Cada segundo, terabytes de datos (el equivalente a descargar miles de películas a la vez) viajan alrededor del mundo como la luz en cables de fibra óptica, como tantos autos abarrotados en una autopista súper rápida. Cuando esa información llega al centro de datos, se necesita un sistema de conmutación, del mismo modo que un coche necesita 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 velocidades más altas y más datos, pero consumen más energía, ocupan más espacio físico y aumentan los costos.
Acelerar 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 manipular la luz a nanoescala con una eficiencia sin precedentes, el nuevo interruptor acelera el proceso de encender y apagar la autopista de la información literal de los cables de fibra óptica que rodean el mundo. “Esto tiene el potencial de acelerar todo, desde la transmisión de películas hasta el entrenamiento de IA”, dijo Liang Feng, de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) e Ingeniería de Sistemas y Eléctrica (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 ciertos sistemas se comportan de maneras inusuales, dando a los investigadores más 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”, dijo 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 pequeños chips, lo que permite un control preciso sobre la conectividad de cualquier red basada en luz.
El resultado es que el nuevo interruptor puede redirigir señales en billonésimas de segundo con un consumo mínimo de energía. “Esto es aproximadamente mil millones de veces más rápido que un abrir y cerrar de ojos”, afirmó Shuang Wu, estudiante de doctorado en MSE y coautor del artículo. “Los conmutadores anteriores eran más pequeños o más rápidos, pero lograr esas dos características simultáneamente es muy, muy difícil”.
Usando silicio para escalabilidad
El nuevo interruptor también destaca por estar fabricado parcialmente de silicio, un material estándar industrial barato y ampliamente disponible. “La conmutación no hermitiana nunca antes se había demostrado en una plataforma fotónica de silicio”, dijo Wu. En teoría, la incorporación de silicio al interruptor facilitaría la ampliación del dispositivo para su producción en masa y su adopción generalizada en la industria. El silicio es un componente clave en la mayoría de las tecnologías, desde computadoras hasta teléfonos inteligentes; La fabricación del dispositivo con silicio lo hace totalmente compatible con las fundiciones fotónicas de silicio existentes, que producen chips avanzados para dispositivos como unidades de procesamiento de gráficos (GPU).
Del concepto al prototipo
Por encima de la capa de silicio, el interruptor contiene un tipo específico de semiconductor, hecho de fosfuro de arseniuro de indio y galio (InGaAsP), un material que es particularmente eficaz en la manipulación de 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 requirió numerosos intentos para crear un prototipo funcional. “Es similar a hacer un sándwich”, dijo Xilin Feng, refiriéndose a agregar capas entre sí. Solo que, en este caso, si alguna de estas capas está desalineada aunque sea en el más mínimo grado, el sándwich será completamente incomible. “La alineación requiere precisión nanométrica”, señala Wu.
Transformación del centro de datos
En última instancia, dicen los investigadores, el nuevo interruptor beneficiará no sólo a los físicos académicos, 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 y construyen centros de datos y a los miles de millones de usuarios que dependen de ellos. . . “Los datos sólo pueden ir tan rápido como podamos controlarlos”, dijo Liang Feng “Y en nuestros experimentos demostramos que el límite de velocidad de nuestro sistema es de sólo 100 picosegundos”.
Esta investigación se llevó a cabo 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, Jihe Gao, Haoqi Zhao y Yizhi Zhang de Penn Engineering y Li Ji de la City University de Nueva York.