Fibra Óptica a escala nanométrica conecta los chips de la computadora

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Por Earl Boysen, Nancy C. Muir, Desiree Dudley, Christine Peterson

Los investigadores en nanotecnología están planeando usar componentes a nanoescala para adaptar la fibra óptica para transportar datos dentro de las computadoras. La idea es utilizar la luz para transportar datos entre núcleos de microprocesadores dentro de un chip de ordenador y entre chips separados dentro de un ordenador, del mismo modo que el cable de fibra óptica transporta datos como la luz entre los principales centros de telecomunicaciones en la actualidad.

Los microprocesadores tienen uno o más núcleos. Múltiples procesadores de núcleo permiten que varios cálculos matemáticos o lógicos se ejecuten al mismo tiempo. Dentro de los núcleos de los microprocesadores hay conexiones entre los componentes, como los transistores.

La nanotecnología actual, que envía datos a través de líneas metálicas, podría ser reemplazada por nanotubos de carbono metálicos, que conducen la electricidad mejor que el metal. Cuando la información se envía de un núcleo a otro, la señal eléctrica saliente se convierte en luz y viaja a través de una guía de onda a otro núcleo, donde un detector cambia los datos a señales eléctricas.

Este método también podría reducir el consumo de energía. Ese ahorro ocurre porque todos los alambres metálicos tienen una resistencia al movimiento de los electrones a través de ellos, por lo que parte del voltaje usado para conducir los electrones se convierte en calor.

Los investigadores han desarrollado técnicas para transmitir la luz que personalizan la nanoestructura del material cristalino para formar guías de onda. Estas guías de onda permiten que la luz de una longitud de onda particular viaje a través del material sin casi ninguna pérdida de energía.

Los investigadores están desarrollando fuentes de luz a nanoescala, interruptores ópticos accionados eléctricamente (también llamados moduladores), guías de onda, enrutadores ópticos y detectores para convertir datos eléctricos en datos ópticos, encaminarlos a un núcleo de microprocesador y convertir los datos ópticos de nuevo en datos eléctricos para que el núcleo del microprocesador pueda procesarlos.

Un método de generación de luz basado en nanopartículas, desarrollado en la Universidad de Cornell, se denomina spaser (amplificación del plasmón de superficie por emisión estimulada de radiación). Un spaser es similar a un láser. La diferencia entre un spaser y un láser es que un láser tiene una cavidad en la que la luz rebota de un lado a otro para amplificar la intensidad de la luz en un proceso similar a la resonancia.

Ese método no funcionará muy bien con una fuente de luz de tamaño nano, cuyo tamaño es una fracción de la longitud de onda de la luz que está tratando de generar. Un spaser es mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz; de hecho, el spaser fabricado en Cornell está hecho de una partícula de 44 nm de diámetro, y genera luz con una longitud de onda de 531 nm.

Una nanopartícula que funciona como un láser.

Cuando se excitan moléculas de tinte en la capa externa del spaser, las moléculas de tinte añaden electrones al núcleo de oro. Estos electrones, junto con los electrones en la banda de conducción del núcleo de oro, forman una nube de electrones (llamada plasmón).

Esta nube oscila en la superficie del núcleo de oro en la misma frecuencia que la longitud de onda de la luz que quieres generar. Estos electrones oscilantes generan un campo eléctrico que es reforzado por la oscilación de resonancia y electrones adicionales suministrados por las moléculas de tinte hasta que el spaser genera un pulso de luz.

En otro enfoque, IBM está desarrollando un láser basado en nanotubos de carbono como fuente de luz. Los nanotubos de carbono generan luz; la longitud de onda de esa luz depende del diámetro del nanotubo. Se puede utilizar una señal eléctrica o una señal luminosa para obtener un nanotubo que inicie la generación de luz.

Los nanotubos están situados entre dos superficies espejadas; la distancia entre ellas es la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada. Estas superficies espejadas actúan como la cavidad de resonancia del láser, que amplifica la luz generada por los nanotubos.