Investigadors del ETH de Zuric, han fabricat un xip on es poden convertir directament senyals electrònics en senyals de llum ultra ràpida, pràcticament sense pèrdua de qualitat del senyal. Això representa un avenç significatiu en quant a l’eficiència de les infraestructures de comunicacions òptiques que utilitzen la llum per transmetre dades, com són les xarxes de fibra òptica.
A Zuric, aquestes xarxes de fibra òptica ja s'estan utilitzant per oferir internet d'alta velocitat , telefonia digital, TV i serveis de vídeo o àudio per streaming. Tanmateix, a finals d’aquesta dècada, aquestes xarxes de comunicacions òptiques poden arribar als seus límits quan es tracta de la transmissió de dades a gran velocitat.
 |
| Font: ETH de Zurich |
Això es deu a la creixent demanda de serveis online per streaming, l'emmagatzematge i la computació, així com a l’arribada d’intel·ligència artificial i les xarxes 5G. Les actuals xarxes òptiques aconsegueixen taxes de transmissió de dades de Gigabits per segon. El límit és d’uns 100 gigabits per guia i longitud d’ona. En el futur, però, caldrà que les taxes de transmissió arribin a valors de Terabit.
Electrònica i llum en el mateix xip
La creixent demanda exigirà noves solucions. La clau d'aquest canvi de paradigma rau en combinar elements electrònics i fotònics en un sol xip. El camp de la fotònica (la ciència de les partícules de llum ) estudia tecnologies òptiques per a la transmissió, emmagatzematge i processament d’informació.
Els investigadors de l'ETH, han aconseguit aquesta combinació amb precisió: en un experiment realitzat en col·laboració amb Alemanya, els Estats Units, Israel i Grècia, van poder reunir per primera vegada elements electrònics i de llum en un mateix xip. Aquest és un gran pas des d’una perspectiva tècnica, perquè actualment aquests elements s’han de fabricar en xips separats i connectar-los amb cables.
Però aquest plantejament te inconvenients: d’una banda, fabricar els xips electrònics i fotònics per separat és costós. D’altra banda, dificulta el rendiment durant la conversió de senyals electrònics en senyals de llum i limita així la velocitat de transmissió a les xarxes de comunicació de fibra òptica.
Si es converteixen els senyals electrònics en senyals de llum mitjançant xips separats, es perd una quantitat important de qualitat del senyal. Això també limita la velocitat de transmissió de dades mitjançant la llum. Aquest plantejament, comença per tant amb el modulador, un component del xip que genera llum d’una intensitat determinada convertint els senyals elèctrics en ones de llum. La mida del modulador ha de ser la més petita possible per evitar una pèrdua de qualitat i intensitat en el procés de conversió i per transmetre la llum —o millor dit, les dades— més ràpidament del que és possible avui dia.
Aquesta compacitat s'aconsegueix col·locant els components electrònics i fotònics molt a prop els uns dels altres, com seria el cas de dues capes, i connectant-los directament al xip mitjançant. Aquesta capa d’electrònica i fotònica escurça els camins de transmissió i redueix les pèrdues en termes de qualitat del senyal. A mesura que l'electrònica i la fotònica s'implementen en un sol substrat, els investigadors anomenen a aquesta solució com a co-integració monolítica.
Durant els darrers vint anys, la proposta monolítica ha fallat perquè els xips fotònics són molt més grans que els electrònics. La mida dels elements fotònics fa que sigui impossible combinar-los amb la tecnologia de semiconductors d'òxids metàl·lics (CMOS) que avui predomina en l'electrònica.
Plasmonics: Una poció màgica per a xips de semiconductors
Ara s'ha superat la diferència de mida entre fotònica i electrònica substituint la fotònica per plasmònica. Des de fa deu anys, els científics han estat pronosticant que la plasmònica, que és una branca de la fotònica, podria proporcionar els fonaments dels xips ultra ràpids. Els plasmònics es poden utilitzar per gestionar ones de llum en estructures molt més petites que la longitud d’ona de la llum.
 |
| Font: ETH de Zurich |
Com que els xips plasmònics són més petits que els electrònics, actualment és possible fabricar xips monolítics molt més compactes que incorporen una capa fotònica i una electrònica. Per convertir els senyals elèctrics en òptics, encara més ràpids, la capa fotònica (en vermell en el gràfic) conté un modulador d’intensitat plasmònic. Es basa en estructures metàl·liques que canalitzen la llum per assolir velocitats més altes.
velocitat rècord
Un augment de velocitat de la capa electrònica (en blau al gràfic), es un procés conegut com a multiplexació 4: 1, de quatre senyals d'entrada a velocitat inferior que s'agrupen i amplifiquen de manera que, junts, formen un senyal elèctric d'alta velocitat. Això es converteix en un senyal òptic d'alta velocitat. D'aquesta manera, per primera vegada es va poder transmetre dades per un xip monolític a una velocitat de més de 100 Gbps.
Per assolir aquesta velocitat rècord, els investigadors van combinar la plasmònica no només amb la clàssica electrònica CMOS, sinó també amb la tecnologia BiCMOS, encara més ràpida. També van utilitzar un nou material electro-òptic estable a la temperatura de la Universitat de Washington, així com informació sobre els projectes Horizon 2020 PLASMOfab i PlaCMOS. Per això es va demostrar que aquestes tecnologies es poden combinar per crear un dels xips compactes més ràpids.
Font: ETH de Zurich
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada