Componentes eletrônicos ópticos ultrarrápidos vão turbinar o futuro digital
Sistemas a laser equipados com transistores ópticos prometem transferir informações muito mais rapidamente do que os atuais
Quem nunca quis ter uma internet, celular ou computador mais rápido? A grande questão sempre foi o limite da tecnologia. Mas agora, ao que parece, podemos começar a ter esperança.
Ao longo das últimas décadas, cientistas e engenheiros como eu têm se dedicado a desenvolver transistores mais rápidos – os componentes por trás das tecnologias de comunicação eletrônica e digital modernas. Esses esforços, em geral, se concentram em semicondutores, materiais que possuem propriedades elétricas especiais, sendo o silício o exemplo mais conhecido.
No entanto, cerca de uma década atrás, os avanços científicos atingiram o limite de velocidade desse tipo de transistor. Simplesmente não conseguimos fazer com que os elétrons se movam mais rápido por esses materiais.
A pesquisa deu o primeiro passo para alcançar uma transmissão de dados incrivelmente mais rápida em comparação com o método tradicional.
Uma das estratégias utilizadas pelos engenheiros para contornar as limitações de velocidade é projetar circuitos físicos mais curtos, reduzindo a distância percorrida pelos elétrons.
Aumentar o poder de processamento de um chip depende do aumento do número de transistores. Mas, mesmo que consigamos reduzir seu tamanho, eles ainda não seriam rápidos o suficiente para atingir a velocidade de processamento e transferência de dados que as pessoas e as empresas precisam.
O objetivo do nosso grupo de pesquisa é desenvolver formas mais rápidas de transmitir dados utilizando pulsos de laser ultrarrápidos. A luz do laser viaja através da fibra óptica com quase nenhuma perda e com um nível extremamente baixo de ruído.
Em nosso estudo mais recente, publicado na revista “Science Advances”, demos um passo nessa direção, demonstrando que é possível usar sistemas baseados em laser equipados com transistores ópticos – que dependem de fótons em vez de tensão para mover elétrons – para transferir informações de maneira muito mais rápida do que os sistemas atuais. Além disso, conseguimos realizar essa transferência de forma mais eficiente do que os switches ópticos previamente relatados.
TRANSISTORES ÓPTICOS ULTRARRÁPIDOS
Em seu nível mais fundamental, as transmissões digitais envolvem um sinal que alterna entre ligado e desligado para representar uns e zeros, utilizados no sistema de código binário. Os transistores eletrônicos usam tensão para enviar esse sinal: quando induz os elétrons a se moverem pelo sistema, o sinal é um; quando não há fluxo, zero. Esse processo requer uma fonte para emiti-los e um receptor para detectá-los.
Nosso sistema de transmissão de dados ópticos ultrarrápidos se baseia na luz, em vez de tensão. Nosso grupo é um dos muitos que exploram a comunicação óptica em transistores – os principais componentes dos processadores modernos – para contornar as limitações atuais do silício.
A luz do laser viaja através da fibra óptica com quase nenhuma perda e com um nível extremamente baixo de ruído.
O sistema que desenvolvemos controla a luz refletida para transmitir informações. Quando ela incide sobre o vidro, a maior parte o atravessa, embora uma pequena fração possa ser refletida. É o mesmo brilho que vemos quando a luz do sol bate sobre uma janela.
Utilizamos dois feixes de laser provenientes de duas fontes que passam pelo mesmo vidro. Um deles é constante, mas sua transmissão é controlada pelo segundo. Quando o usamos para alterar as propriedades do vidro – de transparente para reflexivo –, podemos iniciar e interromper a transmissão do feixe constante, alternando o sinal óptico entre ligado para desligado.
Com esse método, somos capazes de mudar as propriedades do vidro em uma velocidade muito maior do que os sistemas atuais conseguem enviar elétrons. Isso nos permite enviar uma quantidade muito maior de sinais – ligado/desligado, ou zeros e uns – em menos tempo.
QUÃO RÁPIDO É ESSE SISTEMA?
A pesquisa deu o primeiro passo para alcançar uma transmissão de dados incrivelmente mais rápida em comparação com o método tradicional. Com elétrons, a velocidade máxima de transmissão é de um nanossegundo (o que equivale a um bilionésimo de segundo). Mas o switch óptico que desenvolvemos foi capaz de reduzir esse tempo para apenas algumas centenas de attossegundos – em outras palavras, um milhão de vezes mais rápido.
Além disso, conseguimos transmitir esses sinais com segurança, impedindo que invasores interceptem ou modifiquem as mensagens.
Pesquisadores exploram a comunicação óptica em transistores para contornar as limitações do silício.
Utilizando um feixe de laser para transportar um sinal e ajustar sua intensidade através do vidro, que é controlado por outro feixe, as informações podem não apenas viajar mais rapidamente, mas também percorrer distâncias muito maiores.
Por exemplo, o Telescópio Espacial James Webb recentemente transmitiu imagens impressionantes de lugares distantes no espaço. Elas foram transferidas como dados do telescópio para a estação base na Terra usando comunicações ópticas para alternar entre os estados “ligado” e “desligado” a cada 35 nanossegundos.
Um sistema a laser, como o que estamos desenvolvendo, poderia aumentar a taxa de transferência em um bilhão de vezes, permitindo explorar o universo de forma muito mais rápida e clara. Um dia, os computadores também poderão processar dados na “velocidade da luz”.
Este artigo foi republicado do The Conversation sob licença Creative Commons. Leia o artigo original.
