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

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

Los métodos de compensación de dispersión pueden superar este problema, y ​​los dispositivos en chip son especialmente prometedores, ya que pueden colocarse en los transceptores para aumentar el alcance de la señal. Si bien existen dispositivos dispersivos en chip, ninguno ha demostrado compensación de dispersión de datos de alta velocidad. Esta es la 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, pretendían cerrar.

Son posibles muchos dispositivos dispersivos integrados, pero las rejillas parecían las más prometedoras debido a sus ventajosas propiedades de transmisión y fase. Con las rejillas como su especialidad, la profesora asociada Tan y su equipo desarrollaron un innovador dispositivo dispersivo y publicaron sus hallazgos en el artículo «Compensación de dispersión basada en luz lenta de datos de alta velocidad en un chip de nitruro de silicio» en Investigación en fotónica avanzada. Su artículo fue seleccionado como la portada interior de la edición de junio, lo que significa la aplicación prometedora del nuevo dispositivo.

«Nuestro grupo ha estado trabajando con rejillas para varias aplicaciones a lo largo de los años. Por ejemplo, hemos usado rejillas para luz lenta, amplificadores ópticos y solitones. Nuestra experiencia en diseño y desarrollo de rejillas, así como nuestras interacciones con la industria, han ayudado ayudarnos a abordar el punto de dolor actual en el movimiento de datos de alta velocidad», dijo Tan.

Su grupo de investigación diseñó y demostró un dispositivo de rejilla de nitruro de silicio compatible con semiconductor de óxido de metal complementario (CMOS) de baja pérdida para la compensación de dispersión de datos de alta velocidad. Los criterios que se propusieron cumplir al crear este dispositivo son triples: alta dispersión, baja pérdida de datos y el factor de forma pequeño requerido para la integración en el chip.

Los dispositivos dispersivos existentes que generan una alta dispersión muestran 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 abordar esto, los investigadores diseñaron dos dispositivos de rejilla, uno con un solo paso de rejilla de 434 nanómetros (dispositivo de rejilla única; SGD) y otro con dos rejillas superpuestas con pasos diferentes de 434 y 440 nanómetros (dispositivo de rejilla superpuesto; OGD).

Los espectros de transmisión de SGD y OGD son similares. Una banda de parada en ambos espectros induce modos de propagación hacia adelante y hacia atrás en las redes. Estos modos interactúan y dan lugar a un efecto de luz lenta, que es la reducción de la velocidad de los pulsos de luz. El efecto de luz lenta varía rápidamente con la longitud de onda, generando áreas de alta dispersión. Debido al mecanismo dispersivo único de los dispositivos, la pérdida de datos se ve mínimamente afectada incluso con una alta dispersión.

«En este estudio, tanto SGD como OGD permitieron la compensación de dispersión de tramos largos de fibra (hasta 20 kilómetros) con una pérdida mínima. Además, ambos dispositivos lograron un mejor rendimiento de corrección de errores, reduciendo las tasas de error de bit en nueve órdenes de magnitud de 5×10^-1 a 1×10^-10”, dijo Kenny Ong, candidato a doctorado en SUTD y primer autor del artículo.

El OGD también puede proporcionar un rango de valores de dispersión útiles para la compensación de dispersión dinámica. «Usando el ajuste termoóptico, uno podría controlar el OGD dinámicamente para compensar la dispersión de varias magnitudes, o la dispersión asociada con varias longitudes de fibra», agregó Tan.

Esto puede simplificar los sistemas de compensación de dispersión utilizados en diferentes 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 alterar 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 demostró que la integración de SGD y OGD en transceptores comerciales, ya sea dentro del chip del transmisor o del receptor, era posible y ventajosa. Estos dispositivos son compatibles con la fabricación de CMOS y pueden integrarse en chips transceptores, lo que permite un alcance más amplio de la fibra y también el uso de velocidades de datos más altas.

«Los dispositivos son más adecuados para los transceptores que dan servicio a las comunicaciones del centro de datos. Esta industria es sensible a los costes y la potencia, y normalmente no utiliza el procesamiento de señales digitales para la corrección de datos», explicó Tan.

En la actualidad, espera colaborar con socios de la industria para comercializar los novedosos dispositivos de rejilla. Ella menciona que la asociación ideal sería con una empresa que fabrica transceptores, de modo que los dispositivos de compensación de dispersión puedan integrarse dentro de sus chips para aumentar su rendimiento.

Para investigaciones futuras, planea aumentar el rendimiento de dispersión de los dispositivos e investigar las velocidades de datos y los alcances de fibra que pueden admitir. Su equipo también está buscando afinar los mecanismos, crear nuevos diseños para las rejillas y usar rejillas en otras aplicaciones.