Un interruptor óptico para procesar datos usando fotones
Ingenieros de Caltech han desarrollado un interruptor, uno de los componentes más fundamentales de la informática, utilizando componentes ópticos en lugar de electrónicos.
El desarrollo podría ayudar a los esfuerzos para lograr el procesamiento y la computación ultrarrápidos de señales totalmente ópticas.
Los dispositivos ópticos tienen la capacidad de transmitir señales mucho más rápido que los dispositivos eléctricos mediante el uso de pulsos de luz en lugar de señales eléctricas. Es por eso que los dispositivos modernos a menudo emplean la óptica para enviar datos; por ejemplo, cables de fibra óptica que brindan velocidades de Internet mucho más rápidas que los cables Ethernet convencionales.
El campo de la óptica tiene el potencial de revolucionar la informática al hacer más, a mayor velocidad y con menos energía. Sin embargo, una de las principales limitaciones de los sistemas basados en la óptica en la actualidad es que, en cierto punto, todavía necesitan transistores basados en la electrónica para procesar los datos de manera eficiente.
Ahora, utilizando el poder de la no linealidad óptica, un equipo dirigido por Alireza Marandi, profesora asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada en Caltech, ha creado un interruptor totalmente óptico. Tal interruptor podría eventualmente permitir el procesamiento de datos usando fotones. La investigación fue publicada en la revista Nature Photonics.
Los interruptores se encuentran entre los componentes más simples de una computadora. Una señal ingresa al interruptor y, dependiendo de ciertas condiciones, el interruptor permite que la señal avance o la detiene. Esa propiedad de encendido/apagado es la base de las puertas lógicas y la computación binaria, y es para lo que se diseñaron los transistores digitales.
Sin embargo, hasta este nuevo trabajo, lograr la misma función con la luz ha resultado difícil. A diferencia de los electrones en los transistores, que pueden afectar fuertemente el flujo de los demás y, por lo tanto, causar un "cambio", los fotones generalmente no interactúan fácilmente entre sí.
Dos cosas hicieron posible el avance: el material que usó el equipo de Marandi y la forma en que lo usaron. En primer lugar, eligieron un material cristalino conocido como niobato de litio, una combinación de niobio, litio y oxígeno que no se encuentra en la naturaleza pero que, en los últimos 50 años, ha demostrado ser esencial en el campo de la óptica. El material es inherentemente no lineal: debido a la forma especial en que los átomos están dispuestos en el cristal, las señales ópticas que produce como salidas no son proporcionales a las señales de entrada.
Si bien los cristales de niobato de litio se han utilizado en óptica durante décadas, más recientemente, los avances en las técnicas de nanofabricación han permitido a Marandi y su equipo crear dispositivos fotónicos integrados basados en niobato de litio que permiten el confinamiento de la luz en un espacio diminuto. Cuanto menor sea el espacio, mayor será la intensidad de la luz con la misma cantidad de energía. Como resultado, los pulsos de luz que transportan información a través de un sistema óptico de este tipo podrían proporcionar una respuesta no lineal más fuerte de lo que sería posible de otro modo.
Marandi y sus colegas también confinaron la luz temporalmente. Esencialmente, redujeron la duración de los pulsos de luz y utilizaron un diseño específico que mantendría los pulsos cortos a medida que se propagaban a través del dispositivo, lo que resultó en que cada pulso tuviera una potencia máxima más alta, informa Caltech en un comunicado.
El efecto combinado de estas dos tácticas, el confinamiento espaciotemporal de la luz, es mejorar sustancialmente la fuerza de la no linealidad para una energía de pulso dada, lo que significa que los fotones ahora se afectan entre sí con mucha más fuerza.
El resultado neto es la creación de un divisor no lineal en el que los pulsos de luz se enrutan a dos salidas diferentes en función de sus energías, lo que permite que la conmutación se produzca en menos de 50 femtosegundos (un femtosegundo es una milmillonésima de segundo). En comparación, los interruptores electrónicos de última generación tardan decenas de picosegundos (un picosegundo es una billonésima de segundo), una diferencia de muchos órdenes de magnitud.
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