Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú proponen un método para predecir con precisión el nivel de ruido causado por la amplificación de señales fotónicas y plasmónicas en circuitos optoelectrónicos a nanoescala. En su investigación publicada en Revisión física aplicada , los científicos describen un enfoque que se puede utilizar para evaluar las tasas de transferencia de datos finales en los microprocesadores optoelectrónicos emergentes y descubrir limitaciones fundamentales en el ancho de banda de las interfaces nanofotónicas.

Los polaritones de plasmón de superficie son oscilaciones electrónicas colectivas sobre una superficie metálica acopladas a un campo electromagnético. Un plasmón de superficie podría verse como un cuanto de luz comprimido, y eso explica por qué los dispositivos plasmónicos son prometedores para muchas aplicaciones:son casi tan compactos como los componentes nanoelectrónicos, pero al mismo tiempo, permiten velocidades de transferencia de datos hasta cuatro órdenes de magnitud más altas que los cables eléctricos. Reemplazar incluso algunas de las interconexiones eléctricas en un chip con componentes plasmónicos (nanofotónicos) daría un impulso muy necesario al rendimiento del microprocesador.

El principal obstáculo al que se enfrentan actualmente los plasmónicos es la atenuación de la señal. Debido a las altas pérdidas, los plasmones de superficie pueden propagarse a largas distancias solo en las llamadas guías de ondas plasmónicas activas. Dichas guías de ondas no solo guían la señal plasmónica desde el transmisor al receptor, sino que también la amplifican utilizando la energía de la corriente eléctrica que fluye a través del dispositivo. Esta energía adicional compensa las pérdidas de señal y permite que los plasmones de superficie se propaguen libremente a lo largo de la guía de ondas. al igual que la energía suministrada por una batería mantiene en marcha un reloj de cuarzo.

Sin embargo, Existe un problema fundamental asociado con la amplificación de la señal y la compensación de pérdidas. Cada amplificador no solo aumenta la amplitud de la entrada, pero también agrega algunas señales aleatorias no deseadas. Los físicos se refieren a estas señales como ruido. Según las leyes de la termodinámica, es imposible eliminar todo el ruido de un sistema. La distorsión de la señal original está determinada en gran medida por el ruido, que limita fundamentalmente las velocidades de transferencia de datos y provoca errores en los bits recibidos si la información se transfiere a velocidades más altas. Para aumentar la tasa de transferencia de datos, Es necesario mejorar la relación señal / ruido. La importancia de esta proporción es obvia para cualquiera que haya tenido la experiencia de hablar con alguien en una calle concurrida o sintonizar una estación de radio.

"El ruido juega un papel clave en casi la mitad de todos los dispositivos de nuestros hogares, desde teléfonos celulares y televisores hasta los canales de fibra óptica que son la columna vertebral de Internet de alta velocidad. La amplificación de la señal disminuye inevitablemente la relación señal / ruido. De hecho, cuanta más ganancia proporciona un amplificador, o, en nuestro caso, cuanto mayor sea la pérdida de señal que necesita compensar, cuanto mayor sea el nivel de ruido que produce. Este problema es especialmente pronunciado en guías de ondas plasmónicas con ganancia, "dice Dmitry Fedyanin.

Un estudio reciente de Fedyanin y Andrey Vyshnevyy publicado en Revisión física aplicada se ocupa de un tipo particular de ruido:el ruido fotónico que se produce cuando las señales plasmónicas se amplifican en dispositivos semiconductores. Su principal causa es la llamada emisión espontánea. Cuando se amplifica una señal fotónica, la potencia de la onda óptica aumenta debido a las transiciones de los electrones de estados de mayor a menor energía; la diferencia de energía entre los dos estados de energía se libera como cuantos de luz. Esta emisión puede ser tanto estimulada como espontánea.

Mientras que la emisión estimulada amplifica la señal, la emisión espontánea produce cuantos aleatorios de varias energías, es decir., ruido de amplio espectro. El ruido se puede observar como fluctuaciones aleatorias en la potencia de la señal que resultan de la interferencia de los componentes de frecuencia de la señal y de la emisión espontánea (este fenómeno se conoce como "latido"). Cualquier aumento en la ganancia proporcionada por un amplificador aumenta el nivel de ruido y amplía los espectros de emisión, tanto estimulado como espontáneo. La aplicabilidad de los enfoques bien establecidos de la óptica cuántica, que están destinados a describir la interacción de la luz con átomos individuales, disminuye a medida que los espectros en el sistema estudiado se hacen más amplios. Para abordar el caso de la amplificación de alta ganancia a nanoescala, los investigadores básicamente tuvieron que empezar el trabajo desde cero.

"Tuvimos que cerrar la brecha entre tres áreas diferentes de la física que rara vez se cruzan entre sí:óptica cuántica, física de semiconductores y optoelectrónica. Hemos desarrollado un marco teórico que puede describir el ruido fotónico en estructuras que incorporan medios activos con un amplio espectro de ganancia. Aunque este enfoque se concibió inicialmente para guías de ondas plasmónicas con ganancia, se puede aplicar sin cambios a todos los amplificadores ópticos y sistemas similares, "Dice Fedyanin.

El ruido provoca errores durante la transmisión, lo que reduce considerablemente la tasa de transferencia de datos efectiva debido a la necesidad de implementar algoritmos de corrección de errores. En lo que respecta al hardware, el control de errores también requiere componentes adicionales en el chip que realizan la corrección, haciendo que los nuevos dispositivos sean más difíciles de diseñar y fabricar.

"Si conocemos el poder del ruido en un canal de comunicación nanofotónico, así como sus características espectrales, es posible evaluar la tasa máxima de transferencia de datos a lo largo de ese canal. Es más, Podemos identificar formas de reducir la cantidad de ruido eligiendo ciertos regímenes de funcionamiento del dispositivo y utilizando técnicas de filtrado óptico y eléctrico. "agrega Vyshnevyy.

La teoría propuesta sugiere una nueva clase de dispositivos que combinan las ventajas de la electrónica y la fotónica en el mismo chip. En un chip de ese tipo Los componentes plasmónicos se utilizarían para una comunicación ultrarrápida entre los núcleos del procesador y los registros. Aunque la atenuación de la señal se consideraba anteriormente como el principal inconveniente del chip propuesto, el reciente estudio de investigadores rusos muestra que tan pronto como se haya compensado la pérdida de señal, Se requiere una técnica para abordar el problema del ruido. De lo contrario, la señal podría simplemente quedar ahogada por el ruido de emisión espontánea, haciendo que el chip sea prácticamente inútil.

Los cálculos realizados por los investigadores demuestran que una guía de ondas plasmónica activa con una sección transversal de solo 200 × 200 nanómetros podría usarse para transmitir señales a una distancia de cinco milímetros. Esto puede no parecer mucho en términos de las distancias con las que nos enfrentamos en la vida cotidiana, pero este número es bastante típico de los microprocesadores de hoy en día. En cuanto a las tasas de transferencia de datos, superarían los 10 Gbit / s por canal espectral, es decir., un canal de comunicación de datos que utiliza una longitud de onda de luz específica. Sin mencionar que varias docenas de estos canales espectrales pueden utilizar simultáneamente una única guía de ondas a nanoescala si se utiliza la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda (WDM), que es un estándar en todas las líneas de comunicación óptica, incluida Internet de banda ancha. Para poner eso en perspectiva, la tasa máxima de transferencia de datos a través de una interconexión eléctrica (un conductor de cobre) de dimensiones similares es de solo 20 Mbit / s, que es al menos 500 veces más lento.

Los científicos descubrieron cómo la potencia del ruido y las características del ruido dependen de los parámetros de las guías de onda plasmónicas con ganancia y mostraron cómo se puede reducir el nivel de ruido para garantizar el máximo ancho de banda de la interfaz nanofotónica. Demostraron que es posible combinar un tamaño en miniatura y un recuento de errores bajo con una alta tasa de transferencia de datos y una eficiencia energética relativamente alta en un solo dispositivo. anunciando un "avance plasmónico" en microelectrónica que podría llegar en los próximos 10 años.