ming Wu, profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación en UC Berkeley y autor principal del artículo, que apareció en línea. 11 de abril en la revista Optica . “Nuestros conmutadores no solo son grandes, sino que son 10.000 veces más rápidos, por lo que podemos cambiar las redes de datos de formas interesantes en las que pocas personas han pensado”.

Interruptor fotónico mucho más rápido que los actuales

Actualmente, los únicos interruptores fotónicos que pueden controlar cientos de rayos de luz a la vez están construidos con espejos o lentes que deben girarse físicamente para cambiar la dirección de la luz. Cada turno tarda aproximadamente una décima de segundo en completarse, lo que equivale a eones en comparación con las tasas de transferencia de datos electrónicos. 

El nuevo interruptor fotónico se construye utilizando pequeñas estructuras de silicio integradas que pueden encenderse y apagarse en una fracción de microsegundo, acercándose a la velocidad necesaria para su uso en redes de datos de alta velocidad.

interruptor fotónico que puede controlar la dirección de la luz que pasa a través de las fibras ópticas de manera más rápida y eficiente que nunca
El interruptor fotónico se fabrica utilizando una técnica llamada fotolitografía, en la que cada estructura de «interruptor de luz» se graba en una oblea de silicio. Cada cuadrado gris claro de la oblea contiene 6.400 de estos interruptores. (Foto de Kyungmok Kwon)

Policías de tráfico en la autopista de la información

Los centros de datos, donde se almacenan nuestras fotos, videos y documentos guardados en la nube, están compuestos por cientos de miles de servidores que constantemente envían información de un lado a otro. Los interruptores eléctricos actúan como policías de tráfico, asegurándose de que la información enviada desde un servidor llegue al servidor de destino y no se pierda en el camino.

Pero a medida que las tasas de transferencia de datos continúan creciendo, estamos llegando a los límites de lo que pueden manejar los interruptores eléctricos, dijo Wu.

“Los interruptores eléctricos generan mucho calor, por lo que, aunque podríamos meter más transistores en un interruptor, el calor que generan está comenzando a presentar ciertos límites”, dijo. “La industria espera continuar la tendencia durante quizás dos generaciones más y, después de eso, algo más fundamental tiene que cambiar. Algunas personas piensan que la óptica puede ayudar «.

En cambio, las redes de servidores podrían conectarse mediante fibras ópticas, con conmutadores fotónicos actuando como policías de tráfico, dijo Wu. Los interruptores fotónicos requieren muy poca energía y no generan calor, por lo que no enfrentan las mismas limitaciones que los interruptores eléctricos. Sin embargo, los interruptores fotónicos actuales no pueden acomodar tantas conexiones y también están plagados de pérdida de señal, esencialmente «atenuando» la luz cuando pasa a través del interruptor, lo que dificulta la lectura de los datos codificados una vez que llegan a su destino.

En el nuevo interruptor fotónico, los haces de luz viajan a través de una serie de canales delgados como nanómetros hasta llegar a estos interruptores de luz individuales, cada uno de los cuales está construido como un paso elevado microscópico de la autopista. Cuando el interruptor está apagado, la luz viaja directamente a través del canal. La aplicación de un voltaje enciende el interruptor, bajando una rampa que dirige la luz a un canal más alto, que lo gira 90 grados. Otra rampa vuelve a bajar la luz a un canal perpendicular.

interruptor fotónico que puede controlar la dirección de la luz que pasa a través de las fibras ópticas de manera más rápida y eficiente que nunca
Cada «interruptor de luz» individual está construido como un paso elevado microscópico de una autopista. Cuando el interruptor está apagado, la luz pasa directamente a través de un canal inferior (líneas rojas). Al encender el interruptor, se baja una pequeña rampa, que dirige la luz a un canal superior para girar a la derecha (líneas azules). Una segunda rampa vuelve a bajar la luz. (Imagen de Tae Joon Seok)

«Es literalmente como una rampa de autopista», dijo Wu. “Toda la luz se enciende, hace un giro de 90 grados y luego vuelve a bajar. Y este es un proceso muy eficiente, más eficiente que lo que todos los demás están haciendo con la fotónica de silicio. Es este mecanismo el que nos permite hacer interruptores de menor pérdida «.

El equipo utiliza una técnica llamada fotolitografía para grabar las estructuras de conmutación en obleas de silicio. Actualmente, los investigadores pueden hacer estructuras en una matriz de 240 por 240 (240 entradas de luz y 240 salidas de luz) con pérdida de luz limitada, lo que lo convierte en el interruptor basado en silicio más grande jamás reportado. Están trabajando para perfeccionar su técnica de fabricación para crear interruptores aún más grandes.

“Los conmutadores más grandes que utilizan ópticas masivas están disponibles comercialmente, pero son muy lentos, por lo que se pueden utilizar en una red que no se cambia con demasiada frecuencia”, dijo Wu. “Ahora, las computadoras funcionan muy rápido, por lo que si desea mantenerse al día con la velocidad de la computadora, necesita una respuesta del interruptor mucho más rápida. Nuestro conmutador es del mismo tamaño, pero mucho más rápido, por lo que permitirá nuevas funciones en las redes de centros de datos «.

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