El dispositivo. Fuente: Universidad de Columbia.
El año pasado, investigadores de Columbia Engineering (Universidad de Columbia, Nueva York, EE.UU.) fueron los primeros en inventar circuitos de radio integrados con la tecnología full-duplex (CI), que pueden ser implementadas en CMOS (semiconductores complementarios de óxido metálico) nanométricos para permitir la transmisión y recepción simultáneas en la misma frecuencia de radio inalámbrica.
Ese sistema requiere dos antenas, una para el transmisor y otro para el receptor. Y ahora el equipo, dirigido por el profesor de Ingeniería Eléctrica Harish Krishnaswamy, ha desarrollado una tecnología innovadora que sólo necesita una antena, lo que permite un sistema global aún más pequeño.
Esta es la primera vez que los investigadores han integrado un dispositivo de circulación no recíproco y una radio dúplex completa en un chip de silicio a escala nanométrica. La investigación se publica en Nature Communications, informa Columbia en su web.
Como explica Krishnaswamy, su circulador "es el primero en instalarse en un chip de silicio", y obtiene un rendimiento órdenes de magnitud mejor que en trabajos anteriores. "Las comunicaciones full-duplex, en las que el transmisor y el receptor operan al mismo tiempo y en la misma frecuencia, se ha convertido en un área de investigación fundamental y ahora hemos demostrado que la capacidad de Wi-Fi puede duplicarse en un chip de silicio a nanoescala con una sola antena. Esto tiene enormes implicaciones para dispositivos como teléfonos inteligentes y tabletas".
Para usar una sola antena, el circulador tiene que "romper" la reciprocidad de Lorentz, una característica física fundamental de la mayoría de las estructuras electrónicas que requiere que las ondas electromagnéticas viajen de la misma manera hacia adelante y hacia atrás.
"Los circuitos y sistemas recíprocos son bastante restrictivos porque no puedes controlar la señal libremente", dice el estudiante de doctorado Negar Reiskarimian, que desarrolló el circulador y es autor principal del artículo de Nature Communications. "Queríamos crear una forma sencilla y eficiente, utilizando materiales convencionales, para romper la reciprocidad de Lorentz y construir a escala nanométrica un circulador de bajo costo que pudiera encajar en un chip".
La forma tradicional de romper la reciprocidad de Lorentz y de construir circuladores de radiofrecuencia ha sido utilizar materiales magnéticos, tales como ferritas, que pierden la reciprocidad cuando se aplica un campo magnético externo. Sin embargo, estos materiales no son compatibles con la tecnología de chip de silicio, y los circuladores de ferrita son voluminosos y caros.
Krishnaswamy y su equipo fueron capaces de diseñar un dispositivo de circulación altamente miniaturizado que utiliza interruptores para rotar la señal a través de un conjunto de condensadores para emular el "giro" no recíproco de la señal que se ve en los materiales de ferrita. Aparte del circulador, añadieron un receptor cancelador de eco.
Ese sistema requiere dos antenas, una para el transmisor y otro para el receptor. Y ahora el equipo, dirigido por el profesor de Ingeniería Eléctrica Harish Krishnaswamy, ha desarrollado una tecnología innovadora que sólo necesita una antena, lo que permite un sistema global aún más pequeño.
Esta es la primera vez que los investigadores han integrado un dispositivo de circulación no recíproco y una radio dúplex completa en un chip de silicio a escala nanométrica. La investigación se publica en Nature Communications, informa Columbia en su web.
Como explica Krishnaswamy, su circulador "es el primero en instalarse en un chip de silicio", y obtiene un rendimiento órdenes de magnitud mejor que en trabajos anteriores. "Las comunicaciones full-duplex, en las que el transmisor y el receptor operan al mismo tiempo y en la misma frecuencia, se ha convertido en un área de investigación fundamental y ahora hemos demostrado que la capacidad de Wi-Fi puede duplicarse en un chip de silicio a nanoescala con una sola antena. Esto tiene enormes implicaciones para dispositivos como teléfonos inteligentes y tabletas".
Para usar una sola antena, el circulador tiene que "romper" la reciprocidad de Lorentz, una característica física fundamental de la mayoría de las estructuras electrónicas que requiere que las ondas electromagnéticas viajen de la misma manera hacia adelante y hacia atrás.
"Los circuitos y sistemas recíprocos son bastante restrictivos porque no puedes controlar la señal libremente", dice el estudiante de doctorado Negar Reiskarimian, que desarrolló el circulador y es autor principal del artículo de Nature Communications. "Queríamos crear una forma sencilla y eficiente, utilizando materiales convencionales, para romper la reciprocidad de Lorentz y construir a escala nanométrica un circulador de bajo costo que pudiera encajar en un chip".
La forma tradicional de romper la reciprocidad de Lorentz y de construir circuladores de radiofrecuencia ha sido utilizar materiales magnéticos, tales como ferritas, que pierden la reciprocidad cuando se aplica un campo magnético externo. Sin embargo, estos materiales no son compatibles con la tecnología de chip de silicio, y los circuladores de ferrita son voluminosos y caros.
Krishnaswamy y su equipo fueron capaces de diseñar un dispositivo de circulación altamente miniaturizado que utiliza interruptores para rotar la señal a través de un conjunto de condensadores para emular el "giro" no recíproco de la señal que se ve en los materiales de ferrita. Aparte del circulador, añadieron un receptor cancelador de eco.
Récord
La Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU), por su parte, ha alcanzado la velocidad de comunicaciones ópticas más rápida del mundo para centros de datos, al alcanzar 240 G bit / s a lo largo de más de 2 kilómetros, 24 veces la velocidad disponible en el mercado. El coste de la transmisión de datos por unidad es cuatro veces menor.
Eso permitirá a los usuarios finales utilizar ampliamente las nuevas formas de comunicación, tales como videos inmersivos, la realidad aumentada y realidad virtual. En el plano social, el aumento de la velocidad de transmisión abrirá una nueva era para el Big Data y la Internet de las Cosas (IO).
Los centros de datos son conjuntos de servidores interconectados y sus componentes asociados para procesar gran cantidad de tráfico y cálculos de Internet y cálculos. Google, Facebook, YouTube son algunos ejemplos ampliamente conocidos de centros de datos a escala global.
Cada vez que llevamos a cabo una búsqueda en los motores de búsqueda, leemos un feed de noticias, vemos un video en streaming, o cargamos un archivo en la nube, el tráfico pasa a través de los centros de datos.
En las comunicaciones ópticas, todo tipo de información, como texto, sonido, música, imagen y vídeo, se digitaliza y se transmite en forma de señales de luz a través de fibra óptica. A medida que la luz interactúa, a través de la reflexión y la refracción, con las moléculas de la fibra durante la transmisión, la señal de la luz cambia cuando llega al receptor, por lo que llega distorsionada.
Cuanto mayor es la velocidad de transmisión y mayor es la distancia, más grave es la distorsión, lo que hace irreconocible la señal luminosa en el receptor. Esto conduce a una transmisión fallida y limita la velocidad de transmisión máxima. Al superar el reto de la distorsión, la velocidad puede incrementarse.
El enfoque existente para deshacer la distorsión es el uso de hardware especializado. El uso de componentes de alto coste, como la fibra óptica especializada, es una posible manera de reducir la distorsión. Sin embargo, su coste y su voluminoso tamaño la convierten en una solución poco práctica para las empresas de centros de datos. En lugar de utilizar costosos componentes, el equipo de investigación de PolyU desarrolla un enfoque de software.
De acuerdo con las teorías de óptica, la interacción entre la luz y una sola molécula de fibra es bien conocida. Sin embargo, en una fibra óptica que consta de miles de millones de moléculas colocadas al azar y orientadas entre sí, el efecto general de las interacciones entre la luz de señal y la fibra es desconocido, y por lo tanto la distorsión de la señal también es aleatoria
Sin embargo, hay "un orden en el caos". A través de la realización de un análisis estadístico de cantidades masivas de señales de luz transmitidas y recibidas, podemos identificar el patrón de distorsión, y se puede revertir una cantidad considerable de la misma. De este modo, se puede lograr un aumento significativo en la velocidad de transmisión con componentes baratos y existentes.
La Universidad Politécnica de Hong Kong (PolyU), por su parte, ha alcanzado la velocidad de comunicaciones ópticas más rápida del mundo para centros de datos, al alcanzar 240 G bit / s a lo largo de más de 2 kilómetros, 24 veces la velocidad disponible en el mercado. El coste de la transmisión de datos por unidad es cuatro veces menor.
Eso permitirá a los usuarios finales utilizar ampliamente las nuevas formas de comunicación, tales como videos inmersivos, la realidad aumentada y realidad virtual. En el plano social, el aumento de la velocidad de transmisión abrirá una nueva era para el Big Data y la Internet de las Cosas (IO).
Los centros de datos son conjuntos de servidores interconectados y sus componentes asociados para procesar gran cantidad de tráfico y cálculos de Internet y cálculos. Google, Facebook, YouTube son algunos ejemplos ampliamente conocidos de centros de datos a escala global.
Cada vez que llevamos a cabo una búsqueda en los motores de búsqueda, leemos un feed de noticias, vemos un video en streaming, o cargamos un archivo en la nube, el tráfico pasa a través de los centros de datos.
En las comunicaciones ópticas, todo tipo de información, como texto, sonido, música, imagen y vídeo, se digitaliza y se transmite en forma de señales de luz a través de fibra óptica. A medida que la luz interactúa, a través de la reflexión y la refracción, con las moléculas de la fibra durante la transmisión, la señal de la luz cambia cuando llega al receptor, por lo que llega distorsionada.
Cuanto mayor es la velocidad de transmisión y mayor es la distancia, más grave es la distorsión, lo que hace irreconocible la señal luminosa en el receptor. Esto conduce a una transmisión fallida y limita la velocidad de transmisión máxima. Al superar el reto de la distorsión, la velocidad puede incrementarse.
El enfoque existente para deshacer la distorsión es el uso de hardware especializado. El uso de componentes de alto coste, como la fibra óptica especializada, es una posible manera de reducir la distorsión. Sin embargo, su coste y su voluminoso tamaño la convierten en una solución poco práctica para las empresas de centros de datos. En lugar de utilizar costosos componentes, el equipo de investigación de PolyU desarrolla un enfoque de software.
De acuerdo con las teorías de óptica, la interacción entre la luz y una sola molécula de fibra es bien conocida. Sin embargo, en una fibra óptica que consta de miles de millones de moléculas colocadas al azar y orientadas entre sí, el efecto general de las interacciones entre la luz de señal y la fibra es desconocido, y por lo tanto la distorsión de la señal también es aleatoria
Sin embargo, hay "un orden en el caos". A través de la realización de un análisis estadístico de cantidades masivas de señales de luz transmitidas y recibidas, podemos identificar el patrón de distorsión, y se puede revertir una cantidad considerable de la misma. De este modo, se puede lograr un aumento significativo en la velocidad de transmisión con componentes baratos y existentes.
Referencia bibliográfica:
Negar Reiskarimian, Harish Krishnaswamy: Magnetic-free non-reciprocity based on staggered commutation. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/NCOMMS11217.
Negar Reiskarimian, Harish Krishnaswamy: Magnetic-free non-reciprocity based on staggered commutation. Nature Communications (2016). DOI: 10.1038/NCOMMS11217.