La semana pasada, los científicos de la Universidad de Southampton diseñaron materiales de cambio de fase que, como afirman, pueden "revolucionar los circuitos ópticos" e incluso tomar el lugar de las partes electrónicas convencionales.


El investigador Dr. Ioannis Zeimpekis posa en el complejo de salas limpias. Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Southampton.

Los investigadores dicen que este nuevo material exhibe una pérdida ultrabaja en las longitudes de onda de las telecomunicaciones y puede cambiarse con muy poca potencia.

Materiales de cambio de fase en fotónica

La electrónica tradicional para la comunicación consume una parte significativa de su energía en el nivel de interconexión, y su ancho de banda está directamente limitado por la longitud de la comunicación. El uso de fotones en lugar de electrones mitiga estas limitaciones.
Aquí es donde el campo de la fotónica entra en escena. Gran parte de la comunicación de fibra óptica ocurre en la región de longitud de onda donde las fibras ópticas tienen poca pérdida de transmisión. A una longitud de onda de 1550 nm, la pérdida de cualquier fibra óptica es mínima. Los materiales de cambio de fase están diseñados y probados en esta longitud de onda para demostrar los beneficios de las aplicaciones de telecomunicaciones.
Para competir con los dispositivos electrónicos, los dispositivos fotónicos deben ser reprogramables y reconfigurables, al tiempo que proporcionan una integración y miniaturización más densas. La investigación sobre materiales de cambio de fase de calcogenuro sugiere que cuando un material de cambio de fase (PCM) se calienta por pulsos eléctricos u ópticos, puede cristalizarse (SET) y volverse a amar (RESET). Esto no solo varía significativamente la resistividad eléctrica sino también las propiedades ópticas de PCM.
El cambio en las propiedades puede explotarse para diversas aplicaciones en fotónica.

Se descubre un nuevo material de cambio de fase

Los materiales de cambio de fase en fotónica permiten un cambio muy rápido entre estados. Los investigadores de la Universidad de Southampton descubrieron que, de todas las tecnologías disponibles, el uso de Sb2S3 y Sb2Se3 como material de cambio de fase presenta las pérdidas más bajas.

Varias imágenes ópticas de chips de silicio con películas delgadas de Sb2S3 (en la imagen en a, c y e) y Sb2Se3 (en la imagen en b, d y f).
Varias imágenes ópticas de chips de silicio con películas delgadas de Sb2S3 (en la imagen en a, c y e) y Sb2Se3 (en la imagen en b, d y f). Imagen utilizada por cortesía de la Universidad de Southampton.

Estos materiales se depositaron sobre chips ópticos, donde se utilizó un pulso láser corto para cristalizar el material y cambiar la fase de la luz guiada. Los investigadores demostraron esta propiedad de forma reversible miles de veces. Además, el material recuerda su último estado sin ninguna señal aplicada, lo que conduce a importantes ahorros potenciales de energía.
Tanto Sb2S3 como Sb2Se3 son altamente transparentes en la longitud de onda de telecomunicaciones de alrededor de 1550 nm y tienen un índice de refracción moderadamente grande que se adapta bien a los componentes fotónicos de silicio, por lo que ofrecen dos ventajas importantes en comparación con los materiales convencionales de cambio de fase como GST.
Cuando se integran en guías de onda de silicio, estos materiales tienen una pérdida de propagación que es dos órdenes de magnitud más baja que el material óptico de uso común (GST — Ge2Sb2Te5).

Cómo afectará el nuevo PCM al diseño de telecomunicaciones

La optoelectrónica proporciona transporte de información a través de guías de onda y fibras ópticas, permitiendo pantallas, memorias y sensores ópticos integrados. Los sistemas electrónicos se utilizan para el almacenamiento de datos, mientras que la fotónica tiene una ventaja cuando se van a transportar datos.
Los centros de datos hoy en día tienen una necesidad cada vez mayor de manejar grandes cantidades de datos debido a la transmisión en línea, el almacenamiento en la nube y la computación en la nube. Esto es especialmente cierto durante COVID-19 con centros de datos cada vez más sobrecargados debido al pedido de permanencia en el lugar.
Las interconexiones ópticas se utilizan en los centros de datos porque pueden transferir datos a una velocidad muy alta con una pérdida de energía mucho menor en comparación con la electrónica. De hecho, esta investigación de la Universidad de Southampton viene inmediatamente después de la investigación de Microsoft y el University College London, lo que indica que los interruptores ópticos pueden ser la respuesta para extender la ley de Moore en los centros de datos.
Los ingenieros de la industria de las telecomunicaciones tienen que diseñar dispositivos como transceptores, enrutadores y rejillas de guía de ondas (AWG); Los circuitos integrados fotónicos son útiles en tales aplicaciones. El uso de un PCM recientemente descubierto demuestra la posibilidad de un consumo de energía reducido y un manejo de datos mayor.

Futuro de los circuitos fotónicos de silicio

La tecnología desarrollada en la Universidad de Southampton es compatible con los circuitos fotónicos de silicio existentes, lo que la prepara para la "transferencia de tecnología" a aplicaciones que se utilizan comercialmente. Esta capacidad abre puertas para la computación neuromórfica, permitiendo un flujo controlado de iones / fotones para ayudar a las neuronas artificiales a comunicarse entre sí. Puede comparar esto con las redes neuronales profundas actuales, donde la complejidad computacional es alta y tiene un consumo de energía considerable.
Además de esto, esta nueva tecnología (cambio de fase rápido) en fotónica estimulará el crecimiento de nuevas aplicaciones emergentes como LiDAR de estado sólido y computación cuántica que actualmente están limitadas por el rendimiento de los materiales existentes.
Otra razón por la cual los materiales de cambio de fase (PCM) son prometedores es que los PCM, a diferencia de los efectos optoelectrónicos en los materiales convencionales (como Si, LiNbO3), las propiedades de los PCM pueden cambiar rápida y dramáticamente. Además, pueden mantenerse en estados no volátiles sin polarización eléctrica u óptica sostenida.
Como tal, los investigadores del MIT, la Universidad de Pensilvania, la Universidad de Minnesota, la Universidad de Purdue y la Universidad de Maryland descubrieron que los dispositivos fotónicos que utilizan PCM pueden presentar dimensiones más pequeñas y un menor consumo de energía que los dispositivos basados ​​en materiales optoelectrónicos tradicionales.

Diagrama de las distintas partes de un chip fotónico programable.
Diagrama de las distintas partes de un chip fotónico programable. Imagen utilizada por cortesía del Grupo de Investigación Fotónica de la Universidad de Gante.

"Los circuitos ópticos cuánticos están en el horizonte y se necesitan componentes de pérdida ultrabaja para dar el siguiente paso en el control y enrutamiento de la información cuántica", dice el profesor Otto Muskens, jefe del grupo integrado de nanofotónica.
Uno de los principales objetivos de la investigación fotónica es cerrar la brecha entre la fotónica y la electrónica y cerrar una transición entre los dos campos, superando finalmente las limitaciones de la electrónica tradicional. Este avance puede ser clave para habilitar circuitos integrados fotónicos (PIC) completos, pero este reemplazo potencial de las tecnologías actuales probablemente llevará muchos años antes de que podamos ver un salto adelante en la computación fotónica.

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