Nueva esperanza para el procesamiento de señales ópticas

Durante décadas, los investigadores que desarrollan la electrónica han tenido un enorme éxito en el avance de casi cualquier aplicación que tenga que ver con el procesamiento de información: siguiendo la Ley de Moore, la densidad de datos en un chip electrónico se ha duplicado cada 18 meses. Aunque es probable que este crecimiento exponencial continúe por un tiempo, se espera que las limitaciones físicas inherentes impidan que dure indefinidamente. Algunas de estas limitaciones ya son evidentes: a medida que la electrónica de las computadoras se ve obligada a funcionar a frecuencias cada vez más altas, la disipación de energía y el consiguiente calentamiento del hardware se están convirtiendo en un problema muy grave. En los nodos de las redes ópticas de telecomunicaciones, donde los datos deben procesarse electrónicamente a frecuencias operativas especialmente altas, el problema es aún más significativo.

Ilustración de Eric Hanson.

Al darse cuenta de que el procesamiento de señales electrónicas eventualmente enfrentaría una limitación física fundamental, los ingenieros a principios de la década de 1980 exploraron la posibilidad de construir una computadora óptica, en la que los datos serían transportados por luz (fotones) en lugar de por portadores cargados (electrones). No lo pasaron fácil. El verdadero procesamiento de señales totalmente ópticas requiere una forma de influir en la luz con la luz misma. Es decir, hay que utilizar materiales con propiedades ópticas que pueden modificarse con la presencia de una señal luminosa; esto se puede usar para influir en otra señal de luz, realizando así una operación de procesamiento de señal totalmente óptica. Desafortunadamente, estos efectos tienden a ser extraordinariamente débiles, por lo que los elementos lógicos ópticos propuestos en la década de 1980 eran demasiado grandes; consumieron órdenes de magnitud de demasiada energía para ser factibles. La gente empezó a ver el procesamiento de señales ópticas como poco práctico.

Esta historia fue parte de nuestro número de noviembre de 2006

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Sin embargo, ahora que los límites de la electrónica se acercan mucho más, los ingenieros han comenzado a recurrir a la óptica nuevamente. De hecho, es probable que el transporte de datos entre varios componentes de las computadoras de escritorio (entre diferentes partes del procesador y entre la memoria y el procesador) pronto se realice de manera óptica. A medida que crece la necesidad de mecanismos físicos que mejoren nuestra capacidad para manipular la luz, los cristales fotónicos (que se inventaron en 1987) han surgido como una forma prometedora de satisfacerla.

Los cristales fotónicos son metamateriales nanoestructurados creados artificialmente cuyas propiedades ópticas varían periódicamente en la escala de la longitud de onda de la luz. A veces llamados semiconductores para fotones, los cristales fotónicos ofrecen oportunidades sin precedentes para moldear el flujo de luz. Por ejemplo, se han utilizado para crear interruptores totalmente ópticos que tienen un tamaño inferior a un micrómetro y un orden de magnitud más rápido que los transistores utilizados en la electrónica comercial. Además, se han propuesto diseños de cristales fotónicos que podrían permitir la interacción no lineal incluso entre fotones individuales. Por lo tanto, estos materiales podrían cambiar drásticamente la opinión de que las interacciones ópticas son demasiado débiles para usarlas en el procesamiento de señales.

Las tecnologías ópticas seguirán penetrando más profundamente en los diseños electrónicos, y los cristales fotónicos jugarán un papel importante para hacer esto posible. El procesamiento de la información en un futuro próximo probablemente se llevará a cabo mediante diseños híbridos electrónicos y ópticos, y la óptica asumirá un papel cada vez más importante.

Marin Soljacic es profesor asistente de física en el MIT y miembro del TR35 de este año.

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