- La dispersión de Brillouin se ve como un impedimento natural en los cables de fibra óptica.
- Los nuevos desarrollos en la dispersión artificial de Brillouin podrían revolucionar los circuitos.
- Al controlar cómo operan, los circuitos podrían usar ondas de sonido para integrar información óptica.
La fibra óptica es la columna vertebral oculta del mundo, abarca océanos y conecta continentes. Empresas gigantes como Microsoft y Facebook unen fuerzas para crear estos cables, como el cable submarino Marea, que se conecta desde Virginia a España. Estos cables emiten un tipo de retroalimentación que muchos en la industria consideran molesta, pero que un grupo de científicos cree que podría desarrollar una nueva generación de circuitos integrados, lo que lleva a una revolución potencial en todo, desde redes 5G y de banda ancha hasta sistemas de defensa.
Los analistas estiman que hay 378 cables submarinos en servicio en todo el mundo, que consisten en 1,2 millones de kilómetros (0,7 millones de millas). A medida que la información se desliza hacia adelante y hacia atrás a través de estos cables, las ondas de luz rebotan en el interior y chocan contra las fibras de sílice y polímero. La energía de estos rebotes crea pequeñas vibraciones conocidas como fonones. Estos fonones crean retroalimentación en forma de pequeñas ondas acústicas, que a su vez interrumpen las ondas de luz originales. Esta interrupción se conoce como "dispersión de Brillouin".
Descubierto en 1922, la dispersión de Brillouin ha sido un dolor de cabeza para los cables de fibra óptica porque puede reducir la potencia de la señal, pero todo eso podría cambiar muy pronto.
"No es exagerado decir que hay un renacimiento de la investigación en este proceso en curso", dice el profesor Ben Eggleton, director del Instituto Nano de la Universidad de Sydney y coautor de un artículo de revisión publicado hoy en Nature Photonics, en un comunicado de prensa.
"La aplicación de esta interacción entre la luz y el sonido en un chip ofrece la oportunidad de una revolución de la tercera ola en los circuitos integrados".
Un esfuerzo internacional entre universidades australianas y estadounidenses, "este documento describe la rica física que surge de una interacción tan fundamental como la que existe entre la luz y el sonido, que se encuentra en todos los estados de la materia", dice el profesor Gaurav Bahl de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
"No solo vemos inmensas aplicaciones tecnológicas, sino también la riqueza de las investigaciones científicas puras que son posibles. La dispersión de la luz de Brillouin nos ayuda a medir las propiedades de los materiales, transformar cómo la luz y el sonido se mueven a través de los materiales, enfriar objetos pequeños, medir el espacio, tiempo e inercia, e incluso transportar información óptica ".
El progreso comenzó en los años sesenta y setenta, cuando se desarrolló un proceso conocido como dispersión estimulada de Brillouin (SBS). Un SBS es esencialmente un circuito de retroalimentación de fonones (sonido) y fotones (luz). Durante este proceso, las ondas de sonido y las ondas de luz se acoplan, aunque las ondas de luz son mucho más rápidas.
"El gran avance aquí está en el control simultáneo de las ondas de luz y sonido en escalas realmente pequeñas", dice el profesor Christopher Poulton de la Universidad de Tecnología de Sydney, coautor.
"Este tipo de control es increíblemente difícil, sobre todo porque los dos tipos de ondas tienen velocidades extremadamente diferentes. Los enormes avances en fabricación y teoría descritos en este documento demuestran que este problema puede resolverse y que las poderosas interacciones entre la luz y el sonido como la dispersión de Brillouin ahora se puede aprovechar en un solo chip. Esto abre la puerta a una gran cantidad de aplicaciones que conectan la óptica y la electrónica ".
La recompensa, dice Eggleton, vendrá en la forma SWAP: tamaño, peso y potencia. Eso proviene de una mayor capacidad para manipular un SBS.
"Administrar la información en un microchip puede consumir mucha energía y producir mucho calor", dice el profesor Eggleton.
"A medida que nuestra dependencia de los datos ópticos ha aumentado, el proceso de interacción de la luz con los sistemas de microelectrónica se ha vuelto problemático. El proceso SBS nos ofrece una forma completamente nueva de integrar información óptica en un entorno de chip utilizando ondas de sonido como amortiguador para reducir la velocidad datos sin el calor que producen los sistemas electrónicos.
"Además, los circuitos integrados que usan SBS ofrecen la oportunidad de reemplazar componentes en sistemas de vuelo y navegación que pueden ser 100 o 1000 veces más pesados. Eso no será un logro trivial".
Todavía queda mucho trabajo por hacer. En primer lugar, el equipo necesita construir una arquitectura que integre procesadores de microondas y radiofrecuencia con interacciones óptico-acústicas. Luego, está la cuestión de eliminar cualquier dispersión de luz no deseada. Parte del equipo sugiere construir los chips SBS en temperaturas cercanas a cero absoluto, lo que sería un tremendo gasto de energía en sí mismo. También está el problema de los tubos en sí, que tendrían que construirse con materiales lo suficientemente flexibles como para contener interacciones SBS.
Pero el equipo es optimista sobre la posibilidad de futuros avances. "Este nuevo paradigma en el procesamiento de señales utilizando ondas de luz y ondas de sonido abre nuevas oportunidades para la investigación fundamental y los avances tecnológicos", dice Eggleton.
Fuente: Universidad de Sydney
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