Un estudio investiga la compensación de dispersión basada en chips para una Internet de fibra óptica más rápida

La fibra óptica es actualmente la tecnología más rápida y confiable para brindar una conexión a Internet. Los datos se transmiten mediante pulsos de luz de movimiento rápido que rebotan en las paredes de los cables de fibra óptica para permitir que la señal viaje más lejos con menos atenuación. Sin embargo, la transmisión de datos por fibra óptica está sujeta a la dispersión o degradación de la señal como resultado del daño de la fibra. Esto hace que diferentes longitudes de onda de luz viajen a diferentes velocidades, propagando la señal a lo largo del tiempo y provocando errores.

Los métodos de compensación de dispersión pueden resolver este problema, y ​​los dispositivos integrados son particularmente prometedores porque pueden incorporarse a los transceptores para aumentar el alcance de la señal. Si bien existen dispositivos de dispersión en chip, ninguno ha demostrado una compensación de dispersión de datos de alta velocidad. Esta es una brecha que los investigadores del Grupo de Sistemas y Dispositivos Fotónicos de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD), dirigidos por la profesora asociada Dawn Tan, se propusieron llenar.

Son posibles muchos dispositivos de dispersión integrados, pero las rejillas parecían las más prometedoras debido a sus favorables propiedades de transmisión y fase. Especializada en redes, la profesora Tan y su equipo desarrollaron un innovador dispositivo de dispersión y publicaron sus hallazgos en el artículo “Compensación de dispersión basada en luz lenta de datos de alta velocidad en un chip de azotida de silicio” en Investigación avanzada en fotónica. Su artículo fue seleccionado como el número de junio dentro de la portada, lo que indica una aplicación prometedora del nuevo dispositivo.

“Nuestro grupo ha trabajado con redes para diversas aplicaciones a lo largo de los años. Por ejemplo, hemos utilizado rejillas de luz lenta, amplificadores ópticos y solitones. Nuestra experiencia en el diseño y desarrollo de redes, así como nuestras interacciones con la industria, nos han ayudado a abordar el problema actual de la transferencia de datos a alta velocidad”, dijo Tan.

Su grupo de investigación diseñó y demostró un dispositivo de red de nitruro de silicio semiconductor complementario de óxido de metal (CMOS) de baja pérdida para compensar la dispersión de datos a alta velocidad. Los criterios que se propusieron cumplir al crear este dispositivo son tres: alta dispersión, baja pérdida de datos y una pequeña huella requerida para la integración en el chip.

Los dispositivos de dispersión existentes que generan alta dispersión exhiben una alta pérdida de datos, mientras que los dispositivos que permiten una baja pérdida de datos no generan una alta dispersión. Un dispositivo que pudiera hacer ambas cosas e integrarse en un chip sería un avance significativo en la tecnología de transmisión de datos. Para superar esto, los investigadores diseñaron dos dispositivos de rejilla, uno con una sola rejilla de 434 nanómetros (SGD) y el otro con dos rejillas superpuestas con diferentes espacios de 434 y 440 nanómetros (dispositivo de rejilla superpuesta; OGD).

Los espectros de transmisión de SGD y OGD son similares. La banda de parada en ambos espectros induce modos de propagación hacia adelante y hacia atrás en las redes. Estos modos interactúan entre sí y provocan el efecto de luz lenta, es decir, una reducción en la velocidad de los pulsos de luz. El efecto de luz lenta cambia rápidamente con la longitud de onda, generando áreas de alta dispersión. Debido al mecanismo de dispersión único del dispositivo, la pérdida de datos se ve mínimamente afectada incluso con alta dispersión.

“En este estudio, tanto el SGD como el OGD permitieron compensar la dispersión de fibras ópticas largas (hasta 20 kilómetros) con pérdidas mínimas. Además, ambos dispositivos lograron un rendimiento de corrección de errores mejorado, reduciendo las tasas de error de bit en nueve órdenes de magnitud de 5×10^-1 hasta 1×10^-10dijo Kenny Ong, estudiante de doctorado en SUTD y primer autor del artículo.

El OGD también puede proporcionar una gama de valores de dispersión útiles para la compensación de dispersión dinámica. “Usando el ajuste termoóptico, el OGD podría controlarse dinámicamente para compensar la dispersión de diferentes magnitudes o la dispersión asociada con diferentes longitudes de fibra”, agregó Tan.

Esto puede simplificar los sistemas de compensación de dispersión utilizados en varios sistemas de comunicación óptica y ayudar a reducir los efectos de la temperatura o la tensión de la fibra en la transmisión de datos. Dado que el perfil de dispersión del OGD se puede cambiar con pequeños cambios en la longitud de onda, se necesita un menor grado de ajuste termoóptico (es decir, menos potencia) para lograr la dispersión requerida.

Se ha demostrado que la integración de SGD y OGD con transceptores comerciales en el chip transmisor o receptor es posible y beneficiosa. Estos dispositivos son compatibles con la fabricación de CMOS y se pueden integrar con circuitos transceptores, lo que permite una cobertura de fibra más amplia y velocidades de datos más altas.

“Estos dispositivos son los más adecuados para los transceptores que soportan las comunicaciones del centro de datos. Esta industria es sensible a los costos y la energía y, por lo general, no utiliza el procesamiento de señales digitales para la corrección de datos”, explicó Tan.

Ahora espera trabajar con socios de la industria para comercializar equipos de corte de última generación. Menciona que la asociación ideal sería una empresa de transceptores, por lo que los dispositivos de compensación de dispersión podrían integrarse en sus chips para aumentar su eficiencia.

Como parte de futuras investigaciones, planea aumentar el rendimiento de dispersión de los dispositivos y explorar las velocidades de datos y los rangos de las fibras que pueden admitir. Su equipo también está trabajando en el ajuste fino de los mecanismos, la creación de nuevos diseños de rejillas y el uso de rejillas en otras aplicaciones.