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Unas lentes de tiempo logran acelerar los datos ópticos

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Un dispositivo de silicio, eficiente en cuanto a uso de energía, comprime la luz para crear señales ultrarrápidas.

  • por Katherine Bourzac | traducido por Francisco Reyes (Opinno)
  • 28 Septiembre, 2009

Un equipo de investigadores en la Universidad Cornell han desarrollado un sencillo dispositivo de silicio para aumentar la velocidad de los datos ópticos. El dispositivo incorpora un chip de silicio llamado “lente de tiempo,” así como fibra óptica y un láser. Lo que hace es dividir un flujo de datos codificado a 10 gigabits por segundo, lo vuelve a unir, y devuelve los mismos datos a 270 gigabits por segundo. El aumento de la velocidad de transmisión de los datos ópticos normalmente requiere el uso de aparatos ópticos de gran tamaño y precio elevado, así como una gran cantidad de energía. El nuevo sistema es eficiente en cuanto a energía y está integrado en un chip de silicio compacto. Podría utilizarse para transportar enormes cantidades de datos a altas velocidades a través de internet, así como en chips ópticos dentro de los ordenadore

La mayoría de los datos de telecomunicaciones en la actualidad se codifican a 10 gigabits por segundo. A medida que los ingenieros han intentado alcanzar mayores anchos de banda, se han topado con el mismo problema. “Al alcanzar grandes cuotas de datos, la codificación se hace muy compleja,” afirma Alexander Gaeta, profesor de ingeniería física y física aplicada en la Universidad de Cornell, y que desarrolló el dispositivo de silicio junto a Michal Lipson, profesora asociadoa de ingeniería eléctrica e informática. Su trabajo está descrito por internet en la revista Nature Photonics.

El nuevo dispositivo también podría suponer un paso de importancia crítica dentro del desarrollo de chips ópticos. Al tiempo que los dispositivos electrónicos se hacen más veloces, “el consumo de energía cada vez se convierte en un problema mayor, especialmente al nivel del chip,” afirma Keren Bergman, profesora de ingeniería eléctrica en la Universidad de Columbia, y que no estuvo involucrada en la investigación. “No puedes hacer que tu ordenador portátil funcione más rápido sin que se caliente más” y consuma más energía, afirma Bergman. Los aparatos electrónicos tienen un límite de 100 gigahercios. Los chips ópticos podrían hacer que los ordenadores funcionasen más rápidamente sin generar calor residual, aunque debido a la naturaleza de la luz—a los fotones no les gusta interactuar—hace falta mucha energía para crear señales ópticas veloces.

El nuevo modulador ultrarrápido soluciona este problema puesto que es capaz de comprimir los datos codificados con equipamiento convencional para conseguir velocidades ultra altas. El dispositivo de Cornell se denomina “telescopio de tiempo.” Mientras que las lentes normales cambian la forma espacial de una onda de luz, una lente de tiempo hace que se estire o se comprima a lo largo del tiempo. Brian Kolner, hoy día profesor de ciencia aplicada e ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de California, Davis, expuso el fundamento teórico de las lentes de tiempo en 1988 mientras trabajaba para Hewlett-Packard. Construyó una lente durante los años 90, pero requería un modulador de cristal de elevado precio y consumía mucha energía. El trabajo de Cornell, afirma Kolner, “es un paso adelante dentro de la ingeniería para convertir las pruebas de principio en una práctica útil.”

Así es como funciona es sistema de Cornell. En primer lugar, la señal se codifica con luz de láser utilizando un modulador convencional. La señal de luz se une al chip de Cornell a través de una bobina de fibra óptica, que la lleva a través de una guía de onda de silicio a escala nanométrica. Del mismo modo que un acorde de guitarra está hecho a partir de notas de varias cuerdas, la señal se compone de distintas frecuencias de luz. Mientras está en el chip, la señal interactúa con la luz procedente del láser, lo que hace que se divida y forme las distintas frecuencias. La luz viaja a través de un cable hasta otra guía onda de silicio nanométrica, donde interactúa con la luz proveniente del mismo láser. Durante el proceso, la señal se vuelve a unir, pero se altera su fase. Después abandona el chip a través de otra fibra óptica, a una cuota de 270 gigabits por segundo.

La física es compleja, pero el efecto neto, afirma Bergman, consiste en “tomar un flujo de bits de alguna manera lentos y hacer que viajen mucho más rápidamente. “ El telescopio de tiempo transmite más datos en menos tiempo, y lo hace forma eficiente en cuanto a la energía, puesto que sólo se necesita potencia para hacer funcionar el láser.

El dispositivo de Cornell se encuadra dentro de una serie de avances recientes dentro de la fotónica de silicio. “El silicio es un material electrónico impresionante, y durante algún tiempo se consideraba un material óptico algo mediocre,” afirma Gaeta. A lo largo de los últimos cinco años los investigadores le han dado la vuelta a esa percepción. En 2005, un equipo de investigadores de Intel construyó el primer láser de silicio; a partir de ese momento se han creado otros componentes ópticos a partir del material, incluyendo moduladores—dispositivos para codificar la información en ondas de luz. “La gente sigue insistiendo en que hay que reemplazar el silicio si se quieren alcanzar grandes velocidades de proceso, pero puede que el silicio sea realmente la clave para conseguirlo,” afirma Gaeta.

Seguir utilizando el silicio tiene dos ventajas. En primer lugar, los fabricantes ya poseen la infraestructura necesaria para fabricar dispositivos con silicio. “Podemos maximizar todas las tecnologías que han sido desarrolladas dentro de la electrónica para crear dispositivos ópticos,” afirma Gaeta. Y si la electrónica y la óptica pueden compartir el mismo material, sería mucho más fácil integrarlas en el mismo chip y hacer que cada una lleve a cabo lo que se le da mejor: el procesado, en el caso de la electrónica, y la transmisión ultrarrápida de datos, en el caso de la óptica.

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