Funcionamiento del filtro. Imagen: Wei Shi. Fuente: Universidad Laval.
La cantidad de datos que fluyen en internet se ha disparado en la última década, y exigen cada vez un mayor rendimiento de las redes ópticas que son la base física de la World Wide Web.
Sin embargo, el camino hacia una Internet más rápida se ha visto obstaculizado por el consumo de energía y el coste por componente óptico, explica Wei Shi, profesor asistente en la Universidad Laval (Quebec, Canadá). Shi y sus colegas han diseñado un filtro sintonizable -un componente importante de las redes ópticas de alta capacidad- que debería ahorrar dinero y energía, ya que se puede integrar fácilmente en un chip fotónico.
Para maximizar la eficiencia energética y el coste de la comunicación, las redes ópticas deben ser capaces de asignar ancho de banda flexible, dando a cada cliente sólo lo que necesitan en un momento dado.
Las redes flexibles requieren filtros sintonizables. Los filtros aíslan un canal de comunicación específico de todos los demás y los filtros sintonizables dan un controlador de red la libertad de seleccionar la frecuencia y el ancho de banda para cada canal y cambiarlos sobre la marcha.
El rendimiento del nuevo dispositivo es comparable a los mejores sistemas existentes, pero con una fracción del tamaño y coste. El lapso de sintonización del filtro, que es una medida de lo bien que puede adaptarse a las fluctuantes demandas de datos, es el más amplio jamás demostrado en un chip de silicio.
Además, explica la nota de prensa de la Optical Society of America, editora de la revista en la que se publica el artículo, el dispositivo cuenta con una gama espectral ilimitada, lo que significa que puede funcionar en cualquier rango de frecuencias, y muestra excelentes parámetros de rendimiento en otras medidas estándar de calidad del filtro, incluida una variación del retardo pequeña.
"El aspecto más interesante es que estos resultados récord se lograron en una plataforma de fotónica de silicio", dice Shi. "Esto indica que el filtro se puede integrar fácilmente con otros componentes bien desarrollados para crear un sistema integrado novedoso. Es como encontrar la pieza que falta en un rompecabezas".
Redes flexibles
El espectro óptico es un recurso limitado, y como el tráfico de Internet ha aumentado de manera espectacular, el ancho de banda se ha vuelto más preciado. "En comparación con las redes tradicionales, donde las asignaciones de recursos ópticos son predeterminadas y fijas, las redes flexibles permiten volúmenes de datos más altos -en órdenes de magnitud- en cada carril óptico y a través de todo el espectro", dice Shi.
El filtro sintonizable que Shi y sus colegas han diseñado y probado tiene un rango de sintonización de 670 gigahercios, mucho mayor que el lapso de aproximadamente 100 GHz de otros filtros basados en silicio. Los investigadores creen que con una modificación adicional podría extenderse aún más, hasta 1 teraherzio.
El dispositivo funciona mediante el uso de nanoestructuras periódicas, 10.000 veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano, para separar las diferentes frecuencias de luz entre sí. El filtro sintonizable se consigue con micro-calentadores en el chip de silicio que controlan la temperatura local, que a su vez afecta a las nanoestructuras y las frecuencias que separan.
El amplio abanico de sintonización significa que el filtro puede manejar un volumen de datos muy grande en un solo carril, y puede ser adaptado rápidamente a los cambios dinámicos en las necesidades del cliente.
El dispositivo también tiene un tamaño compacto y está construido sobre una plataforma nanofotónica integrada, compatible con CMOS. CMOS es la tecnología utilizada por la industria de la computación para hacer circuitos integrados, y dado que las técnicas están tan bien optimizadas, los chips compatibles con CMOS son potencialmente de muy bajo coste.
De cara al futuro, los investigadores planean integrar el filtro sintonizable con otros componentes en el mismo chip para probar las redes ópticas flexibles a escala de chip.
"Las redes ópticas de capacidad superior afectan mucho a los consumidores", dice Shi. La próxima generación de tecnología de Internet permitiría la recepción de vídeos en 3D o de 360 grados y grandes cantidades de almacenamiento de datos en la nube de forma barata.
Sin embargo, el camino hacia una Internet más rápida se ha visto obstaculizado por el consumo de energía y el coste por componente óptico, explica Wei Shi, profesor asistente en la Universidad Laval (Quebec, Canadá). Shi y sus colegas han diseñado un filtro sintonizable -un componente importante de las redes ópticas de alta capacidad- que debería ahorrar dinero y energía, ya que se puede integrar fácilmente en un chip fotónico.
Para maximizar la eficiencia energética y el coste de la comunicación, las redes ópticas deben ser capaces de asignar ancho de banda flexible, dando a cada cliente sólo lo que necesitan en un momento dado.
Las redes flexibles requieren filtros sintonizables. Los filtros aíslan un canal de comunicación específico de todos los demás y los filtros sintonizables dan un controlador de red la libertad de seleccionar la frecuencia y el ancho de banda para cada canal y cambiarlos sobre la marcha.
El rendimiento del nuevo dispositivo es comparable a los mejores sistemas existentes, pero con una fracción del tamaño y coste. El lapso de sintonización del filtro, que es una medida de lo bien que puede adaptarse a las fluctuantes demandas de datos, es el más amplio jamás demostrado en un chip de silicio.
Además, explica la nota de prensa de la Optical Society of America, editora de la revista en la que se publica el artículo, el dispositivo cuenta con una gama espectral ilimitada, lo que significa que puede funcionar en cualquier rango de frecuencias, y muestra excelentes parámetros de rendimiento en otras medidas estándar de calidad del filtro, incluida una variación del retardo pequeña.
"El aspecto más interesante es que estos resultados récord se lograron en una plataforma de fotónica de silicio", dice Shi. "Esto indica que el filtro se puede integrar fácilmente con otros componentes bien desarrollados para crear un sistema integrado novedoso. Es como encontrar la pieza que falta en un rompecabezas".
Redes flexibles
El espectro óptico es un recurso limitado, y como el tráfico de Internet ha aumentado de manera espectacular, el ancho de banda se ha vuelto más preciado. "En comparación con las redes tradicionales, donde las asignaciones de recursos ópticos son predeterminadas y fijas, las redes flexibles permiten volúmenes de datos más altos -en órdenes de magnitud- en cada carril óptico y a través de todo el espectro", dice Shi.
El filtro sintonizable que Shi y sus colegas han diseñado y probado tiene un rango de sintonización de 670 gigahercios, mucho mayor que el lapso de aproximadamente 100 GHz de otros filtros basados en silicio. Los investigadores creen que con una modificación adicional podría extenderse aún más, hasta 1 teraherzio.
El dispositivo funciona mediante el uso de nanoestructuras periódicas, 10.000 veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano, para separar las diferentes frecuencias de luz entre sí. El filtro sintonizable se consigue con micro-calentadores en el chip de silicio que controlan la temperatura local, que a su vez afecta a las nanoestructuras y las frecuencias que separan.
El amplio abanico de sintonización significa que el filtro puede manejar un volumen de datos muy grande en un solo carril, y puede ser adaptado rápidamente a los cambios dinámicos en las necesidades del cliente.
El dispositivo también tiene un tamaño compacto y está construido sobre una plataforma nanofotónica integrada, compatible con CMOS. CMOS es la tecnología utilizada por la industria de la computación para hacer circuitos integrados, y dado que las técnicas están tan bien optimizadas, los chips compatibles con CMOS son potencialmente de muy bajo coste.
De cara al futuro, los investigadores planean integrar el filtro sintonizable con otros componentes en el mismo chip para probar las redes ópticas flexibles a escala de chip.
"Las redes ópticas de capacidad superior afectan mucho a los consumidores", dice Shi. La próxima generación de tecnología de Internet permitiría la recepción de vídeos en 3D o de 360 grados y grandes cantidades de almacenamiento de datos en la nube de forma barata.
Grafeno
Físicos de la Universidad de Exeter (Reino Unido), en colaboración con el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, han utilizado una nueva técnica innovadora para atrapar luz en una superficie de grafeno utilizando sólo pulsos de luz láser.
Además, el equipo de científicos también ha sido capaz de dirigir esta luz atrapada a lo largo de la superficie del grafeno, sin la necesidad de dispositivos a nanoescala. Este doble avance abre una serie de oportunidades para avances en productos electrónicos fundamentales, tales como sensores y circuitos integrados miniaturizados.
La nueva investigación se presenta en la última edición en línea de la revista científica Nature Physics.
Tom Constant, autor principal del artículo y parte del Departamento de Física y Astronomía de Exeter, dice en la nota de prensa de la universidad: "Esta nueva investigación tiene el potencial para darnos una información inestimable sobre este material extraño, el grafeno, y cómo interactúa con la luz. Una aplicación comercial más inmediata podría ser un dispositivo simple que pudiera escanear fácilmente una pieza de grafeno y decir algunas propiedades clave como la conductividad, la resistencia y la pureza".
Constant y sus colegas utilizaron pulsos de luz para poder controlar la luz sobre la superficie de grafeno disponible comercialmente. Cuando es atrapada, la luz se convierte en un cuasi-partícula llamada plasmón superficial, una mezcla de luz y electrones del grafeno.
Además, el equipo ha demostrado el primera ejemplo de cómo dirigir los plasmones por la superficie del grafeno, sin la necesidad de fabricar sistemas complicados a nanoescala. La capacidad tanto para atrapar la luz en una superficie, como para dirigirla fácilmente, abre nuevas oportunidades para los dispositivos electrónicos, y ayuda cerrar la brecha entre la electrónica y la luz.
Constant explica: "Los ordenadores que pueden utilizar la luz como parte de su infraestructura podrían mostrar una mejoría significativa. Cualquier avance que revela cosas sobre la interacción de la luz con la electrónica basada en el grafeno seguramente beneficiará a las computadoras o los teléfonos inteligentes del futuro".
Físicos de la Universidad de Exeter (Reino Unido), en colaboración con el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona, han utilizado una nueva técnica innovadora para atrapar luz en una superficie de grafeno utilizando sólo pulsos de luz láser.
Además, el equipo de científicos también ha sido capaz de dirigir esta luz atrapada a lo largo de la superficie del grafeno, sin la necesidad de dispositivos a nanoescala. Este doble avance abre una serie de oportunidades para avances en productos electrónicos fundamentales, tales como sensores y circuitos integrados miniaturizados.
La nueva investigación se presenta en la última edición en línea de la revista científica Nature Physics.
Tom Constant, autor principal del artículo y parte del Departamento de Física y Astronomía de Exeter, dice en la nota de prensa de la universidad: "Esta nueva investigación tiene el potencial para darnos una información inestimable sobre este material extraño, el grafeno, y cómo interactúa con la luz. Una aplicación comercial más inmediata podría ser un dispositivo simple que pudiera escanear fácilmente una pieza de grafeno y decir algunas propiedades clave como la conductividad, la resistencia y la pureza".
Constant y sus colegas utilizaron pulsos de luz para poder controlar la luz sobre la superficie de grafeno disponible comercialmente. Cuando es atrapada, la luz se convierte en un cuasi-partícula llamada plasmón superficial, una mezcla de luz y electrones del grafeno.
Además, el equipo ha demostrado el primera ejemplo de cómo dirigir los plasmones por la superficie del grafeno, sin la necesidad de fabricar sistemas complicados a nanoescala. La capacidad tanto para atrapar la luz en una superficie, como para dirigirla fácilmente, abre nuevas oportunidades para los dispositivos electrónicos, y ayuda cerrar la brecha entre la electrónica y la luz.
Constant explica: "Los ordenadores que pueden utilizar la luz como parte de su infraestructura podrían mostrar una mejoría significativa. Cualquier avance que revela cosas sobre la interacción de la luz con la electrónica basada en el grafeno seguramente beneficiará a las computadoras o los teléfonos inteligentes del futuro".
Referencias bibliográficas:
Jonathan St-Yves, Hadi Bahrami, Philippe Jean, Sophie LaRochelle, Wei Shi. Widely bandwidth-tunable silicon filter with an unlimited free-spectral range. Optics Letters (2015). DOI: 10.1364/OL.40.005471
T. J. Constant, S. M. Hornett, D. E. Chang, E. Hendry: All-optical generation of surface plasmons in graphene. Nature Physics (2015). DOI: 10.1038/nphys3545
Jonathan St-Yves, Hadi Bahrami, Philippe Jean, Sophie LaRochelle, Wei Shi. Widely bandwidth-tunable silicon filter with an unlimited free-spectral range. Optics Letters (2015). DOI: 10.1364/OL.40.005471
T. J. Constant, S. M. Hornett, D. E. Chang, E. Hendry: All-optical generation of surface plasmons in graphene. Nature Physics (2015). DOI: 10.1038/nphys3545