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Un interruptor óptico de silicio, desarrollado recientemente en los Laboratorios Nacionales Sandia, es el primero en transmitir hasta 10 gigabits por segundo de datos a temperaturas apenas unos grados por encima del cero absoluto. El dispositivo podría permitir la transmisión de datos para computadoras superconductoras de próxima generación que almacenan y procesan datos a temperaturas criogénicas. Aunque estas supercomputadoras aún son experimentales, podrían ofrecer velocidades de computación diez veces superiores a las de las computadoras actuales, a la vez que reducen significativamente el consumo de energía.
El hecho de que el interruptor funcione en un rango de temperaturas, ofrezca una transmisión rápida de datos y requiera poca energía también podría hacerlo útil para transmitir datos desde instrumentos utilizados en el espacio, donde la energía es limitada y las temperaturas varían ampliamente.
"Conectar sistemas eléctricos a temperaturas muy frías es un gran desafío, pero la óptica puede ofrecer una solución", afirmó el investigador principal Michael Gehl, de los Laboratorios Nacionales Sandia, Nuevo México. "Nuestro diminuto interruptor permite la transmisión de datos fuera del ambiente frío mediante luz que viaja a través de una fibra óptica, en lugar de electricidad".
En Optica , la revista de investigación de alto impacto de la Sociedad Óptica , Gehl y sus colegas describen su nuevo modulador de microdisco de silicio y demuestran que puede transmitir datos en entornos con temperaturas de hasta 4,8 Kelvin. El dispositivo se fabricó con técnicas estándar para chips informáticos CMOS, lo que significa que se integra fácilmente en chips que contienen componentes electrónicos.
"Este es uno de los primeros ejemplos de un dispositivo óptico de silicio activo que opera a tan baja temperatura", afirmó Gehl. "Nuestro dispositivo podría revolucionar las tecnologías que se ven limitadas por la velocidad de transmisión eléctrica de información dentro y fuera de un entorno frío".
La óptica destaca a bajas temperaturas
Para aplicaciones de baja temperatura, los métodos ópticos ofrecen varias ventajas sobre la transmisión eléctrica de datos. Dado que los cables eléctricos conducen el calor, a menudo lo introducen en un sistema que necesita mantenerse frío. Las fibras ópticas, en cambio, casi no transmiten calor. Además, una sola fibra óptica puede transmitir más datos a mayor velocidad que un cable eléctrico, lo que significa que una sola fibra puede realizar la función de varias conexiones eléctricas.
El modulador de microdisco requiere muy poca energía para funcionar (alrededor de 1.000 veces menos energía que los interruptores electroópticos disponibles comercialmente en la actualidad ), lo que también ayuda a reducir el calor que el dispositivo aporta al ambiente frío.
Para crear el nuevo dispositivo, los investigadores fabricaron una pequeña guía de ondas de silicio (utilizada para transmitir ondas de luz) junto a un microdisco de silicio de tan solo 3,5 micras de diámetro. La luz que atraviesa la guía de ondas se introduce en el microdisco y lo rodea, en lugar de atravesarlo directamente. Al añadir impurezas al microdisco de silicio, se crea una unión eléctrica a la que se puede aplicar un voltaje. El voltaje modifica las propiedades del material de forma que impide que la luz entre en el disco y, en su lugar, pasa a través de la guía de ondas. Esto significa que la señal luminosa se enciende y se apaga a medida que el voltaje se enciende y se apaga, lo que permite convertir los unos y los ceros que componen los datos eléctricos en una señal óptica.
Aunque otros grupos de investigación han diseñado dispositivos similares, Gehl y sus colegas son los primeros en optimizar la cantidad de impurezas utilizadas y su ubicación exacta para permitir que el modulador de microdisco funcione a bajas temperaturas. Su enfoque podría utilizarse para crear otros dispositivos electroópticos que funcionen a bajas temperaturas.
Baja tasa de error
Para probar el modulador de microdisco, los investigadores lo colocaron dentro de un criostato, una pequeña cámara de vacío que puede enfriar su interior a temperaturas muy bajas. El modulador de microdisco convirtió la señal eléctrica enviada al criostato en una señal óptica. Posteriormente, los investigadores examinaron la señal óptica emitida por el criostato para medir su correspondencia con los datos eléctricos entrantes.
Los investigadores operaron su dispositivo a temperatura ambiente, 100 Kelvin y 4,8 Kelvin, con diversas velocidades de datos de hasta 10 gigabits por segundo. Si bien observaron un ligero aumento de errores con la velocidad de datos más alta y la temperatura más baja, la tasa de error seguía siendo lo suficientemente baja como para que el dispositivo fuera útil para la transmisión de datos.
Este trabajo se basa en años de esfuerzo en el desarrollo de dispositivos fotónicos de silicio para aplicaciones de comunicación óptica y computación de alto rendimiento, liderados por el grupo de Microsistemas de Fotónica Aplicada de Sandia. Como siguiente paso, los investigadores quieren demostrar que su dispositivo funciona con datos generados dentro del entorno de baja temperatura, en lugar de solo señales eléctricas provenientes del exterior del criostato. Además, continúan optimizando el rendimiento del dispositivo.
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